3. Электролиз воды.

Электролиз воды является самым простым способом производства водорода и кислорода. Однако вследствие значительной энергоёмкости процесса электролиз воды для получения больших количеств этих газов почти не применяется.

Этот способ используется при необходимости получения водорода и кислорода высокой чистоты, а также для получения тяжёлой воды.

Теоретические основы процесса электролиза воды.

Фоновые электролиты.

Вода – слабый электролит, имеет низкую степень диссоциации. Ионное произведение воды при температуре 25ºС составляет 10^–14. Чистая перегнанная вода имеет ничтожную электропроводность при 18ºС (4,0·10^-8 ом^-1 ·см^-1), поэтому при электролизе воды используют фоновые электролиты. Обычно это растворы щелочей или кислот, обладающие гораздо большей электропроводностью, чем вода.

Электрохимические процессы на электродах.

Вода диссоциирует по уравнению:

Н₂О ↔ Н⁺ + ОН^–

На катоде выделяется водород в результате процессов:

а) в кислой среде

2Н⁺ + 2ē = Н₂ φ ⁰ = 0,00(В)

φ = φ ⁰ – 0,059рН (В)

б) в щелочной среде и в нейтральной

2Н₂О + 2ē = Н₂ + 2ОН ^– φ ⁰ = – 0,81 (В)

φ = φ ⁰ – 0,059рН (В)

На аноде выделяется кислород в результате процессов:

а) в кислой и нейтральной среде:

2Н₂О – 4ē = О₂ + 4Н⁺ φ ⁰ = + 0,1,23(В)

φ = φ ⁰ – 0,059рН (В)

б) в щелочной среде

2ОН^_ – 2ē = 0,5О₂ + Н₂О φ ⁰ = +0,40(В)

φ = φ ⁰ – 0,59рН (В)

Суммарное уравнение электролиза:

Н₂О = 0,5О₂ + Н₂ или 2Н₂О = О₂ + 2Н₂

Теоретическое напряжение разложения воды в стандартных условиях составляет 1,23В:

Uт = φ^а – φ^к = 1,23 – 0,00 =1,23(В)

Из уравнения электролиза воды следует:

V_H2 : V_O2 = 2:1

m_H2 : m_O2 = 1:8

При электролизе 1 моль H₂O образуется при нормальных условиях (н.у.):

V_H2 = 0,5Vм = 11,2 дм³; V_O2 = 0,25Vм = 5,6 дм³

m_H2 = 0,5M_H2 = 1 г; m_O2 = 0,25M_O2 = 8 г

Определим количество электричества, необходимое для получения 1м³ Н₂ (или 0,5м³ О₂).

Из уравнения, выражающего закон Фарадея, следует:

Напряжение разложения.

При стандартных условиях напряжение разложения воды равно 1,23 В (см. выше). Теоретическое напряжение разложения воды при 18ºС равно 1,28 В. С повышением температуры оно уменьшается и при 80ºС составляет 1,18 В.

Фактическое напряжение разложения больше теоретического в (1,5 – 2,0) раза и составляет (1,9 – 2,5) В.

Расход электроэнергии можно уменьшить, уменьшая величину перенапряжения на электродах. А перенапряжение, как известно, можно уменьшить следующим образом:

– понизить плотность тока;

– повысить температуру электролита;

– обработать соответствующим образом электроды.

Температуру процесса электролиза практически поддерживают в пределах (70 – 80)ºС. При более высокой температуре с уходящими газами уносится большое количество электролита, кроме того, увеличивается коррозия аппаратуры.

Фоновые электролиты.

В качестве фонового электролита применяют обычно 16 –18 %-е растворы гидроксида натрия или 30%-й раствор гидроксида калия, так как щелочные растворы менее агрессивны, чем кислые растворы

Уменьшение внутреннего сопротивления электролита достигается ещё одним приёмом – уменьшением расстояния между электродами (в современных электролизёрах – до 5мм).