Elektrolisis air: prosedur, teknik, untuk apa

Elektrolisis air adalah penguraian air menjadi komponen unsurnya melalui penerapan arus listrik. Ketika mereka melanjutkan, hidrogen dan oksigen molekul, H 2 dan O 2 , terbentuk pada dua lembam permukaan . Kedua permukaan ini lebih dikenal dengan nama elektroda.

Secara teoritis, volume H 2 yang terbentuk harus dua kali volume O 2 . Mengapa? Karena molekul air memiliki perbandingan H/O sama dengan 2, yaitu dua H untuk setiap oksigen. Hubungan ini secara langsung diverifikasi dengan rumus kimianya, H 2 O. Namun, banyak faktor eksperimental yang mempengaruhi volume yang diperoleh.

Sumber: Antti T. Nissinen melalui Flickr

Jika elektrolisis dilakukan di dalam tabung yang direndam dalam air (gambar atas), kolom air yang lebih rendah sesuai dengan hidrogen, karena ada lebih banyak gas yang memberikan tekanan pada permukaan cairan. Gelembung mengelilingi elektroda dan akhirnya naik setelah mengatasi tekanan uap air.

Perhatikan bahwa tabung dipisahkan satu sama lain sedemikian rupa sehingga ada migrasi gas yang rendah dari satu elektroda ke elektroda lainnya. Pada skala rendah, ini tidak mewakili risiko yang akan segera terjadi; Namun dalam skala industri, campuran gas H 2 dan O 2 sangat berbahaya dan mudah meledak.

Untuk alasan ini, sel elektrokimia di mana elektrolisis air dilakukan sangat mahal; Mereka membutuhkan desain dan unsur yang menjamin bahwa gas tidak pernah bercampur, pasokan arus yang menguntungkan, elektrolit konsentrasi tinggi, elektroda khusus (elektrokatalis), dan mekanisme untuk menyimpan H 2 yang dihasilkan.

Elektrokatalis mewakili gesekan dan pada saat yang sama sayap untuk profitabilitas elektrolisis air. Beberapa terdiri dari oksida logam mulia, seperti platinum dan iridium, yang harganya sangat tinggi. Pada titik inilah para peneliti bergabung untuk merancang elektroda yang efisien, stabil, dan murah.

Alasan dari upaya ini adalah untuk mempercepat pembentukan O 2 , yang terjadi pada tingkat yang lebih rendah dibandingkan dengan H 2 . Perlambatan ini pada bagian elektroda di mana O 2 terbentuk membawa konsekuensi umum penerapan potensial yang jauh lebih besar dari yang diperlukan (potensial berlebih); yang sama, dengan kinerja yang lebih rendah dan biaya yang lebih tinggi.

Reaksi elektrolisis

Elektrolisis air melibatkan banyak aspek kompleks. Namun, secara umum, dasarnya terletak pada reaksi global yang sederhana:

2H 2 O (l) => 2H 2 (g) + O 2 (g)

Seperti dapat dilihat dari persamaan, dua molekul air terlibat: yang satu biasanya harus direduksi, atau mendapatkan elektron, sedangkan yang lain harus mengoksidasi atau kehilangan elektron.

H 2 adalah produk reduksi air, karena perolehan elektron mendorong proton H + dapat mengikat secara kovalen, dan oksigen diubah menjadi OH . Oleh karena itu, H 2 yang dihasilkan pada katoda, yang merupakan elektroda di mana reduksi terjadi.

Sementara O 2 berasal dari oksidasi air, karena itu ia kehilangan elektron yang memungkinkannya mengikat hidrogen, dan akibatnya melepaskan proton H + . O 2 dihasilkan di anoda, elektroda tempat terjadinya oksidasi; Dan tidak seperti elektroda lainnya, pH di sekitar anoda bersifat asam dan bukan basa.

Reaksi setengah sel

Ini dapat diringkas dengan persamaan kimia berikut untuk reaksi setengah sel:

2H 2 O + 2e => H 2 + 2OH (Katoda, basa)

2H 2 O => O 2 + 4H + + 4e (Anoda, asam)

Namun, air tidak dapat kehilangan lebih banyak elektron (4e ) daripada molekul air lainnya yang mendapatkan di katoda (2e ); oleh karena itu, persamaan pertama harus dikalikan dengan 2, lalu dikurangi dengan persamaan kedua untuk mendapatkan persamaan bersih:

2 (2H 2 O + 2e => H 2 + 2OH )

2H 2 O => O 2 + 4H + + 4e

6H 2 O => 2H 2 + O 2 + 4H + + 4OH

Tetapi 4H + dan 4OH membentuk 4H 2 O, sehingga mereka menghilangkan empat dari enam molekul H 2 O , menyisakan dua; dan hasilnya adalah reaksi global yang baru saja diuraikan.

Reaksi setengah sel berubah dengan nilai pH, teknik, dan juga memiliki potensi reduksi atau oksidasi terkait, yang menentukan berapa banyak arus yang perlu disuplai agar elektrolisis air dapat berlangsung secara spontan.

Proses

Sumber: Ivan Akira [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], dari Wikimedia Commons

Sebuah voltameter Hoffman ditunjukkan pada gambar di atas. Silinder diisi dengan air dan elektrolit yang dipilih melalui nozzle tengah. Peran elektrolit ini adalah untuk meningkatkan konduktivitas air, karena dalam kondisi normal hanya ada sedikit ion H 3 O + dan OH produk dari ionisasi sendiri.

Kedua elektroda biasanya platinum, meskipun dalam gambar mereka digantikan oleh elektroda karbon. Keduanya terhubung ke baterai, yang dengannya perbedaan potensial (ΔV) diterapkan yang mendorong oksidasi air (pembentukan O 2 ).

Elektron berjalan melalui seluruh rangkaian sampai mencapai elektroda lain, di mana air memenangkannya dan menjadi H 2 dan OH . Pada titik ini anoda dan katoda sudah ditentukan, yang dapat dibedakan dengan ketinggian kolom air; satu dengan ketinggian terendah sesuai dengan katoda, di mana H 2 terbentuk .

Di bagian atas silinder, terdapat kunci yang memungkinkan gas yang dihasilkan dapat dilepaskan. Kehadiran H 2 dapat diperiksa dengan teliti dengan mereaksikan dengan api, pembakaran yang menghasilkan air gas.

Teknik

Teknik elektrolisis air bervariasi tergantung pada jumlah H 2 dan O 2 yang diusulkan yang akan dihasilkan. Kedua gas sangat berbahaya jika dicampur bersama, itulah sebabnya sel elektrolitik melibatkan desain yang kompleks untuk meminimalkan peningkatan tekanan gas dan difusinya melalui media berair.

Demikian pula, tekniknya bervariasi tergantung pada sel, elektrolit yang ditambahkan ke air, dan elektroda itu sendiri. Di sisi lain, beberapa menyiratkan bahwa reaksi dilakukan pada suhu yang lebih tinggi, mengurangi konsumsi listrik, dan lain-lain menggunakan tekanan yang sangat besar untuk menjaga H 2 disimpan.

Di antara semua teknik, tiga berikut dapat disebutkan:

Elektrolisis dengan air alkali

Elektrolisis dilakukan dengan larutan basa dari logam alkali (KOH atau NaOH). Dengan teknik ini reaksi terjadi:

4H 2 O (l) + 4e => 2H 2 (g) + 4OH (aq)

4OH (aq) => O 2 (g) + 2H 2 O (l) + 4e

Seperti dapat dilihat, baik di katoda maupun di anoda, air memiliki pH basa; dan sebagai tambahan, OH bermigrasi menuju anoda dimana mereka dioksidasi menjadi O 2 .

Elektrolisis dengan membran elektrolit polimer

Dalam teknik ini digunakan polimer padat yang berfungsi sebagai membran yang permeabel untuk H + , tetapi impermeabel untuk gas. Ini memastikan keamanan yang lebih besar selama elektrolisis.

Reaksi setengah sel untuk kasus ini adalah:

4H + (aq) + 4e => 2H 2 (g)

2H 2 O (l) => O 2 (g) + 4H + (aq) + 4e

Ion H + bermigrasi dari anoda ke katoda, di mana mereka direduksi menjadi H 2 .

Elektrolisis dengan oksida padat

Sangat berbeda dari teknik lain, ini salah satu penggunaan oksida sebagai elektrolit, yang pada suhu tinggi (600-900ºC) fungsi sebagai sarana pengangkutan O 2- anion .

Reaksi-reaksinya adalah:

2H 2 O (g) + 4e => 2H 2 (g) + 2O 2-

2O 2- => O 2 (g) + 4e

Perhatikan bahwa kali ini anion oksida, O 2- , yang berjalan ke anoda.

Untuk apa elektrolisis air?

Elektrolisis air menghasilkan H 2 (g) dan O 2 (g). Sekitar 5% dari gas hidrogen yang diproduksi di dunia dibuat melalui elektrolisis air.

H 2 adalah produk sampingan dari elektrolisis air larutan NaCl. Kehadiran garam memfasilitasi elektrolisis dengan meningkatkan konduktivitas listrik air.

Reaksi keseluruhan yang terjadi adalah:

2NaCl + 2H 2 O => Cl 2 + H 2 + 2NaOH

Untuk memahami pentingnya reaksi ini, beberapa kegunaan produk gas akan disebutkan; Karena pada akhirnya, merekalah yang mendorong pengembangan metode baru untuk mencapai elektrolisis air dengan cara yang lebih efisien dan hijau.

Dari semua itu, yang paling diinginkan adalah berfungsi sebagai sel yang secara energik menggantikan penggunaan bahan bakar fosil yang terbakar.

Produksi hidrogen dan kegunaannya

-Hidrogen yang dihasilkan dalam elektrolisis dapat digunakan dalam industri kimia yang bertindak dalam reaksi kecanduan, dalam proses hidrogenasi atau sebagai zat pereduksi dalam proses reduksi.

-Hal ini juga penting dalam beberapa tindakan kepentingan komersial, seperti: produksi asam klorida, hidrogen peroksida, hidroksilamina, dll. Ini terlibat dalam sintesis amonia melalui reaksi katalitik dengan nitrogen.

-Dalam kombinasi dengan oksigen, menghasilkan nyala api dengan kandungan kalori tinggi, dengan suhu berkisar antara 3.000 dan 3.500 K. Suhu ini dapat digunakan untuk pemotongan dan pengelasan di industri logam, untuk pertumbuhan kristal sintetis, produksi kuarsa, dll..

– Pengolahan air: kandungan nitrat yang terlalu tinggi dalam air dapat dikurangi dengan menghilangkannya dalam bioreaktor, di mana bakteri menggunakan hidrogen sebagai sumber energi

-Hidrogen terlibat dalam sintesis plastik, poliester dan nilon. Selain itu, ini adalah bagian dari produksi kaca, meningkatkan pembakaran selama pemanggangan.

-Bereaksi dengan oksida dan klorida dari banyak logam, termasuk: perak, tembaga, timbal, bismut, dan merkuri untuk menghasilkan logam murni.

-Dan selain itu, digunakan sebagai bahan bakar dalam analisis kromatografi dengan detektor api.

Sebagai metode debug

Elektrolisis larutan natrium klorida digunakan untuk memurnikan air kolam renang. Selama elektrolisis, hidrogen diproduksi di katoda dan klorin (Cl 2 ) diproduksi di anoda. Elektrolisis disebut dalam hal ini sebagai klorinator garam.

Klorin larut dalam air membentuk asam hipoklorit dan natrium hipoklorit. Asam hipoklorit dan natrium hipoklorit mensterilkan air.

Sebagai suplai oksigen

Elektrolisis air juga digunakan untuk menghasilkan oksigen di Stasiun Luar Angkasa Internasional, yang berfungsi untuk menjaga atmosfer oksigen di stasiun.

Hidrogen dapat digunakan dalam sel bahan bakar, metode penyimpanan energi, dan menggunakan air yang dihasilkan dalam sel untuk konsumsi astronot.

Eksperimen rumah

Eksperimen elektrolisis air telah dilakukan pada skala laboratorium dengan voltmeter Hoffman, atau perakitan lain yang memungkinkan untuk memuat semua unsur yang diperlukan dari sel elektrokimia.

Dari semua rakitan dan peralatan yang mungkin, yang paling sederhana adalah wadah air transparan yang besar, yang akan berfungsi sebagai sel. Selain itu, setiap permukaan logam atau konduktif listrik juga harus tersedia untuk berfungsi sebagai elektroda; satu untuk katoda, dan yang lainnya untuk anoda.

Untuk tujuan ini bahkan pensil dengan ujung grafit tajam di kedua ujungnya bisa berguna. Dan akhirnya, baterai kecil dan beberapa kabel yang menghubungkannya ke elektroda improvisasi.

Jika tidak dilakukan dalam wadah transparan, pembentukan gelembung gas tidak akan dihargai.

Variabel rumah

Meskipun elektrolisis air adalah subjek yang mengandung banyak aspek yang menarik dan penuh harapan bagi mereka yang mencari sumber energi alternatif, eksperimen di rumah bisa membosankan bagi anak-anak dan orang lain.

Oleh karena itu, tegangan yang cukup dapat diterapkan untuk menghasilkan pembentukan H 2 dan O 2 oleh bolak variabel tertentu dan mencatat perubahan.

Yang pertama adalah variasi pH air, menggunakan cuka untuk mengasamkan air, atau Na 2 CO 3 untuk sedikit basa. Perubahan jumlah gelembung yang diamati harus terjadi.

Selain itu, percobaan yang sama dapat diulang dengan air panas dan dingin. Dengan cara ini pengaruh suhu pada reaksi kemudian akan direnungkan.

Akhirnya, untuk membuat pengumpulan data sedikit kurang berwarna, larutan jus kubis ungu yang sangat encer dapat digunakan. Jus ini merupakan indikator asam-basa yang berasal dari alam.

Menambahkannya ke wadah dengan elektroda dimasukkan, akan dicatat bahwa di anoda air akan berubah menjadi merah muda (asam), sedangkan di katoda, warnanya akan menjadi kuning (basa).

Referensi

  1. Wikipedia. (2018). Elektrolisis air. Dipulihkan dari: en.wikipedia.org
  2. Chaplin M. (16 November 2018). Elektrolisis air. Struktur air dan ilmu pengetahuan. Dipulihkan dari: 1.lsbu.ac.uk
  3. Efisiensi Energi & Energi Terbarukan. (sf). Produksi hidrogen: elektrolisis. Dipulihkan dari: energy.gov
  4. Phys.org. (14 Februari 2018). Katalis berefisiensi tinggi dan berbiaya rendah untuk elektrolisis air. Dipulihkan dari: phys.org
  5. LibreText Kimia. (2015, 18 Juni). Elektrolisis air. Dipulihkan dari: chem.libretexts.org
  6. Xiang C., M. Papadantonakisab K., dan S. Lewis N. (2016). Prinsip dan implementasi sistem elektrolisis untuk pemisahan air. Royal Society of Chemistry.
  7. Bupati Universitas Minnesota. (2018). Elektrolisis Air 2. Universitas Minnesota. Dipulihkan dari: chem.umn.edu

Disprosium: struktur, sifat, perolehan, kegunaan
Fukosa: ciri-ciri, struktur, fungsi
Kegunaan Keton — contoh, rumus, sifat, tata nama
Entalpi larutan: cara menghitung, kegunaan, dan latihan