ĐIỆN PHÂN NƯỚC: QUY TRÌNH, KỸ THUẬT, NÓ DÙNG ĐỂ LÀM GÌ - HÓA HỌC - 2026

Sự điện phân của nước là sự phân hủy nước thành các thành phần nguyên tố của nó bằng cách tạo ra một dòng điện. Khi chúng tiếp tục, hydro và oxy phân tử, H ₂ và O ₂ , được hình thành trên hai bề mặt trơ . Hai bề mặt này được biết đến nhiều hơn với tên gọi điện cực.

Về mặt lý thuyết, thể tích H ₂ tạo thành gấp đôi thể tích O ₂ . Tại sao? Vì phân tử nước có tỷ lệ H / O bằng 2, tức là mỗi oxi có hai H. Mối quan hệ này được xác minh trực tiếp với công thức hóa học của nó, H ₂ O. Tuy nhiên, nhiều yếu tố thực nghiệm ảnh hưởng đến thể tích thu được.

Nguồn: Antti T. Nissinen qua Flickr

Nếu quá trình điện phân được thực hiện bên trong các ống nhúng trong nước (hình trên), cột nước dưới tương ứng với hydro, vì có một lượng khí lớn hơn tạo áp suất trên bề mặt chất lỏng. Các bong bóng bao quanh các điện cực và cuối cùng sẽ bốc lên sau khi vượt qua áp suất hơi của nước.

Lưu ý rằng các ống được tách ra khỏi nhau theo cách có sự di chuyển thấp của các khí từ điện cực này sang điện cực kia. Ở quy mô thấp, điều này không thể hiện rủi ro sắp xảy ra; nhưng ở quy mô công nghiệp, hỗn hợp khí của H ₂ và O ₂ rất nguy hiểm và dễ nổ.

Vì lý do này, các tế bào điện hóa nơi thực hiện quá trình điện phân nước rất tốn kém; Họ cần một thiết kế và các yếu tố đảm bảo rằng các chất khí không bao giờ trộn lẫn, một nguồn cung cấp dòng điện có lợi, nồng độ cao của chất điện phân, điện cực đặc biệt (chất xúc tác điện) và cơ chế lưu trữ H ₂ được tạo ra.

Chất xúc tác điện đại diện cho ma sát và đồng thời chắp cánh cho lợi nhuận của quá trình điện phân nước. Một số bao gồm các oxit kim loại quý, chẳng hạn như bạch kim và iridi, có giá rất cao. Đó là thời điểm đặc biệt mà các nhà nghiên cứu hợp lực để thiết kế các điện cực hiệu quả, ổn định và rẻ tiền.

Lý do cho những nỗ lực này là để đẩy nhanh quá trình hình thành O ₂ , xảy ra với tốc độ thấp hơn so với H ₂ . Việc làm chậm lại điện cực nơi O ₂ được hình thành dẫn đến hậu quả chung là áp dụng điện thế cao hơn nhiều so với mức cần thiết (quá thế); bằng nhau, với hiệu suất thấp hơn và chi phí cao hơn.

Phản ứng điện phân

Quá trình điện phân nước bao gồm nhiều khía cạnh phức tạp. Tuy nhiên, nói chung, cơ sở của nó dựa trên một phản ứng toàn cầu đơn giản:

2H ₂ O (l) => 2H ₂ (g) + O ₂ (g)

Như đã thấy trong phương trình, có hai phân tử nước tham gia: một phân tử thường phải bị khử hoặc nhận được electron, trong khi phân tử kia phải bị oxy hóa hoặc mất electron.

H ₂ là sản phẩm của quá trình khử nước, vì sự thu được các điện tử thúc đẩy các proton H ⁺ có thể liên kết cộng hóa trị và oxy được chuyển hóa thành OH ^- . Do đó, H ₂ được tạo ra ở cực âm, là điện cực xảy ra quá trình khử.

Trong khi O _{2 sinh} ra từ quá trình oxy hóa nước, do đó nó mất đi các electron cho phép nó liên kết với hydro, và do đó giải phóng các proton H ⁺ . O ₂ sinh ra ở cực dương, điện cực xảy ra quá trình oxi hóa; Và không giống như các điện cực khác, độ pH xung quanh cực dương có tính axit và không có tính bazơ.

Phản ứng nửa tế bào

Điều này có thể được tóm tắt bằng các phương trình hóa học sau cho các phản ứng của nửa tế bào:

2H ₂ O + 2e ^- => H ₂ + 2OH ^- (Catốt, bazơ)

2H ₂ O => O ₂ + 4H ⁺ + 4e ^- (Cực dương, axit)

Tuy nhiên, nước không thể mất nhiều điện tử (4e ^- ) hơn phân tử nước khác bị mất ở cực âm (2e ^- ); do đó, phương trình đầu tiên phải được nhân với 2, và sau đó trừ với phương trình thứ hai để có phương trình thuần:

2 (2H ₂ O + 2e ^- => H ₂ + 2OH ^- )

2H ₂ O => O ₂ + 4H ⁺ + 4e ^-

6H ₂ O => 2H ₂ + O ₂ + 4H ⁺ + 4OH ^-

Nhưng 4H ⁺ và 4OH ^- tạo thành 4H ₂ O, vì vậy chúng loại bỏ bốn trong sáu phân tử H ₂ O , để lại hai; và kết quả là phản ứng toàn cầu vừa được vạch ra.

Các phản ứng của nửa tế bào thay đổi theo các giá trị pH, kỹ thuật và cũng có các điện thế khử hoặc oxy hóa liên quan, xác định lượng dòng điện cần cung cấp để quá trình điện phân nước diễn ra tự nhiên.

Quá trình

Nguồn: Ivan Akira, từ Wikimedia Commons

Một vôn kế Hoffman được hiển thị trong hình trên. Các xi lanh được đổ đầy nước và các chất điện phân đã chọn qua vòi ở giữa. Vai trò của các chất điện giải này là làm tăng độ dẫn điện của nước, vì ở điều kiện bình thường có rất ít ion H ₃ O ⁺ và OH ^- sản phẩm của quá trình tự ion hóa của chúng.

Hai điện cực thường được làm bằng bạch kim, mặc dù trong ảnh chúng đã được thay thế bằng điện cực carbon. Cả hai đều được kết nối với một pin, trong đó hiệu điện thế (ΔV) được áp dụng để thúc đẩy quá trình oxy hóa nước (hình thành O ₂ ).

Các electron di chuyển toàn bộ mạch cho đến khi chúng đến điện cực khác, nơi nước thắng chúng và trở thành H ₂ và OH ^- . Tại thời điểm này, cực dương và cực âm đã được xác định, có thể phân biệt được bằng chiều cao của cột nước; cái có chiều cao thấp nhất tương ứng với cực âm, nơi H ₂ được tạo thành .

Ở phần trên của bình có các chốt cho phép các khí sinh ra thoát ra ngoài. Có thể kiểm tra cẩn thận sự hiện diện của H ₂ bằng cách cho nó phản ứng với ngọn lửa, quá trình đốt cháy nó tạo ra nước ở thể khí.

Kỹ thuật

Kỹ thuật điện phân nước khác nhau tùy thuộc vào lượng H ₂ và O ₂ được tạo ra. Cả hai chất khí đều rất nguy hiểm nếu chúng được trộn lẫn với nhau, và đó là lý do tại sao các tế bào điện phân có thiết kế phức tạp để giảm thiểu sự gia tăng áp suất khí và sự khuếch tán của chúng qua môi trường nước.

Ngoài ra, các kỹ thuật khác nhau tùy thuộc vào tế bào, chất điện phân được thêm vào nước và bản thân các điện cực. Mặt khác, một số ngụ ý rằng phản ứng được thực hiện ở nhiệt độ cao hơn, giảm tiêu thụ điện, và một số khác lại sử dụng áp suất rất lớn để giữ H ₂ được lưu trữ.

Trong số tất cả các kỹ thuật, có thể kể đến ba kỹ thuật sau:

Điện phân với nước kiềm

Điện phân được thực hiện với các dung dịch bazơ của các kim loại kiềm (KOH hoặc NaOH). Với kỹ thuật này, các phản ứng xảy ra:

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

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

Có thể thấy, cả ở cực âm và cực dương, nước đều có pH cơ bản; và thêm vào đó, OH ^- di chuyển về phía cực dương nơi chúng bị oxy hóa thành O ₂ .

Điện phân với màng điện phân polyme

Trong kỹ thuật này, một polyme rắn được sử dụng như một màng có thể thấm H ⁺ , nhưng không thấm đối với khí. Điều này đảm bảo an toàn hơn trong quá trình điện phân.

Các phản ứng của một nửa tế bào trong trường hợp này là:

4H ⁺ (aq) + 4e ^- => 2H ₂ (g)

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

Các ion H ⁺ di chuyển từ cực dương sang cực âm, tại đây chúng bị khử để trở thành H ₂ .

Điện phân với oxit rắn

Rất khác với các kỹ thuật khác, kỹ thuật này sử dụng các oxit làm chất điện phân, ở nhiệt độ cao (600-900ºC) có chức năng như một phương tiện vận chuyển anion O ^2- .

Các phản ứng là:

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

2O ^2- => O ₂ (g) + 4e ^-

Lưu ý rằng lần này các anion oxit, O ^2- , đi đến cực dương.

Sự điện phân của nước để làm gì?

Sự điện phân của nước tạo ra H ₂ (g) và O ₂ (g). Khoảng 5% lượng khí hydro được sản xuất trên thế giới được tạo ra thông qua quá trình điện phân nước.

H ₂ là sản phẩm phụ của quá trình điện phân dung dịch nước NaCl. Sự có mặt của muối tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình điện phân do làm tăng độ dẫn điện của nước.

Phản ứng tổng thể xảy ra là:

2NaCl + 2H ₂ O => Cl ₂ + H ₂ + 2NaOH

Để hiểu được tầm quan trọng to lớn của phản ứng này, một số công dụng của các sản phẩm ở thể khí sẽ được đề cập; Bởi vì vào cuối ngày, đây là những động lực thúc đẩy sự phát triển của các phương pháp mới để đạt được quá trình điện phân nước theo cách xanh và hiệu quả hơn.

Trong số tất cả chúng, mong muốn nhất là hoạt động như các tế bào thay thế năng lượng cho việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch đốt cháy.

Sản xuất hydro và sử dụng nó

-Hydrogen được tạo ra trong quá trình điện phân có thể được sử dụng trong công nghiệp hóa chất tác dụng trong phản ứng nghiện, trong quá trình hydro hóa hoặc làm chất khử trong quá trình khử.

-Nó cũng rất cần thiết trong một số hoạt động có tầm quan trọng về mặt thương mại, chẳng hạn như: sản xuất axit clohydric, hydro peroxit, hydroxylamin, v.v. Nó tham gia vào quá trình tổng hợp amoniac thông qua phản ứng xúc tác với nitơ.

-Kết hợp với oxy, nó tạo ra ngọn lửa có hàm lượng nhiệt lượng cao, với nhiệt độ dao động từ 3.000 đến 3.500 K. Những nhiệt độ này có thể được sử dụng để cắt và hàn trong ngành công nghiệp kim loại, để phát triển tinh thể tổng hợp, sản xuất thạch anh, v.v. .

- Xử lý nước: hàm lượng nitrat quá cao trong nước có thể được giảm bớt bằng cách loại bỏ nó trong các lò phản ứng sinh học, trong đó vi khuẩn sử dụng hydro làm nguồn năng lượng

-Hiđro tham gia vào quá trình tổng hợp chất dẻo, polyeste và nilon. Ngoài ra, nó là một phần của việc sản xuất thủy tinh, làm tăng quá trình đốt cháy trong quá trình nướng.

-Tác dụng với oxit và clorua của nhiều kim loại, trong số đó: bạc, đồng, chì, bitmut và thủy ngân để tạo ra kim loại nguyên chất.

-Ngoài ra, nó còn được sử dụng làm nhiên liệu trong phân tích sắc ký với đầu báo cháy.

Là một phương pháp gỡ lỗi

Quá trình điện phân dung dịch natri clorua được sử dụng để làm sạch nước bể bơi. Trong quá trình điện phân, hiđro được tạo ra ở cực âm và clo (Cl ₂ ) ở cực dương. Trong trường hợp này, điện phân được gọi là chất tạo muối clo.

Clo hòa tan trong nước tạo thành axit hipoclorơ và natri hypoclorit. Axit clohydric và natri hypoclorit khử trùng nước.

Như một nguồn cung cấp oxy

Quá trình điện phân nước cũng được sử dụng để tạo ra oxy trên Trạm vũ trụ quốc tế, nhằm duy trì bầu không khí oxy tại trạm.

Hydro có thể được sử dụng trong pin nhiên liệu, một phương pháp lưu trữ năng lượng và sử dụng nước được tạo ra trong tế bào để tiêu thụ cho các phi hành gia.

Thử nghiệm tại nhà

Các thí nghiệm điện phân nước đã được thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm với vôn kế Hoffman, hoặc một thiết bị lắp ráp khác cho phép chứa tất cả các yếu tố cần thiết của một tế bào điện hóa.

Trong số tất cả các cụm và thiết bị có thể có, đơn giản nhất có thể là một thùng chứa nước lớn trong suốt, sẽ đóng vai trò như một phòng giam. Ngoài ra, bất kỳ bề mặt kim loại hoặc bề mặt dẫn điện nào cũng phải có mặt để hoạt động như các điện cực; một cho cực âm và một cho cực dương.

Với mục đích này, ngay cả những chiếc bút chì có đầu nhọn bằng than chì ở cả hai đầu cũng có thể hữu ích. Và cuối cùng, một pin nhỏ và một số dây cáp kết nối nó với các điện cực tùy biến.

Nếu không được thực hiện trong một vật chứa trong suốt, sự hình thành các bọt khí sẽ không được đánh giá cao.

Biến nhà

Mặc dù điện phân nước là một chủ đề chứa đựng nhiều khía cạnh hấp dẫn và hy vọng cho những người đang tìm kiếm các nguồn năng lượng thay thế, nhưng thí nghiệm tại nhà có thể gây nhàm chán cho trẻ em và những người ngoài cuộc.

Do đó, có thể áp dụng đủ điện áp để tạo ra sự hình thành H ₂ và O _{2 bằng cách} luân phiên các biến số nhất định và ghi nhận các thay đổi.

Phương pháp đầu tiên là sự thay đổi độ pH của nước, sử dụng giấm để axit hóa nước hoặc Na ₂ CO ₃ để làm bazơ nhẹ. Sự thay đổi số lượng bong bóng quan sát được phải xảy ra.

Ngoài ra, thí nghiệm tương tự có thể được lặp lại với nước nóng và lạnh. Bằng cách này, ảnh hưởng của nhiệt độ đến phản ứng sau đó sẽ được dự tính.

Cuối cùng, để làm cho dữ liệu thu được bớt màu hơn một chút, bạn có thể dùng dung dịch nước bắp cải tím rất loãng. Nước trái cây này là một chất chỉ thị axit-bazơ có nguồn gốc tự nhiên.

Cho vào bình chứa có cắm các điện cực, ta nhận thấy ở cực dương nước sẽ chuyển sang màu hồng (axit), còn ở cực âm thì nước chuyển sang màu vàng (bazơ).

Người giới thiệu

1. Wikipedia. (2018). Sự điện ly của nước. Khôi phục từ: en.wikipedia.org
2. Chaplin M. (ngày 16 tháng 11 năm 2018). Sự điện ly của nước. Cấu trúc nước và khoa học. Được khôi phục từ: 1.lsbu.ac.uk
3. Hiệu quả năng lượng & Năng lượng tái tạo. (sf). Sản xuất hydro: điện phân. Phục hồi từ: energy.gov
4. Phys.org. (Ngày 14 tháng 2 năm 2018). Chất xúc tác hiệu quả cao, chi phí thấp cho quá trình điện phân nước. Phục hồi từ: Phys.org
5. Hóa học LibreTexts. (Ngày 18 tháng 6 năm 2015). Sự điện ly của nước. Được khôi phục từ: chem.libretexts.org
6. Xiang C., M. Papadantonakisab K., và S. Lewis N. (2016). Nguyên lý và cách thực hiện của hệ thống điện phân tách nước. Hiệp hội Hóa học Hoàng gia.
7. Hiệu trưởng của Đại học Minnesota. (2018). Sự điện ly của nước 2. Đại học Minnesota. Được khôi phục từ: chem.umn.edu