Реферат: Электролиз воды
Электролиз воды
Введение
За последние десятилетия созданы сотни установок электролиза воды для получения водорода и кислорода, оборудованных электролизерами, которые работают как при атмосферном, так и при повышенном давлении. В настоящее время только на электростанциях работает около тысячи электролизеров различного типа.
Для удовлетворения нужд народного
хозяйства в электролитическом водороде в ближайшие годы дополнительно
потребуется значительное количество мощных электролизеров производительностью
по 500 - 650 
водорода
и более мелких электролизеров для выработки небольших количеств водорода.
Во многих странах электролизные
установки использовались для получения тяжелой воды в качестве побочного
продукта. В последующем были разработаны более эффективные методы её
производства, однако побочное получение побочной воды на крупных электролизных
установках в ряде случаев целесообразно.
1. Общие сведения о
процессе электролиза воды
Как известно, при прохождении электрического тока через растворы электролитов на электродах происходит разряд ионов и протекают связанные с этим химические реакции. Протекания процесса электролиза определяется переносом электрического тока в жидкости и условиями разряда присутствующих в растворе ионов электролита.
Процесс электролиза воды с
получением водорода и кислорода описывается следующим суммарным уравнением:
Чистую воду нельзя непосредственно
подвергать электролизу, так как её электропроводность очень мала. Удельная
электропроводность водопроводной воды близка к 
* 
очень
чистой дистиллированной воды около 4*
. Поэтому при электролизе применяют водные растворы электролитов -
кислот, щелочей, солей.
Изменяя состав, концентрацию и температуру электролита и подбирая условия, определяющие величину перенапряжения, можно изменять протекания электродных процессов в желательном направлении.
В промышленных процессах электролиза
воды в настоящее время применяются только щелочные электролиты - едкое кали и
едкий нарт. Если в качестве электролитов используются технический щелочи, в их
растворах присутствуют примеси ионов 
и т.д. Возможно также присутствие в электролите небольших
количеств железа и других загрязнений.
При длительной эксплуатации
установок электролиза воды в растворе электролита накапливаются посторонние
ионы, вносимые с примесями, содержащиеся в питательной воде. Если какая-либо
примесь, например ионы 
,
постоянно поступает в раствор электролита, то при достаточной продолжительности
процесса электролиза достигается предельная концентрация этой примеси, которая
определяется из равенства её прихода и расхода в электролизере за единицу
времени.
При питании электролизера дистиллированной водой содержание простых ионов в электролите обычно очень невелико и в сумме не превышает 1 - 5 г/л, исключая карбонаты, содержание которых в 1 л раствора электролита может достигать десятков граммов. В электролизерах с открытым зеркалом электролита, соприкасающимися с воздухом, концентрация карбонатов может быть ещё больше. Для электролизеров некоторых конструкций электролит приготавливают в герметичных баках с азотной подушкой, что предотвращает загрязнение его карбонатами.
При электролизе воды на катоде
выделяется водород, аноде - кислород. В зависимости от условий ведения
катодного процесса возможны два механизма его протекания. В кислых растворах с
высоким содержанием ионов водорода его выделение происходит за счет разряда
ионов 
с образованием атомарного водорода, который адсорбируется на
поверхности катода, что может быть описано выражением:
Поскольку ион водорода в растворе
гидратирован, стадию его разряда можно представить в виде:
Следующая стадия катодного процесса
- рекомбинация атомарного водорода в молекулярный протекающая по
каталитическому механизму.
2 (Н - Ме)
В определенных условиях обе стадии
катодного процесса - разряд ионов и выделение молекулярного водорода - могут протекать одновременно.
Выделение на аноде кислорода при
электролизе воды происходит в результате разряда гидроксильных ионов или
молекул воды. Присутствующие в электролите небольшие количества 
и других ионов, а также ионы 
при достаточно высокой концентрации щелочи в растворе (200 - 300
г./л и более) не могут разряжаться, так как для этого в данных условиях
необходим более высокий потенциал, чем для разряда ионов 
или молекул воды. В щелочных растворах при умеренных плотностях
тока подвод ионов гидроксила к аноду не является лимитирующим процессом и они
разряжаются на аноде по реакции:
В кислых растворах при любых
плотностях тока и в щелочных растворах при высоких плотностях тока подвод ионов
является лимитирующей стадией и для разряда их предложен второй
механизм:
При электролизе в переносе тока
принимают участие все находящиеся в электролите ионы. Доля их участия определяется
относительной концентрацией и подвижностью ионов. В щелочных электролитах
вследствие очень низкой концентрации ионов водорода перенос тока осуществляется
почти исключительно ионами 
.
На катоде разряжаются практически
только молекулы воды, на аноде - ионы . При этом на каждую молекулу выделявшегося на катоде водорода
распадается две молекулы воды с образованием двух молекул . Ионы 
и 
, участвующие в переносе тока к катоду, так же как , 
и
другие анионы, участвующие в переносе тока к аноду, на электродах не разряжаются.
В связи с тем, что в процессе
электролиза воды на обоих электродах выделяются газы, прилегающий к электроду
слой электролита интенсивно перемешивается. Поэтому на поверхности анода
маловероятно образование локальных зон с сильно пониженной концентрацией КОН и
соответственно с повышенной концентрацией ионов 
и др. Однако в глубине узких щелей между электродом и
прилегающими к нему деталями или под шламом у поверхности электрода возможно
значительное изменение концентрации ионов по ранее рассмотренным причинам.
Такие концентрационные изменения, по-видимому, вызывают местную интенсивную
электрохимическую коррозию некоторых деталей электролизеров.
Как и в других электрохимических процессах, затраты электрической энергии при электролизе воды велики и часто определяют экономику этого процесса. Поэтому вопросам расхода энергии на электролиз и снижению величины напряжения на электролитической ячейки всегда уделяется большое внимание.
. Электрохимические ячейки
Электрохимическая ячейка обычно состоит из двух полуэлементов, каждый из которых представляет собой электрод, погруженный в свой электролит. Электроды изготавливают из электропроводящего материала (металла или углерода), реже из полупроводника. Носителями заряда в электродах являются электроны, а в электролите - ионы. Являющийся электролитом водный раствор поваренной соли (хлорида натрия NaCl) содержит заряженные частицы: катионы натрия Na+ и анионы хлора Cl- Если поместить такой раствор в электрическое поле, то ионы Na+ будут двигаться к отрицательному полюсу, ионы Cl- - к положительному. Расплавы солей, например NaCl, тоже электролиты. Электролитами могут быть и твердые вещества, например b-глинозем (полиалюминат натрия), содержащий подвижные ионы натрия, или ионообменные полимеры.
Полуэлементы разделяются перегородкой, которая не мешает движению ионов, но предотвращает перемешивание электролитов. Роль такой перегородки может выполнять солевой мостик, трубка с водным раствором, закрытая с обоих концов стекловатой, ионообменная мембрана, пластина из пористого стекла. Оба электрода электролитической ячейки могут быть погружены в один электролит.
Электрохимические ячейки бывают двух типов: гальванические элементы и электролитические ячейки (электролизеры).
В электролитической ячейке протекают
те же реакции, что и в промышленных электролизерах для получения хлора и
щелочи: превращение рассола (концентрированного водного раствора хлорида
натрия) в хлор и гидроксид натрия NaOH:
+
электролиз окисление ион
Хлорид-ионы на графитовом электроде
окисляются до газообразного хлора, а вода на железном электроде
восстанавливается до водорода и гидроксид-иона. Электролиты остаются
электронейтральными благодаря перемещению ионов натрия через перегородку -
ионообменную мембрану. Электрод, на котором осуществляется окисление,
называется анодом, а электрод, на котором происходит восстановление, - катодом.
Список литературы
1. О.Д. Хвольсон, Курс физики, РСФСР, Госиздат, Берлин, 1923, т. 4.
. А.И. Левин, Теоретические основы электрохимии, Гос. Научно-техн. Издат., Москва, 1963.
. А.П. Соколов, ЖРФХО, т. 28, с. 129, 1896.
. Л.М. Якименко и др., Электролиз воды, изд. «химия», Москва, 1970.