Ацетат калия электролиз раствора x1 t кат этилен вода


Электролиз солей карбоновых кислот | CHEMEGE.RU

Электролиз по Кольбе – это электролиз растворов солей карбоновых кислот. В ходе реакции образуются соответствующие алканы.

Например, рассмотрим электролиз водного раствора ацетата натрия CH3COONa. В водном растворе ацетат натрия практически полностью диссоциирует:

CH3COONa → CH3COO + Na+

При этом на катод притягиваются катионы натрия Na+ и молекулы воды H2O. Восстанавливаться на катоде будут молекулы воды, т.к. окислительные свойства ионов водорода превышают окислительные свойства катионов щелочных металлов:

K(-):     2H2O + 2e = H2 + 2OH

На аноде окисляются ацетат-ионы, а именно, атом углерода карбоксильной группы. При этом от карбоксильной группы остаются метильные радикалы, которые образуют газообразный этан.

A(+):    2CH3COO– — 2e = 2CO2 + CH3–CH3

Суммарное уравнение электролиза водного раствора ацетата натрия:

2CH3COONa + 2H2O → H2 + 2NaOH + 2CO2 + CH3–CH3

В общем виде получается:

2R–COONa + 2H2O → H2 + 2NaOH + 2CO2 + R–R

То есть при электролизе раствора пропионата калия образуется бутан:

2CH3CH2–COONa + 2H2O → H2 + 2NaOH + 2CO2 + CH3CH2–CH2CH3

 

Щелочной электролиз с использованием скелетных никелевых катализаторов

1. Введение

1.1. Водород как топливо: свойства и источники

Водород признан потенциальным вектором энергии для энергетики будущего. Его высокая удельная масса энергии (108 738 Дж / г, в три раза больше энергии, чем у 1 грамма бензина), возможность получения водорода из многих источников, высокая эффективность, с которой его энергия извлекается в топливных элементах и ​​преобразуется в электричество, и тот факт, что его использование не приводит к вредным выбросам, делает водород наиболее привлекательным топливом для новых энергетических сценариев.Эти сценарии включают технологии с высокой эффективностью преобразования энергии, нулевые выбросы и использование экологически безопасных видов топлива.

Для производства водорода требуется водородсодержащее соединение и энергия для его извлечения. В целом процессы, используемые для его производства, можно разделить на три: термические, биологические и электрохимические. В термических процессах, наиболее коммерчески разработанных, водородсодержащее соединение, такое как природный газ (то есть метан), каталитически превращается в присутствии водяного пара, который обеспечивает тепловую энергию, процесс, известный как паровой риформинг метана (MSR).Результатом такой реакции является обогащенная водородом смесь газов, которая позже проходит стадию обогащения (реакция конверсии воды) и стадии очистки (обычно адсорбция при переменном давлении или PSA). Для снижения цены на водород разрабатываются новые, менее востребованные с точки зрения термического воздействия процессы. Этот тип процесса также можно использовать с различными водородсодержащими соединениями, но чем длиннее их молекулы, тем труднее извлекать водород. В целом MSR и другие подобные пути сильно зависят от цен на сырье, т.е.е. цены на природный газ, и это не 100% чистые методы из-за CO 2 , образующегося при производстве водорода. Некоторые подходы к этому рассматривают связывание углерода в сочетании с чистым производством электроэнергии, чтобы получить выгоду от водорода. Другие термические процессы включают химические циклы, в которых «товарный» продукт (промежуточное химическое соединение) генерируется для хранения первичной энергии, чтобы впоследствии использовать ее для производства водорода. Такие процессы изучаются, но пока не достигли конкурентоспособной стоимости по сравнению с коммерческим водородом.

В биологических процессах деятельность некоторых живых существ является частью или полностью отвечает за производство водорода. Некоторые бактерии и другие микроорганизмы, например водоросли способны вырабатывать водород во время метаболизма в биологическом цикле. Были идентифицированы сотни потенциальных живых систем, способных генерировать водород. Тем не менее, большинство из них все еще изучаются, поскольку их производство низкое и дорогое. В электрохимических процессах производства водорода фотолиз является привлекательным способом, поскольку солнечная энергия может быть дешевым источником энергии.Такие системы все еще находятся в разработке и могут появиться на годы вперед. Другой альтернативой паровой конверсии метана, имеющей коммерческий статус, является электролиз воды, из которого выделяются два пути: кислотный электролиз и щелочной электролиз. В первом случае твердый кислотный электролит дает преимущества, поскольку могут быть построены компактные и менее сложные системы. Несмотря на то, что стоимость кислотного электролиза снижается, зрелость щелочного электролиза вместе с его обычно более низкими затратами может быть преимуществом, поскольку щелочной электролиз обычно использует меньше благородных металлов в качестве электрокатализатора, и в целом кинетика обычно лучше.

После того, как водород будет произведен, его конечное использование определит, нужно ли кондиционировать газ. В низкотемпературных топливных элементах водород нуждается в высокой степени чистоты, что дает электролитическому водороду преимущество перед водородом из MSR, который требует стадии очистки. Электролитический водород из щелочного процесса должен очищать любые следы КОН для достижения требуемой чистоты. С другой стороны, MSR не потребуется стадия очистки, если произведенный водород будет поступать в высокотемпературный топливный элемент, так как его продукт можно напрямую использовать для производства электроэнергии без особого кондиционирования.Если водород должен храниться либо в виде сжатого газа, либо в современных системах с гидридом металлов, водород необходимо сушить.

Как упоминалось выше, для производства водорода необходимы первичный источник энергии и некоторый тип сырья, из которого будет извлекаться водород. Комбинация доступных первичных источников энергии и доступного сырья дает производство водорода почти бесконечным числом альтернативных маршрутов. Тем не менее, электролиз воды в сочетании с возобновляемыми первичными энергоресурсами является очень привлекательным сценарием, поскольку сочетание возобновляемых источников энергии и воды может представлять собой реальную экологически безопасную альтернативу, готовую к использованию, особенно с учетом того, что технологии топливных элементов завоевали доверие как средство эффективного вырабатывать электроэнергию из водородного топлива.

В качестве энергоносителя водород пригоден для построения систем распределенной генерации (ДГ) для дальнейшего повышения эффективности, теряемой на традиционно централизованных электростанциях для стационарных приложений, таких как коммерческое или бытовое использование электроэнергии. Многие рассматривают водород как вектор энергии, аналогичный электричеству, которое можно производить в одном месте и потреблять в другом. Он также может быть произведен по запросу, когда выполнены экономические условия. Например, в транспортных приложениях могут быть водородные станции, где нет необходимости хранить водород в больших количествах и не нужно его транспортировать, если он производится и отправляется на месте.

В целом водород - очень привлекательный путь для устойчивого развития общества, но технологические и экономические проблемы все еще остаются. Одна из этих проблем включает производство водорода по конкурентоспособной цене, и эти затраты напрямую связаны с источником первичной энергии для его производства (до 75% для щелочного электролиза, согласно IEAHIA - [1]. С быстрорастущим рынком возобновляемых источников энергии) энергетические технологии, такие как фотоэлектрические системы и ветряные турбины, электролиз, похоже, имеют большие возможности в качестве метода производства водорода.Если этот маршрут достигнет целевого показателя затрат на производство водорода из возобновляемых источников в размере 2,75 доллара США за 1 г (галлоновый эквивалент бензина), поставленного на 2015 год, установленного водородными программами, такими как HFCIT Министерства энергетики США [2], без сомнения, мы увидим рост продуктов электролиза в ближайшее будущее.

1.2. Хранение водорода

Несмотря на то, что водород обладает высокой плотностью энергии, превосходящей плотность обычного топлива, водород представляет собой газ, который трудно сжимать, поскольку его сжатие также требует высокой энергии для хранения его для использования.В настоящее время резервуары для хранения газообразного водорода можно купить на рынке на 350 и 700 бар. В своем последнем Плане программы водородных и топливных элементов [2] министерство энергетики США сообщило о новой концепции резервуара с «крио-сжатым», в котором гравиметрическая емкость системы составляет 5,4% по весу, а объемная емкость системы составляет приблизительно 31 г / л. . Тем не менее, необходимо учитывать энергию, связанную со сжатием и сжижением, для технологий сжатого и жидкого водорода. Другие системы, основанные на материалах, поглощающих водород, и водородных соединениях для хранения водорода изучаются, но их удельная энергия (как вес, так и объем) все еще должна достигать конкурентоспособных значений, чтобы их можно было рассматривать как жизнеспособные пути, особенно для мобильных приложений.Энергия, необходимая для извлечения водорода из некоторых систем хранения (например, твердотельных материалов), а также их жизненный цикл (гидриды металлов) также должны быть конкурентоспособными по стоимости. Конечно, хранение водорода по-прежнему является проблемой для многих водородных приложений, которые еще предстоит решить.

2. Щелочной электролиз

Щелочной электролиз считается зрелой технологией, имеющей многие десятилетия коммерчески доступных продуктов для производства газообразного водорода. Эта отрасль существенно выросла в 1920-е и 1930-е годы.Щелочной электролиз можно описать как использование электрического тока, проходящего через электролизер, вызывающего разложение воды с образованием газообразного водорода на катоде ячейки. В электролизной ячейке два электрода, содержащие электрокатализатор, разделенные физическим барьером, полимерной диафрагмой, которая позволяет только прохождение ионов от одного электрода к другому, подключены к источнику постоянного тока. Источник тока. Каждая ячейка будет иметь высокую удельную активную площадь из-за своей пористой структуры и будет вырабатывать водород на катоде, а кислород - на аноде.Электроды контактируют с электролитом, который обеспечивает ионы OH - из 20-30% раствора гидроксида калия, замыкающего электрическую цепь. Теоретически на 1 кг водорода потребуется чуть меньше 40 кВт · ч электроэнергии. Хотя теоретическое напряжение разложения воды составляет 1,23 В (что соответствует теоретической энергии диссоциации 286 кДж / моль или 15,9 МДж / кг при 25 ° C), на практике это напряжение обычно составляет около 2 В на элемент, в то время как общий приложенный ток зависит от на активной площади элемента и на конфигурации электролизера (биполярный или униполярный).В первом случае плотности тока (А / см2) выше, чем в униполярных конфигурациях. У биполярных систем есть определенные преимущества, поскольку они могут работать в условиях повышенного давления, уменьшая или облегчая стадию сжатия. Другие положительные характеристики биполярных электролизеров - более высокая плотность тока и, как правило, меньшая площадь основания. По мере приближения электродов падение напряжения на омических сопротивлениях сводится к минимуму, что снижает затраты на электроэнергию.

Как упоминалось ранее, существуют другие электролизеры, в которых используется твердый кислотный электролит на основе ионно-проводящего электролита.Они не будут рассматриваться в этом документе / разделе.

Электродные и общие реакции в щелочном электролизере следующие:

Катод: 2h3O + 2e- → h3 + 2OH-E1

Анод: 2OH- → ½O2 + h3O + 2e-E2

Общая реакция: 2h3O2 → h3 + ½

Рабочая температура обычно составляет около 80-90 ° C с образованием чистого водорода (> 99,8%). Также используются более высокие температуры, поскольку электролиз водяного пара снижает затраты на электроэнергию. Давление - еще одно характерное рабочее состояние, которое начинается с 0.От 1 до примерно 3 МПа. Как и в случае с температурой, более высокие давления помогают снизить затраты на энергию, в частности, поскольку при этом генерируется водород под высоким давлением, снижая энергию сжатия, когда водород будет храниться или отправляться в виде сжатого газа. Были предложены некоторые подходы к серо-давлению, при которых генерируется водород низкого давления (около 40 бар –– [3]) без какого-либо механического компрессора. Подход к электролизерам под давлением иногда включает первую стадию, на которой водород генерируется при давлении около 200-500 фунтов на квадратный дюйм (13.8-34,5 бар), после чего следует вторая ступень механического сжатия для повышения его до 5000 фунтов на квадратный дюйм (3447 бар). Коммерческие предприятия часто используют сталь с никелевым покрытием в своих электродах, но с некоторыми продуктами также используются другие патентованные материалы. Эффективность щелочного электролиза составляет около 70% LHV (более низкая теплотворная способность), где стоимость водорода связана с затратами на электроэнергию, что является одной из основных технологических проблем наряду с оптовым производством, которое также необходимо улучшить, чтобы достичь целей по затратам на технологии для обеспечения конкурентоспособности. .Приблизительно чуть меньше 1 литра деминерализованной воды необходимо для производства 1 нм 3 водорода. После получения водород проходит ряд стадий кондиционирования, как показано на рисунке ниже (из [4]):

Основная цель - устранить следы КОН, воды и кислорода. На показанной схеме системы трансформатор / выпрямитель играет важную роль в преобразовании переменного тока в постоянный, который на самом деле является типом тока, участвующего в электрохимическом процессе электролиза.Как упоминалось ранее, фактическая стоимость водорода будет зависеть от источника электроэнергии. Поэтому возобновляемые источники энергии, особенно электричество постоянного тока, могут в значительной степени способствовать более конкурентоспособной стоимости водорода. Сообщается также, что электролиз лучше реагирует на условия следования за нагрузкой по сравнению с другими методами производства водорода (например, MSR), что делает водород, связанный с возобновляемыми источниками энергии, более подходящей интегрированной энергетической системой.

Рисунок 1.

Принципиальная схема щелочного электролизера [4]

2.1. Компоненты щелочного электролиза:

2.1.1. Электроды

Никель является одним из материалов, наиболее часто используемых в водородной промышленности для щелочного электролиза. Это связано с его превосходными каталитическими свойствами и его коррозионной стойкостью при высоких значениях pH электролита KOH, в частности, при высоком анодном потенциале реакции окисления. Часто Pt отдельно или вместе с Ni используется в коммерческих продуктах, улучшающих кинетические характеристики электродов, но это увеличивает общие затраты на установку.Электроды производятся так, чтобы иметь большую электроактивную площадь, поэтому пористые электроды обычно делают для создания токов большой плотности и более высоких скоростей производства водорода. Одним из типов используемых никелевых электродов является Ni-Raney или скелетный Ni, материал, разработанный почти 100 лет назад в качестве катализатора гидрирования масел. Скелетный Ni получают из сплава Ni-Al в определенной концентрации в зависимости от желаемых свойств. Затем этот сплав выщелачивают в щелочном растворе для растворения фазы, содержащей алюминий, оставляя после себя пористую структуру.В процессе выщелачивания образуется водород, который, как утверждается, остается в пористой части, что делает полученный материал пирофорным и трудным в обращении. Также оставшийся алюминий может действовать как ловушка для водорода, поскольку этот металл, как известно, адсорбирует молекулы водорода, которые диссоциируют с образованием атомов водорода внутри металла [6]. Считается, что этот водород служит водородной «подготовленной» поверхностью для дальнейшего процесса выделения водорода на катоде независимо от механизма реакции [5].На следующих рисунках показана микроструктура сплава Ni-Al и его типичные фазы, образовавшиеся после легирования (а) и после процесса выщелачивания (б и в).

Рис. 2.

СЭМ микрофотографии (500X), показывающие микроструктуру никелевых электродов Ренея и эффект времени выщелачивания в щелочном растворе [5].

Поскольку никель окисляется в щелочном растворе с образованием оксидов и гидроксидов металла, также считается, что большая часть каталитических свойств в никелевых электродах обусловлена ​​этими фазами.Например, Суббараман и др. [7] объединили оксид никеля и платину, чтобы получить более эффективный катализатор, чем любой компонент по отдельности. Авторы предлагают механизм, в котором никель помогает расщеплять связь O-H, в то время как платина направляет разделенные промежуточные соединения H с образованием H 2 . В разделе 3 приводится обзор литературы по различным электродным системам, исследованным в последние несколько лет с целью создания более эффективных и экономически привлекательных электродов.

2.1.2. Электролит

Как упоминалось ранее, растворы КОН используются в щелочном электролизе.Этот электролит содержится в замкнутом контуре, чтобы избежать контакта с CO 2 из атмосферы, который может создать неблагоприятную техническую проблему из-за осаждения образующихся карбонатов. Концентрация КОН очень важна, поскольку она определяет ионную проводимость, которая должна оставаться высокой, чтобы избежать использования более высоких напряжений из-за омических потерь. Эти потери могут увеличить потребление энергии и, следовательно, стоимость водорода.

2.1.3. Диафрагма

При щелочном электролизе диафрагма - это сепаратор, который должен сохранять хорошую ионную проводимость, эффективно отделяя водород и кислород, образующиеся на катодной и анодной сторонах соответственно.Обычно он состоит из пористого материала матрицы, который должен химически выдерживать (и содержать) коррозионную среду (~ 25% растворов КОН) при относительно агрессивных температурах (~ 85 ° C). Он также должен быть механически прочным, чтобы выдерживать изменения размеров (сжатие) из-за напряжений, связанных с конструкцией конструкции, и из-за изменений температуры. Хотя асбест используется в течение многих десятилетий, основные разработчики предпочитают альтернативные полимерные матрицы из-за потенциального риска для здоровья от воздействия асбеста.Наряду с экономией при выборе материалов, эффективная работа должна быть обеспечена материалами с низкой газопроницаемостью, низким ионным сопротивлением (но высоким электронным сопротивлением). Эффективная толщина, то есть произведение числа МакМуллина на толщину материала матрицы, обычно определяется при выборе диафрагмы, поскольку она лучше отражает ее эффективность. Число МакМуллина, определяемое как отношение удельного сопротивления материала матрицы, насыщенного электролитом, к сопротивлению того же объема электролита, может быть получено с помощью измерений спектроскопии электрохимического импеданса (EIS).

С технической точки зрения, в недавних международных проектах были проблемы с коррозией из-за использования щелочных растворов, что привело к простоям оборудования. Тем не менее, это может быть скорее вопрос надлежащей инженерной практики (например, выбор материалов), чем технологическая проблема.

3. Никель Ренея и его сплавы в качестве каталитического материала

Во время щелочного электролиза в ходе реакции выделения водорода (HER) могут происходить три важные реакции.В зависимости от механизма, HER в щелочной среде обычно рассматривается как комбинация двух стадий: стадия Фольмера - диссоциация воды (реакция 4) с последующим образованием реакционноспособного интермедиата H и , стадия Гейровского (путь в реакции 5) или стадия тафелевской рекомбинации (путь в реакции 6).

h3O + M + e – ⇄M-Had + OH – E4

M + h3O + e-↔ MHads + OH-MHads + h3O + e-↔ h3 + M + OH-} E5

M + h3O + e-↔ MHads + OH- MHads + MHads ↔h3 + 2M} E6

Никелевые электроды Ренея имеют в качестве основной характеристики большую площадь поверхности, но по мере изготовления их каталитические свойства улучшаются, что способствует реакции выделения водорода в щелочной среде.Многие элементы и соединения были исследованы для дальнейшего улучшения этой функции. Например, составные материалы на основе NiCo 2 O 4 были использованы для изготовления электролитических электродов путем электроосаждения [12]. Этот материал сравнивали с никелевыми электродами, обнаружив, что плотность тока обмена ( i o ) в семь раз больше, что дает хорошую химическую стабильность в щелочных растворах. С другой стороны, исследования сплавов Ni-Co [13], также полученных электроосаждением, показали, что перенапряжение для реакции выделения водорода меньше, когда в материале содержится кобальт от 41% до 65% по весу.Дополнительная работа [14], в которой Ni был легирован 47,7% масс. Со, показала хорошую электрокаталитическую активность, а электрохимические исследования показали, что реакция Фольмера является контролирующим этапом реакции выделения водорода, способствуя образованию частиц Ni-H и . Коэффициент шероховатости структур Ni-Co / Zn [15], полученных электроосаждением с последующим щелочным выщелачиванием KOH 1M, оценивали с помощью электрохимического импеданса. Было замечено, что при высоких плотностях тока эффективная площадь и активные центры, способствующие реакции выделения водорода, уменьшаются.В этой работе был сделан еще один вывод: чем меньше содержание Co на внешней поверхности, тем меньше каталитическая активность.

В другой работе с использованием бронзовых подложек Ni и Ni-Zn были электроосаждены [16] для получения конфигураций бронза / Ni, бронза / NiZn и бронза / Ni / NiZn. Электроды из NiZn выщелачивали в щелочной среде с целью получения пористой структуры электрода. Их главный вывод заключался в том, что материал бронза / Ni / NiZn показал лучшую коррозионную стойкость.

Нанокристаллы электроосажденного CoNiFe [17] были использованы для изучения реакции выделения водорода с помощью электрохимического импеданса, обнаружив, что механизм реакции контролируется через пути Фольмера, а затем через пути Тафеля, где предпочтение отдается стадиям Хейроски.Электрокаталитическая активность этих нанокристаллов зависела от рабочей температуры.

Электроды на основе электроосажденного NiCoZn [18] показали лучшую стабильность при исследованиях. Эти электроды были синтезированы электроосаждением Ni, Co, Zn на подложку из Cu с последующей стадией выщелачивания в NaOH, что дало компактную пористую структуру. С помощью исследований электрохимического импеданса и сопротивления линейной поляризации авторы предполагают формирование пассивного слоя на поверхности электродов, обеспечивающего лучшую коррозионную стойкость, но снижающего каталитическую активность реакции выделения водорода.Добавление небольших количеств благородных металлов, таких как Ag, Pd и Pt, к слоям NiCoZn после процесса выщелачивания позволяет повысить каталитическую активность. Эти исследования показали, что электроды NiCoZn-Pt обладают лучшей каталитической активностью. Использование благородных металлов ограничивает широкое использование этих соединений, поскольку некоторые из компонентов не являются многочисленными в природе, а процессы их экстракции и очистки дороги для производства водорода.

По этой причине для изготовления электродов методом электроосаждения используются такие металлы, как Fe, для образования Ni-Fe [19].Для этих электродов содержание Fe в сплаве определяет каталитическую активность, в то время как реакция выделения водорода контролируется методом Фольмера. В электроды NiFe [20] добавлялись углеродные нагрузки, чтобы контролировать размер зерна и, соответственно, плотность тока для выделения водорода в щелочной среде. Содержание углерода 1,59% по весу дает размер зерна 3,4 нм и наименьшее перенапряжение для HER при плотности тока поляризации 0,12 А / см2. При послойной подготовке электродов Ni-Fe-C на Cu [21] был измерен тафелевский наклон 116 мВ дек -1 .

Углеродные подложки были покрыты никелем [22] методами химического восстановления и электроосаждения, что показало, что последний более каталитически активен в отношении выделения водорода в щелочных средах.

При смешивании порошков редкоземельных металлов церия или лантана с никелем электроды получали путем образования твердого раствора [23]. Синтез осуществлялся при 500 ° C с образованием CeO 2 и NiO, в то время как частицы La, LaNiO 3 преобразовывались в La 4 Ni 3 O 10 , что позволяло увеличивать размер частиц.Также образование интерметаллида LaNiO 3 благоприятствует плотности тока для реакции выделения водорода. Сплавы Ni-Mo [24] также являются материалами, которые были исследованы с целью повышения химической стабильности электродов на основе Ni. Исследования этих материалов показали образование интерметаллических соединений Ni 4 Mo, обладающих достаточной стабильностью для реакции выделения водорода.

Электроды из сплавов Ni-Ti [25], полученные термическим напылением дуги, показали каталитическую активность, которая улучшается с увеличением содержания Ti.Ранее Ni-Ti добавлялся с алюминием для процесса выщелачивания, что позволило улучшить активацию. Для этой системы было обнаружено, что с помощью электрохимических методов HER происходит по механизму Фольмера-Хейроски.

Покрытие из NiCu [26], полученное электроосаждением Cu-Ni, представляет собой компактную неоднородную структуру, которая придает материалу хорошую стабильность, т.е. коррозионную стойкость во время исследований электролиза. Эти электроды также обладают хорошей электропроводностью, что также дает преимущества в процессе электроокисления.

Анализ EIS подтверждает, что сплавы Ni-Bi [27] показывают, что сопротивление переносу заряда уменьшается, а значения емкости двойного слоя увеличиваются для бинарных покрытий. Было показано улучшение каталитической активности сплавов в диапазоне от 0,22% до 0,49% по массе состава Bi по сравнению с никелевыми электродами.

Образование аморфных сплавов способствует разработке материалов с большей удельной поверхностью по сравнению с никелевыми сплавами. Например, сплав на основе Ni-S-Mn показал улучшенные характеристики и лучшую стабильность в реакции выделения водорода [28].Это было достигнуто путем совместного осаждения Ni, S и Mn гальваностатическим методом. Было обнаружено, что каталитическая активность соединения Ni-S снижается из-за выщелачивания, вызванного присутствием серы. Недавно появились сообщения об аморфных сплавах никеля с использованием бора, ниобия и тантала [29] и других подобных сплавах на основе Ni-Mo-B. Из этой работы был сделан вывод, что сплавы Ni 66,5 Mo 28,5 B 5 и Ni 63 Mo 27 B 10 обладают лучшей каталитической активностью.Авторы также протестировали материалы на основе Nb, Ta и Si и сообщили о поглощении водорода.

В некоторых исследованиях [30] сообщалось о создании электродов с использованием ПТФЭ в качестве связующего для никеля Ренея, а также некоторых добавок для изучения свойств заряда / разряда во время старения и изменения полярности. В результате этих исследований было обнаружено, что никель Ренея с добавлением ПТФЭ увеличивает его электроактивную площадь в 102-103 раза по сравнению с геометрической площадью. При использовании Ti, Cr и Fe в качестве добавок стабильные электрохимические характеристики наблюдались при 60 ° C.

Изменение условий роста во время процесса электроосаждения показало влияние на каталитические свойства никелевых сплавов, в частности Ni-W, который выращивается в условиях супергравитации [31], имеет тенденцию к развитию более мелкого размера зерна, что увеличивает его электроактивность и значительно уменьшает микротрещины. , демонстрируя лучшую коррозионную стойкость.

4. Получение и определение характеристик никеля Ренея

Многие особенности никеля Ренея, которые способствуют использованию электродов для генерации водорода, проистекают из его исходных микроструктурных свойств.На рис. 3 диаграмма равновесия Ni-AI [32] показывает различные фазы, которые получаются, когда Ni и Al объединяются в разных пропорциях. Эта диаграмма характеризуется жидкой фазой, фазой с граневым кубическим центром (ГЦК) на концах с высоким содержанием алюминия и никеля, неконгруэнтно плавящимся соединением Al 3 Ni и тремя промежуточными фазами с переменным диапазоном растворимости, AI 3 Ni 2 , AlNi и AlNi 3 . Когда сплавы Ni – Al (Ni от 40–50 мас.%) плавятся при 1300 ° С, сплавы расположены в области β ( Ni 2 Al 3 фаза ) + жидкость. После плавления и закалки система может либо поддерживать состав фаз при высоких температурах (β), либо обогащать равновесные фазы по δ, в зависимости от скорости закалки, переходя в область более низких температур, а именно в область δ ( Ni 2 Al 3 фаза ) + жидкость ( NiAl 3 + δ ) , если скорость охлаждения не слишком высока.Таким образом, содержание фазы Ni 2 Al 3 выше, а фаза NiAl 3 становится менее распространенной. Сплавы Ni – Al (Ni / Al 50/50 по массе) находятся в равновесии в области фаз NiAl 3 + δ ( Ni 2 Al 3 фаза ) при охлаждении окружающей средой. охлаждение.

Рис. 3.

Фазовая диаграмма сплава Ni-Al

Как упоминалось ранее, никель Ренея был впервые разработан Мюрреем Рэни, который зарегистрировал свое изобретение в 1927 году (патент США №1628190). Основное применение материала в то время было для гидрирования масел, жиров и восков. В настоящее время этот материал все еще используется в этой отрасли; Позднее было предложено его использование в качестве катализатора щелочного электролиза. Для изготовления каркасного никеля используют этот металл и алюминий в виде порошка, гранул или твердого вещества. Никель Ренея представляет собой сплав Ni-Al с высокими каталитическими характеристиками, помимо того, что он является недорогим материалом, поскольку для его получения не требуются благородные металлы. Он представляет собой губчатую морфологическую структуру скелета.Его общее название происходит от этого. Размер его зерен достигает нанометрового диапазона.

Благодаря своей активности и селективности его можно использовать для стимулирования различных реакций. Используется при частичном гидрировании ацетиленовых соединений, восстановлении 1- (нитрометил) -циклогексана. В щелочном растворе восстанавливает –CO- до –CHOH- и ArCO- до ArCh4-. В скелетной форме никель может быть использован для гидрогенолиза соединений серы, десульфуризации тиофена, десульфуризации этилентиоацеталей. Он также катализирует восстановление карбонильных групп с двойными или тройными активированными звеньями.

В традиционной технологии, используемой для получения Ni Raney, этот металл и алюминий плавятся вместе в желаемой пропорции (обычно по 50% веса каждого) и охлаждаются при условиях окружающей среды. После этого следует процесс выщелачивания с использованием раствора соды для растворения большей части алюминия и оставляя после себя высокопористую структуру в оставшемся никеле, который действует как активные центры. Другие методы изготовления никелевых электродов Ренея включают совместное электроосаждение обоих металлов для создания желаемого сплава.Спекание полисиликатов никеля и алюминия - еще один метод получения никеля Ренея. В этом процессе несколько растений выращиваются на субстрате, а затем стимулируется процесс взаимной диффузии. Механическое легирование - еще одна технология, недавно использованная для изготовления каркасного никеля.

В процессе выщелачивания сплав погружают в раствор гидроксида натрия (NaOH), в результате чего образуется пористый материал с большой площадью поверхности. Обычно алюминий сплавлен с никелем, так как алюминий растворяется в щелочных растворах, но можно использовать и другие металлы.С алюминием используется доля 50% по весу, но при использовании других металлов могут потребоваться другие составы для достижения желаемых свойств. Процесс выщелачивания также зависит от времени: чем дольше процесс, тем больше алюминия растворяется и образуется более пористое вещество. Можно использовать меньшее время, чтобы позволить некоторому количеству алюминия остаться в конечных электродах, но будет меньше скелетных элементов, уменьшающих активную площадь поверхности.

2 (Ni-Al) s + 2OH- + 6h3O → 2Ni-Raney + 2Al (OH) 4 (aq) + 3h3 (g) E7

Во время выщелачивания также выделяется газообразный водород, учитывая, что это процесс активации, поскольку водород является легко адсорбируется в основном алюминием.Еще в 1947 году сообщалось [33], что алюминий поглощает очень большие количества водорода, и хотя электрохимические процессы происходят на уровне поверхности, сообщалось, что водород перемещается в металлических решетках, особенно в таких дефектах, как границы зерен, позволяя водороду достигать поверхностей. металла. Эти особенности позволили разработать системы металл-водород, такие как аккумуляторы NiMH, а также сплав Mischmetal, содержащий алюминий, используемый для хранения водорода [34], где высокие скорости десорбции водорода позволили разработать обе технологии на коммерческом уровне.Это облегчение доступности водорода можно рассматривать как каталитическую особенность, которая придает Ni Raney его высокую активность во многих реакциях с участием водорода. С другой стороны, поглощение водорода металлами, как известно, является быстрым процессом [35], при этом водород взаимодействует тремя основными способами: (i) путем диссоциативной хемосорбции на поверхности; (ii) физической адсорбцией в виде молекул при очень низких температурах; и (iii) растворением или окклюзией. Помимо этих взаимодействий было добавлено много промежуточных состояний с различными характеристиками, важными для катализа, но читателю рекомендуется обратиться непосредственно к специальной литературе.

После завершения процесса выщелачивания часто применяется процесс устранения пирофорных свойств сплава путем погружения сплава в воду, что способствует образованию оксидного слоя поверх стабилизирующего его материала. Не проводились исследования, чтобы установить влияние (неблагоприятное или нет) процесса стабилизации на каталитическую активность Ni Raney, поскольку он использовался только для облегчения обращения с ним. После изготовления, с электрокаталитической точки зрения, скелетный никель будет более активным и будет иметь большую площадь поверхности, чем чистый твердый никель.

Такие параметры, как температура, время реакции и т. Д. Влияют на результирующие свойства катализатора. Сложные реакции жидкость-твердое тело можно описать следующими стадиями: а) диффузия жидкого гидроксида вокруг твердых частиц; б) проникновение и диффузия раствора в структуру непрореагировавшего материала; в) взаимодействие раствора с алюминием с образованием алюмината и водорода; г) диффузия продуктов за пределы формирующейся структуры и д) диффузия продуктов в объем раствора [36].Аналогичную модель, модель усадочной сердцевины, можно использовать для определения кинетики процесса выщелачивания. Эта модель описывает необратимую десорбцию водорода с последующей диффузией в пористом твердом теле через поры. Когда скорость массопереноса растворенного вещества в неэкстрагированной внутренней части намного ниже, чем во внешней части, где была извлечена большая часть растворенного вещества, или концентрация растворенного вещества намного выше, чем растворимость растворенного вещества в фазе растворителя, между внешней и внутренней областью может существовать резкая граница.Сердцевина внутренней области сжимается по мере извлечения. Эти ситуации можно смоделировать с помощью модели сокращающегося ядра [36]. Модель подходит для описания процесса адсорбции, ионного обмена и реакций твердое тело-жидкость.

О влиянии температуры сообщалось, например, для обработки при 100 ° C и 50 ° C [37]. В этой работе скелетный никель показал размеры кристаллов от 1 до 20 нм. Кроме того, эти значения могут быть получены, если температура и раствор щелочи снизятся.

Присутствие добавок в процессе выщелачивания позволяет повысить активность за счет использования металлов или их оксидов.Назначение этих добавок - увеличить площадь поверхности получаемого материала. Когда образуется фаза CuAl 2 , добавление Zn для образования Cu (Zn) Al 2 (s) [38] улучшает процесс выщелачивания, позволяя увеличить площадь поверхности скелетной меди за счет растворения этих добавок.

В никеле Рене идентифицированные фазы представляют собой смесь NiAl 3 , Ni 2 Al 3 и эвтектических фаз Al-NiAl 3 . Такие фазы наблюдаются с Ni: Al 50% -50% и 31.5% -68,5% по массе [39]. NiAl 3 и эвтектические фазы очень реакционноспособны в растворе гидроксида натрия, так что алюминий растворяется, образуя каркасную конфигурацию никеля. Хотя фаза Ni 2 Al 3 реагирует медленнее, при повышении температуры выше 50 ° C она реагирует быстрее, разлагаясь при температуре кипения.

Недавно сообщалось [40], что при использовании никелевого порошка с Ni-14% Al в механической мельнице образуется интерметаллическое соединение NiAl 3 .Исследования микроструктуры с использованием синхротронной рентгеновской микротомографии [41] на никеле Ренея (50-50%), синтезированном с помощью процесса газового распыления, показали наличие зерен нескольких размеров. Авторы сообщают об улучшении его способности к гидрированию при синтезе с размером зерен от 106 до 150 микрон. Это было достигнуто добавлением металлов к интерметаллиду NiAl 3 . Другие исследования [42] с использованием B, Zr, Cr и Mo показали, что интерметаллическое соединение NiAl 3 (B, Zr) демонстрирует лучшую коррозионную стойкость в щелочной среде.

Методом напыления никель Ренея был приготовлен с использованием различных соотношений Ni: Al, от 65% до 75% веса Al, и было обнаружено, что при охлаждении металла во время напыления его шероховатость улучшается, что позволяет получить больше фазы NiAl. 3 лучшая электрокаталитическая производительность.

5. Заключительные замечания

Скелет или никель Ренея оказался очень интересной и экономически эффективной системой для катализа как химических, так и электрохимических реакций.При этом также признается, что несколько факторов, влияющих на его приготовление, влияют на характеристики конечного продукта, то есть тип металлов в сплаве, их пропорция (т.е. состав), используемые добавки, концентрация раствора, а также время и температура во время стадия выщелачивания. Возможно, его окончательное кондиционирование для устранения его пирофорности могло бы повлиять на его каталитические свойства, но в этом отношении мало исследовалось. Как и в случае с любыми электрокатализаторами, условия на поверхности имеют большое влияние на свойства продукта, например.грамм. кристалличность, кристаллические плоскости, дефекты (границы зерен, ступенчатые и изогнутые поверхности и т. д.), шероховатость / пористость, то есть площадь поверхности, микроструктура, такая как тип фаз (металлические, интерметаллические, другие соединения), размеры зерен / частиц и другие структурные особенности, такие как наличие кластеров и других агломератов. В этом отношении следует также упомянуть усилия по получению аморфных материалов для увеличения коррозионной стойкости и площади поверхности. Среди комбинированных материалов для улучшения свойств никеля предпринимались попытки испытать такие металлы, как Pt, Pd, Ti, Zr, Cr, Bi, La, Co, Zn, Ag, Cu, Fe, Mn, Nb, Mo и другие, например а также добавление C, S, B и т. д.

Коррозионная стойкость также является важным свойством новых электродных систем. Тем не менее, многие металлы пассивируются в щелочной среде, что может изменить их поверхностные свойства, в том числе каталитические свойства. Обе характеристики, коррозионная стойкость и каталитические характеристики, следует искать одновременно, и это должно включать оценку влияния присутствия оксидов и гидроксидов на поверхности электрода в щелочной среде.

Также были испытаны различные производственные процессы, такие как обычное легирование расплава, механическое легирование, напыление дуговым газом, электроосаждение, химическое нанесение покрытия, лазерное легирование алюминия электроосажденным никелем [43], взаимная диффузия более чем одного электроосажденного слоя и т. Д.

На стадии выщелачивания использовались добавки или легирующие компоненты, которые способствовали определенному воздействию на конечный продукт. Материалы, проверенные на лучшие результаты процесса выщелачивания, включают металлы, такие как Cu, Zn, а также оксиды. Конечно, другие параметры, такие как температура и время реакции во время выщелачивания, тестируются специально для новых систем, поскольку они могут измениться по сравнению с обычными сплавами Ni.

Хотя были сообщения об улучшающих катализаторах для HER, многие предлагаемые системы все еще включают платину, в то время как экономика все еще считается одной из основных проблем, которую необходимо преодолеть.По этой причине наиболее часто используемый состав в щелочном электролизе по-прежнему представляет собой 50/50 массовых процентов никеля с алюминием, но многие лабораторные результаты показывают новые системы с большим потенциалом, включая более высокие плотности тока обмена и коррозионную стойкость, для включения в экономичный коммерческий водород. производственные системы.

.

Электролиз растворов

ЭЛЕКТРОЛИЗ РЕШЕНИЙ

 

На этой странице рассматривается электролиз водных растворов соединений. Большинство людей довольно часто встречают это на курсах химии для 14-16-летних.

 

Основные идеи

Роль воды в электролизе водных растворов электролитов

Ситуация более сложная, когда вы электролизуете раствор, а не расплав, из-за присутствия воды.

Вода сама по себе является очень слабым электролитом, потому что она в очень незначительной степени расщепляется на ионы водорода и ионы гидроксида.


Примечание: Я, конечно, упрощаю это. Вы должны знать, что ион водорода не существует сам по себе в этих обстоятельствах - он фактически присоединяется к другой молекуле воды, давая ион гидроксония, H 3 O + . Это означает символ состояния (aq).


Это означает, что на каждый электрод может приходить более одного иона, и можно выбрать, какой из них будет разряжаться.

Например, если вы электролизовали раствор хлорида натрия, ионы натрия и ионы водорода (из воды) притягиваются к катоду, а ионы хлорида и ионы гидроксида (из воды) притягиваются к аноду.

 

Электрохимическая серия

В таблице ниже перечислены несколько металлов (и водород), показывающих их склонность к потере электронов. Чем более отрицательным является значение E ° (обычно читаемое как «E-ноль»), тем левее находится положение равновесия.

Это означает, что чем больше отрицательное значение E °, тем больше у одного из этих элементов склонности к потере электронов и образованию своих ионов.

Это также означает, что что-то вроде лития будет иметь небольшую тенденцию собирать электроны для образования атомов после ионизации.

Напротив, что-то с положительным значением E ° будет неохотно терять электроны для образования ионов, но будет довольно легко заставить один из его ионов улавливать электроны, чтобы снова стать нейтральным элементом.

Итак, золото не будет очень реактивным, потому что у него очень положительное значение E °. Нелегко удалить электроны, чтобы получить ионы золота, но ионы золота снова легко превратить в металлическое золото.

Электрохимический ряд можно рассматривать как расширенный и слегка модифицированный ряд реактивности.

Все, что вам действительно нужно знать об электролизе:

  • Чем выше в электрохимическом ряду находится что-то в правой части равновесия, тем легче оно теряет электроны.

  • Чем ниже в электрохимическом ряду находится что-то в левой части равновесия, тем легче оно будет улавливать электроны.


Примечание: Для целей электролиза вам не нужно понимать, откуда берутся эти числа или к чему именно относятся равновесия.

Если вы хотите узнать больше об электрохимических рядах, включая происхождение этих чисел, вы найдете их, перейдя по этой ссылке.Это вторая страница в серии страниц, посвященных окислительно-восстановительным потенциалам, и вам, вероятно, также потребуется прочитать первую страницу. Это не обязательно для просмотра остальной части текущей страницы.



Подведение итогов

Я хочу подвести итог этому, прежде чем подробно рассматривать конкретные примеры. Важно, чтобы вы запомнили шаблоны, приведенные в следующем фрагменте.

Что происходит на катоде?

Положительные ионы притягиваются к катоду, где они захватывают один или несколько электронов и разряжаются.

Либо металл осаждается, либо водород образуется из воды. Что вы получите, зависит от положения металла в электрохимическом ряду и, в некоторых случаях, от концентрации раствора.

  • Если металл ниже водорода в электрохимическом ряду (если он имеет положительное значение E °), то вы получите металл. К таким металлам относятся медь и серебро.

  • Если металл занимает высокое место в электрохимическом ряду (если он имеет довольно отрицательное значение E °), то вы получаете водород.К таким металлам относятся магний и натрий.

  • Металлы от, скажем, свинца до цинка в электрохимическом ряду более сложные. Что получится, зависит от концентрации раствора. Если раствор достаточно концентрированный, вы получите осаждение металла. Если раствор очень разбавлен на , вы получите водород. При промежуточных концентрациях вы можете получить и то, и другое.

Чем выше элемент в электрохимическом ряду, тем легче он теряет электроны и тем труднее забирает их обратно.Гораздо легче убедить медь взять обратно электроны, чтобы превратить ион в атом, чем, скажем, сделать то же самое с литием.

Что происходит на аноде?

Использование инертных электродов, таких как платиновый или угольный

Как правило, если у вас есть галоген, вы получите галоген. Со всеми другими распространенными анионами (отрицательными ионами) вы будете получать кислород из воды.

Но концентрация здесь играет роль.Например, если у вас есть концентрированный раствор хлорида натрия, на аноде будет в основном хлор. Чем больше и больше разбавленных растворов, тем меньше хлора и больше кислорода. Очень и очень разбавленные растворы будут давать в основном кислород.

Если анод не инертен

Сложность возникает, если анод не инертен, и мы рассмотрим пару примеров этого далее на странице.

 

Некоторые примеры

Электролиз раствора сульфата меди (II) угольными электродами

Медь находится ниже уровня водорода в электрохимическом ряду, поэтому, используя приведенное выше резюме, можно предсказать, что медь будет выделяться на катоде.

Продолжая использовать приведенное выше резюме, вы можете предсказать, что кислород будет выделяться на аноде, потому что в нем нет галогена.

Именно это и происходит.

На катоде

Ионы меди (II) и ионы водорода притягиваются к отрицательному катоду. Медь находится ниже водорода в электрохимическом ряду, поэтому именно медь принимает электроны от катода.

Катод покрывается медью.

На аноде

Ионы сульфата и ионы гидроксида притягиваются к положительному катоду, но очень трудно убедить ионы сульфата отдать электроны.

Теперь все усложняется, потому что есть два способа описания анодной реакции в подобных случаях. Самый простой способ - представить это в терминах гидроксид-ионов.

Предполагая, что гидроксид-ионы разряжены

Кислород выделяется.

Проблема в том, что в растворе сульфата меди (II) будет очень мало гидроксид-ионов. Вы можете обойти это, заметив, что реакция воды, в результате которой образуются ионы водорода и гидроксида, является равновесной. Когда вы разряжаете ионы гидроксида, равновесие смещается, чтобы заменить их.

Получение кислорода непосредственно из молекул воды

Общий эффект точно такой же, как если бы вы выпустили ионы гидроксида, и водное равновесие сместилось, чтобы заменить их.Сдвиг равновесия также будет производить ионы водорода. Они, конечно, будут отталкиваться от анода.

Так что же правильно?

Это почти наверняка зависит от pH раствора. В данном конкретном случае раствор сульфата меди (II) является умеренно кислым, что означает, что гидроксид-ионов даже меньше, чем в чистой воде, поэтому второе уравнение (вода), вероятно, будет более точным.


Примечание: Что вы делаете с этим для экзамена? Вам нужно выяснить, какую версию этих уравнений используют ваши экзаменаторы, и затем придерживаться ее - не беспокойтесь об изменении ее от примера к примеру.Вам необходимо проверить, какие из них они использовали в своих прошлых работах и ​​какая форма их предпочтительнее в их схемах оценок. Вполне вероятно, что они тоже согласятся, но вы должны быть уверены.


Подобные футляры

Любой раствор, содержащий сульфат-ионы (в том числе разбавленную серную кислоту), будет вести себя точно так же на инертном аноде - будет выделяться кислород.

Ионы нитрата также производят кислород. Вывести гидроксид-ионы из воды (или самой воды, если вы используете это уравнение) легче, чем из нитрат-иона.

 

Электролиз раствора хлорида натрия угольными электродами

Натрий значительно превосходит водород в электрохимическом ряду, поэтому, используя приведенное выше резюме, можно предсказать, что водород будет выделяться на катоде.

Продолжая использовать приведенное выше резюме, можно предположить, что хлор (галоген) будет выделяться на аноде.

Оказывается, этот случай немного сложнее, потому что результат на аноде зависит от концентрации раствора.

На катоде

Прибывают ионы натрия и ионы водорода (из воды), но натрий настолько высок в электрохимическом ряду, что его ионы не разряжаются там, где есть выбор.

Если вы электролизуете расплавленный хлорид натрия, то выбора нет - нужно разряжать ионы натрия. Но в решении у вас есть альтернатива. К сожалению, есть два разных взгляда на это, как и на проблему с анодом, описанную выше.

Предполагая, что ионы водорода разряжаются

Выделяется водород.

Вы можете преодолеть тот факт, что в растворе не очень много ионов водорода, если вспомнить, что когда вода ионизируется с образованием ионов водорода и гидроксид-ионов, это равновесие. По мере того, как ионы водорода разряжаются, больше воды расщепляется, чтобы заменить их.

Получение водорода непосредственно из молекул воды

Как и в случае с аналогичным анодным случаем выше, как бы вы ни смотрели на него, общий эффект будет таким же.Вы получаете газообразный водород и образование ионов гидроксида - вместе с ионами водорода, когда водное равновесие смещается, чтобы заменить высвобождаемые ионы водорода.

Итак, какое уравнение вам следует использовать?

Вы должны руководствоваться тем уравнением, которое используют ваши экзаменаторы в своих вопросах или в схемах выставления оценок. На практике они, скорее всего, примут и то, и другое.

Подобные футляры

Когда вы электролизуете соединение металла над водородом в электрохимическом ряду и получаете водород, применяется тот же аргумент.Однако есть некоторые случаи, когда водород не выделяется при таких обстоятельствах, и мы рассмотрим их далее на странице.

На аноде

Ионы хлора и ионы гидроксида притягиваются к положительному аноду. На самом деле, ионы гидроксида немного легче разряжать, но в основном вы получаете хлор.

  • Если раствор хлорида натрия достаточно концентрирован, вы получите в основном хлор.

  • Если раствор хлорида натрия очень разбавлен , вы получите в основном кислород.

  • При промежуточных концентрациях вы получите смесь обоих.


Примечание: На этом уровне это то, что вам в основном просто необходимо принять. Нет никакого простого объяснения , которое я мог бы добавить, не делая эту длинную и часто сложную страницу еще хуже. Я думаю, очень маловероятно, что вам когда-либо придется объяснять причину этого на экзамене по химии на этом уровне.

Если вы столкнетесь с вопросами от экзаменаторов, которые, по-видимому, нуждаются в надлежащих объяснениях, не могли бы вы сообщить мне об этом по адресу, указанному на странице об этом сайте.Было бы полезно, если бы вы также могли точно сказать мне, что ваши экзаменаторы ожидают от вас.



Образование хлора определяется уравнением:

А образование кислорода задается одним из уравнений:

или:

Водные растворы бромидов и иодидов

В обоих случаях можно предположить, что на аноде образуется бром или йод.Уравнения аналогичны разряду ионов хлора, описанному выше.

 

Электролиз раствора хлорида натрия с использованием ртутного катода

Это хороший пример случая, когда природа электрода имеет огромное значение.

Когда-то это был основной промышленный метод производства раствора гидроксида натрия, а также хлора и водорода, но он был в значительной степени заменен более экологически чистыми методами. В прошлом были серьезные примеры опасного загрязнения из-за утечки ртути в окружающую среду.

На катоде

Когда ионы натрия и ионы водорода попадают на ртутный катод, именно ионы натрия выделяются в виде металлического натрия. Он растворяется в ртути с образованием раствора, известного как «натриевая амальгама».

Амальгама натрия вытекает из электролизера и вступает в реакцию с водой, освобождая ртуть для рециркуляции через электролизер и производя раствор гидроксида натрия и водород.

На аноде

Хлор производится, как и следовало ожидать.

 

Электролиз раствора сульфата цинка угольными электродами

Я использую соединение цинка в качестве примера довольно неожиданных результатов, которые вы получаете при электролизе растворов соединений металлов от свинца до цинка в электрохимической серии.

Все они выше водорода в электрохимическом ряду, и поэтому можно ожидать, что водород будет выделяться на катоде вместо металла. Это не то, что происходит при любой разумной концентрации растворов солей этих металлов.

На катоде

Ионы цинка захватывают электроны с катода, образуя атомы цинка, которые прикрепляются к катоду.

На аноде

Это еще один случай электролиза сульфата, и мы подробно рассмотрели его далее на странице, рассказывая об электролизе раствора сульфата меди (II).


Примечание: Опять же, не существует быстрого и простого способа объяснить, почему разряжаются ионы цинка, а не ионы водорода, и очень маловероятно, что вас попросят объяснить это на экзамене на этом уровне.

Если вы хотите узнать больше, вы можете погуглить перенапряжение . Вы можете встретить такие фразы, как «большое перенапряжение водорода». Использование слова «перенапряжение» на самом деле ничего не объясняет. Все, что он на самом деле говорит, - это то, что водород труднее разрядить, чем можно было бы ожидать, исходя из его положения в электрохимическом ряду - и мы знаем это, потому что экспериментально в том случае, о котором мы говорим, вы получаете цинк, а не водород.

Итак, если вы хотите следить за этим (почти наверняка это не обязательно для экзаменов по химии на этом уровне), поищите объяснения, объясняющие, почему значение E ° водорода не применимо в реальной ситуации электролиза раствора сульфата цинка.



Электролиз раствора нитрата серебра с использованием серебряного анода

Это пример случая, когда вы используете электрод, который химически участвует в реакции.

На катоде

Если вы электролизуете раствор нитрата серебра с использованием серебра в качестве анода, серебро будет осаждаться на любом материале, из которого сделан катод, как и следовало ожидать.

Может использоваться для серебряного покрытия.

На аноде

Но на аноде, вместо того, чтобы что-либо выгружать из раствора, серебро из анода переходит в раствор в виде ионов серебра, оставляя электроны на аноде.

Анод теряет серебро, и чистое изменение - это просто перенос серебра с анода на катод.

 

Электролиз раствора сульфата меди (II) с использованием медного анода

Аналогичное изменение происходит при электролизе раствора сульфата меди (II) с помощью медных электродов.Медь осаждается на катоде, как и следовало ожидать, но вместо кислорода, выделяемого на аноде, ионы меди (II) переходят в раствор. Опять же, есть чистый перенос меди от анода к катоду.

Используется для очистки меди, и вы можете узнать об этом больше, прочитав часть страницы о меди. Вам не нужна вся страница - только раздел об очищении.

 

Практическая деталь

Конечно, вы можете электролизовать раствор, поместив его в химический стакан с двумя угольными электродами и подключив электроды к источнику постоянного тока, например батарее.

Вы можете, однако, захотеть собрать газы, выделяемые для тестирования, и, возможно, измерить их объем. В заключительной части этой страницы рассматриваются два простых устройства, которые позволят вам это сделать.

Сбор любых газов для проверки

Если у вас есть газы, исходящие от обоих электродов, вам необходимо держать их отдельно, а также собирать их. Это простой и дешевый способ сделать это.

Изначально обе маленькие пробирки заполнены любым раствором, который вы можете подвергать электролизу.Газы, выходящие из двух электродов, не смешиваются, и, если есть два газа, оба могут быть испытаны отдельно.

Помимо газов, отчетливо видны любые осажденные на катоде металлы, а также любые растворы брома или йода, образующиеся на аноде. Раствор брома от бледного до средне-оранжевого цвета; Цвет раствора йода варьируется в зависимости от концентрации йода от оранжевого до темно-красного.


Примечание: Йод можно получить только при электролизе раствора йодида.Выделяющийся йод фактически реагирует с непрореагировавшими ионами йодида с образованием растворимого иона I 3 - . Это вызывает появление красного цвета.


Сбор любых газов для их измерения

Самый простой способ - использовать U-образную трубку с боковым рычагом. Вы можете собирать и измерять объем выделяемых газов, собирая их над водой в перевернутые мерные цилиндры или в газовые шприцы.

Амперметр включен в схему, потому что, если вы измеряете выделяемые объемы, вы почти наверняка захотите узнать, какой ток протекает, чтобы выполнять какие-либо вычисления. Расчеты описаны на других страницах этого раздела.

 
 

Куда бы вы сейчас хотели отправиться?

В меню «Электролиз». . .

В меню «Неорганическая химия».. .

В главное меню. . .

 

© Джим Кларк, 2017

.

Электролиз хлорида натрия - расплавленный и водный раствор