Метод электролиза воды. Получение водорода электролизом воды. Что такое штекер RCA

Получите гремучую смесь и потушите ей свечу!

Сложность:

Опасность:

Сделайте этот эксперимент дома

Реагенты

Безопасность

• Перед началом опыта наденьте защитные перчатки и очки.
• Проводите эксперимент на подносе.
• При проведении опыта держите поблизости емкость с водой.

Общие правила безопасности

• Не допускайте попадания химических реагентов в глаза или рот.
• Не допускайте к месту проведения экспериментов людей без защитных очков, а также маленьких детей и животных.
• Храните экспериментальный набор в месте, недоступном для детей младше 12 лет.
• Помойте или очистите всё оборудование и оснастку после использования.
• Убедитесь, что все контейнеры с реагентами плотно закрыты и хранятся по правилам после использования.
• Убедитесь, что все одноразовые контейнеры правильно утилизированы.
• Используйте только оборудование и реактивы, поставляемые в наборе или рекомендуемые текущими инструкциями.
• Если вы использовали контейнер для еды или посуду для проведения экспериментов, немедленно выбросьте их. Они больше не пригодны для хранения пищи.

Информация о первой помощи

• В случае попадания реагентов в глаза тщательно промойте глаза водой, при необходимости держа глаз открытым. Немедленно обратитесь к врачу.
• В случае проглатывания промойте рот водой, выпейте немного чистой воды. Не вызывайте рвоту. Немедленно обратитесь к врачу.
• В случае вдыхания реагентов выведите пострадавшего на свежий воздух.
• В случае контакта с кожей или ожогов промывайте поврежденную зону большим количеством воды в течение 10 минут или дольше.
• В случае сомнений немедленно обратитесь к врачу. Возьмите с собой химический реагент и контейнер от него.
• В случае травм всегда обращайтесь к врачу.

• Неправильное использование химических реагентов может вызвать травму и нанести вред здоровью. Проводите только указанные в инструкции эксперименты.
• Данный набор опытов предназначен только для детей 12 лет и старше.
• Способности детей существенно различаются даже внутри возрастной группы. Поэтому родители, проводящие эксперименты вместе с детьми, должны по своему усмотрению решить, какие опыты подходят для их детей и будут безопасны для них.
• Родители должны обсудить правила безопасности с ребенком или детьми перед началом проведения экспериментов. Особое внимание следует уделить безопасному обращению с кислотами, щелочами и горючими жидкостями.
• Перед началом экспериментов очистите место проведения опытов от предметов, которые могут вам помешать. Следует избегать хранения пищевых продуктов рядом с местом проведения опытов. Место проведения опытов должно хорошо вентилироваться и находиться близко к водопроводному крану или другому источнику воды. Для проведения экспериментов потребуется устойчивый стол.
• Вещества в одноразовой упаковке должны быть использованы полностью или утилизированы после проведения одного эксперимента, т.е. после открытия упаковки.

Часто задаваемые вопросы

Сколько раз можно сделать «БАХ»?

Много раз! Просто набирайте в бутылочку гремучую смесь и тушите ей свечу.

Свеча не погасла. Что делать?

Вы можете многократно повторять шаги 3 и 4. Попробуйте снова! Дайте реакции электролиза идти подольше, чтобы скопилось побольше газа. Еще можно попробовать изменить угол направления бутылочки на свечу.

Штекер позеленел. Почему?

Металлические части штекера содержат медь. При окислении медь может становиться зеленой.

Пипетка протекает! Что делать?

Сперва отсоедините держатель батареек от электролизёра. Затем осторожно выньте штекер из пипетки. Чтобы устранить протечку, оберните штекер липкой лентой или даже кусочком защитной перчатки. Снова вставьте штекер в пипетку. Если протечка устранена, продолжайте опыт.

Другие эксперименты

Пошаговая инструкция

Соберем установку для электролиза воды (электролизёр).

Теперь заправим электролизёр водным раствором гидроксида натрия NaOH.

Установим емкость для сбора гремучей смеси и запустим процесс.

Теперь попробуем при помощи реакции кислорода и водорода затушить свечу.

Чтобы повторить опыт, подключите электролизёр к батарейкам и повторите шаги 3 и 4.

Ожидаемый результат

В ходе электролиза вода разлагается на два газа: кислород O 2 и водород H 2 . Водорода образуется в два раза больше, чем воды: H 2 O → O 2 + 2H 2 Такую смесь газов называют гремучей . Если баночку со смесью поднести к пламени свечи, смесь мгновенно разгорится и при этом потушит свечу.

Утилизация

Твердые отходы эксперимента утилизируйте вместе с бытовым мусором. Растворы слейте в раковину и затем тщательно промойте ее водой.

Что произошло

Почему содержимое баночки загорается?

Химическая формула молекулы воды выглядит как H 2 O. Это означает, что она состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Баночка как раз наполнена смесью из газообразного водорода и кислорода в отношении 2 к 1, полученной электролизом воды.

Когда эта смесь воспламеняется, тут же запускается реакция образования воды, которая сопровождается характерным хлопком.

Узнать больше

Реакция образования воды выглядит довольно просто:

2H 2 + O 2 → H 2 O

Однако всё не так уж и просто. Это окислительно-восстановительная реакция, в которой кислород является окислителем (забирает электроны водорода), а водород - восстановителем (отдает свои электроны кислороду):

O 2 o + 4e - → 2O 2-

H 2 o - 2e - → 2H +

Реакция протекает весьма интенсивно, особенно когда кислород смешивается с водородом в соотношении 1:2, как это было в нашем эксперименте. Это связано с тем, что водяной пар, который мы получили, содержит один атом кислорода и два атома водорода, то есть соотношение как раз равно 1:2.

Как кислород и водород оказались в баночке?

Эти газы появились там благодаря электролизу - процессу, в котором вода под действием электричества разлагается на кислород и водород. В ходе электролиза кислород и водород переходят в газообразную форму в соотношении 1:2. Образуется гремучая смесь, которая и гасит свечу.

Как протекает электролиз?

Для этого процесса нужна щелочная среда, поэтому мы добавляем гидроксид натрия NaOH. Теперь вода может расщепляться на ионы в жидком состоянии:

H 2 O → H + + OH -

Щелочная среда повышает концентрацию гидроксид-ионов OH - . Электролизёр (устройство для электролиза воды) имеет положительно заряженный анод, который притягивает анионы, и отрицательно заряженный катион, который привлекает катионы. Таким образом, катионы H + мигрируют к катоду, а анионы OH - - к аноду. Тогда ионы H + берут электроны с катода и превращаются в водород H 2 , а гидроксидные ионы OH - отдают свои электроны аноду и превращаются в кислород O 2 .

В нашем эксперименте электролизёром выступает штекер RCA, в котором металлическое кольцо служит катодом, а штифт - анодом. Однако полюса можно менять, соединяя провода вилки и держателя батареи наоборот - это не повлияет на эксперимент.

Что такое штекер RCA?

Штекер RCA когда-то широко использовался для аудио- и видеосистем. Он может подключить, например, видеопроигрыватель к телевизору. Он по-прежнему используется для некоторого визуального оборудования, но уже не так массово. Он состоит из двух металлических частей, внешнего кольца, штифта и пластмассового изолирующего кольца между ними. Отдельные провода подключаются к каждой металлической части: короткие провода -к металлическому кольцу, а длинные - к штифту.

Водород и кислород: ракетное топливо

Если поджечь смесь газов О 2 и Н 2 , мы услышим громкий хлопок - так протекает экзотермическая реакция, в ходе которой высвобождается много тепловой энергии. Необязательно использовать чистый кислород из баллона - с водородом, хоть и не так бурно, реагирует и кислород из воздуха.

Смесь водорода и кислорода в соотношении 2:1 (как в молекуле воды - продукте их реакции) благодаря «взрывным» свойствам назвали гремучей . Однако без искры или огня реакция не произойдет. Представьте, сколько энергии может выделиться, если взять те же газы, только сжиженными и в большом количестве!

Реакцию горения водорода используют при запуске ракеты и выведения ее на орбиту. Иными словами, водород и кислород - это жидкое ракетное топливо. Энергии горения достаточно, чтобы оторвать от земли ракету весом в несколько тысяч тонн! Водород выполняет роль горючего, а кислород - окислителя. Вода (продукт этой реакции) тут же превращается в пар. На таком топливе летали все шаттлы, в том числе Space shuttle, и некоторые модели американской ракеты Delta. В 2019 году планируется впервые использовать водородное топливо для запуска ракеты Space Launch System, ранее побившей рекорд грузоподъемности на другой горючей смеси.

Пара «Водород+кислород» - самое перспективное жидкое ракетное топливо. Оно намного экологичнее и дешевле, чем керосин, а также эффективнее твердого топлива. Однако и у него есть недостатки. Транспортировка сжиженных газов достаточно сложна и опасна. Жидкие водород и кислород криогенны, то есть обладают очень низкой температурой (температура кипения жидкого водорода и кислорода примерно -253 o C и -183 o C соответственно). Ракетные баки должны иметь хорошую теплоизоляцию, чтобы из них не испарялся водород, ведь если он вступит в реакцию с кислородом воздуха, может произойти взрыв и ракета сгорит еще до старта.

История дирижабля «Гинденбург»

В 1937 году утечка водорода на дирижабле Гинденбург спровоцировала самую масштабную трагедию в истории пассажирского воздухоплавания. При посадке дирижабль загорелся и рухнул на землю, сгорев дотла всего за 34 секунды. По основной версии следствия, был поврежден один из водородных баллонов. В итоге водород смешался с кислородом воздуха, и образовался гремучий газ. Дирижабль проходил через грозовой фронт, влажность «за бортом»и плохое заземление внутренней оболочки вызвали разность потенциалов и как следствие - искру. В результате горения водорода образовалось примерно 150 тонн воды, которая немедленно испарилась из-за высоких температур.

После этой катастрофы большинство стран отказалось от дирижаблей как от пассажирского транспорта. Со временем прекратились и разработки воздухоплавательного флота.

Строить дирижабли продолжали лишь в США. Вместо водорода их наполняли гелием. Это инертный невзрывоопасный газ,утечка которого не может стать причиной пожара. Однако вскоре самолеты окончательно заменили громоздкие и малоскоростные воздухоплавательные аппараты.

В данной статье поговорим про электролиз обыкновенной воды.

Тот, кто не задумываясь, тешит себя роликами с Ютюба, а после этого пытается повторить преподнесённое им на блюдечке, обречён на неудачу. Интернет «кишит» роликами-обманками, и это шоу является частью жизни людей. Кто-то на этом зарабатывает деньги, а кто-то помогает ему зарабатывать деньги, просматривая это шоу. К видеороликам необходимо подходить осторожно. Я, например, знаю, что можно повысить КПД электролизной установки, но я не уверен, действительно ли Мэйер ездил на своем автомобиле на воде? Первое, я себе доказал и теоретически и практически, а второе пока нет.

Для достаточного количества газа необходимого автомобилю, площадь электродов в ячейке Мэйера слишком мала! Один из загадочных элементов в конструкции автомобиля Мэйера – красный бак, находящийся за креслом водителя. Про него ничего нигде не пишут. В бак вставлены ячейка — «Resonant Cavity», индикатор уровня воды – «water level indicator», и лазерный стимулятор. Всё кроме этого бака, так или иначе, описано, а про бак вообще ничего. Неужели это и есть топливный бак (для воды). Но на видеороликах Мэйер наливает воду непосредственно в ячейку. Это было небольшое отступление от темы статьи, а для Вас — тема для раздумий.

Мои исследования, прежде всего, направлены не на скорейшее «подключение» электролизной ячейки к автомобилю, а на максимальное повышение её производительности. Цель – уменьшить электролизный ток, или другими словами – затраты энергии, но при этом увеличить объём выхода кислородно-водородной смеси. В ходе моих экспериментальных исследований выявились определённые физические свойства воды, изучив которые и в последующем используя, удалось увеличить производительность обыкновенной электролизной установки в несколько раз. Сначала я начинал эксперименты с установки, собранной из пластин, но в ходе экспериментов пришлось от них отказаться, перейдя на трубки. Пластины, представляли собой несогласованную нагрузку на сверхвысоких частотах. Тяжело было сделать синфазный СВЧ-разветвитель без потери мощности. Самая банальная, но главная проблема – все активные элементы должны были быть равноудалены от специального СВЧ-резонатора на расстояние кратное длине волны, иначе происходило неравномерное выделение газа. Поэтому я вынужден был перейти на трубки.

Для того, чтобы было с чем сравнивать в дальнейшем, последовательность экспериментов началась с обыкновенного электролиза постоянным током. Опыты я проводил на установке изображённой ниже. Электролизную ячейку я наполнял обыкновенной, пропущенной через угольный фильтр водопроводной водой, не используя при этом кислоты и щелочи. Во время эксперимента, из электролизной ячейки, водородно-кислородная смесь поступала в «перевёрнутую» наполненную водой ёмкость 1 объёмом 100 миллилитров. В начале опыта, при включении установки запускался секундомер. Когда ёмкость наполнялась газом и появлялись выходящие из неё во внешнюю ёмкость 2 пузырьки, секундомер останавливался. Для сокращения времени на опыты, были взяты три пары трубок описанных в патентах Мейера длиной 4 дюйма. Общая площадь электролизного активного пространства (площади электродов) составила около 180 см 2 .

Указанную ёмкость я «наполнял» газом несколько раз при различных токах электролиза. Мной были выбраны токи: 0,25А; 0,5А; 1А; 1,5А; 2А.

При обыкновенном электролизе постоянным током обнаружилось, что с повышением напряжения U на пластинах электролизной установки, происходит нелинейный рост тока I. По предварительному предположению, пузырьки газа должны препятствовать прохождению тока в межэлектродном пространстве, поэтому увеличение напряжения на пластинах должно приводить к увеличению сопротивления водно-газовой смеси по параболическому закону. На самом деле происходило обратное явление.

Сопротивление R , с повышением напряжения резко падало по нелинейному графику – «гиперболе». Ожидалось, что появляющиеся на поверхности электродов пузырьки газов должны препятствовать прохождению электрического тока между электродами. Но на практике, оказалось, что при повышении тока еще на малых его значениях, происходило резкое падение сопротивления, а при токах выше 7-ми ампер, свойства проводимости воды не изменяются – выполняется Закон Ома. Описанное явление поясняется графиками.

Безусловно, при большом токе вырабатывается больше газа, ведь мы стремимся к большему количеству газа, но соотношение выхода газа к затраченной мощности резко падает, что снижает КПД установки.

Необходимо было создать такое устройство, которое бы «трясло» электролизную установку. На роль трясущего можно рассмотреть кандидатуру пенсионера — нигде не работает, сидит и трясёт, но он занимает определённый объём пространства, его надо кормить, лечить его старые косточки! Выйдет дороже! Поэтому необходимы технические средства.

На некоторых сайтах встречаются статьи о том, что трубки Мэйера имеют специальные пропилы для настройки в резонанс на звуковых частотах. Пропилы вы видите на рисунке.

Конечно, такой вариант использования звуковых колебаний возможен, но крепление трубок сделано так, что не позволяет трубкам вибрировать. Зная о том, что вода хорошо передает звуковые колебания, проще установить в ёмкости один, например – ультразвуковой резонатор и эффект достигнут. Мной использовался обыкновенный генератор прямоугольных импульсов на ТТЛ-микросхеме и ультразвуковой «пятак». Эксперимент с ультразвуковым резонатором показал незначительное увеличение количества выхода газа, при неизменной затрачиваемой мощности. Характеристика этого процесса показана на графике.

Здесь первый график – отношение объёма выходящего газа V, к электрической мощности P, от самой мощности, затрачиваемой на получение кислородно-водородной смеси без ультразвукового воздействия, а второй график — с ультразвуковым воздействием. Положительный эффект имеется, но не выразительный. На малой мощности (малом токе), ультразвуковое воздействие вообще не влияет на процесс электролиза, а на большой мощности производительность установки в некоторой степени повышается. В идеале, можно предположить, чем сильнее вибрация, тем выше будет график производительности, но для удаления пузырьков газа из межэлектродного пространства всё равно необходимо время.

Один из вариантов, позволяющих удалять пузырьки газа из межэлектродного пространства – обеспечить быструю циркуляцию воды, вымывающую пузырьки кислорода и водорода. Этот способ использует в своих реакторах товарищ Канарёв. А Мэйер, помимо других способов, конструкцию трубок своей мобильной установки сделал так, чтобы обеспечить наилучшую естественную циркуляцию воды и газов.

Обратившись к патентам Мэйера, я обратил внимание на то, что в патентах он значительное место отводит лазерной стимуляции. Мерцание светодиодов происходит на частоте, приблизительно равной 30 кГц. В качестве стимуляторов, используются мощные красные светодиоды, подобные тем, которые стоят в лазерных указках. Колупать лазерные указки – не дешёвое удовольствие, поэтому я этого делать не стал. Можно конечно повозиться со сверхъяркими светодиодами, но я до этого не дошёл. Если у Вас есть желание и возможности, попробуйте.

До красного светового диапазона я не дошёл, остановившись на СВЧ-частотах. Как я писал ранее, используется резонансная частота молекул воды. Это позволяет коротким маломощным импульсом с СВЧ-заполнением «встряхнуть» практически любой объём воды. Но поскольку непрерывное колебание на сверхвысоких частотах способно только нагревать молекулы воды (подобно квазинепрерывному колебанию микроволновой СВЧ-печи), а нам этого не надо, я применил короткий импульс. Старая конструкция показала неравномерный выход газа из разных пар трубок, поэтому пришлось переделывать конструкцию ячейки с выполнением премудростей техники СВЧ. Благодаря использованию короткого сверхвысокочастотного импульса, произошло значительное увеличение количества выхода газа, при неизменной затрачиваемой мощности.

Здесь первый график – зависимость отношения объёма выходящего газа V, к мощности P, от самой электрической мощности, затрачиваемой на получение кислородно-водородной смеси без дополнительного воздействия. Второй график – с ультразвуковым воздействием, а третий — с воздействием СВЧ-импульсом. Положительный эффект от стимуляции СВЧ-импульсами выразительнее, чем стимуляция ультразвуком. В ходе экспериментов при СВЧ-стимуляции, наблюдалось незначительное падение производительности на подводимой мощности около 16-ти Ватт, а потом снова наблюдался подъём производительности. Что это за падение, объяснить пока не могу, думал – ошибка измерения, но при повторных экспериментах и проводимых с использованием других приборов «падение» повторялось. Для точности, повторные измерения проводились с шагом тока в 0,2А, в диапазоне от 0,2А, до 2,4А. На конечном участке графика происходило резкое падение производительности. Правильнее сказать – ток повышался, а количество газа не увеличивалось. Предполагаю, что на больших токах, большое количество выделяемого газа препятствовало работе установки, поэтому при более больших токах, я экспериментировать не стал, нет смысла.

Если Вы посмотрите на последний график, то сможете сделать вывод: эта экспериментальная установка с полезной площадью электродов равной 180 см 2 (три пары трубок), способна при затрате 27 Ватт электрической мощности вырабатывать около 2,2 литров кислородно-водородной смеси в час. При указанной мощности и напряжении 12 вольт, ток потребления приблизительно будет равен 2,25 ампера. Отсюда следует, что для выработки 22 литров кислородно-водородной смеси в час, требуется 270 Вт электрической энергии, что при бортовом напряжении в 12 вольт соответствует току 22,5 ампер. При этом необходимо 30 пар трубок высотой около 10 сантиметров. Как видите, ток не малый, но он вполне «вписывается» в затраты энергии штатным генератором автомобиля. Можно и по другому: на 1 киловатт затраченной электрической мощности вырабатывается 81 литр газа, или с пересчётом на метры кубические – необходимо приблизительно 12,3 киловат*час. для выработки одного кубического метра кислородно-водородной смеси.

Если сравнивать с известными электролизными установками, например ИФТИ, затрачивающими 4…5 киловат*час на кубический нормированный метр водорода, то описанная в этой статье установка проигрывает в производительности, поскольку она затрачивает на кубический нормированный метр водорода 18,5 киловат*час. Поэтому из приведённых мной цифр делайте выводы сами.

Какой объем газа необходим для работы двигателя внутреннего сгорания, я пока не разбирался. Но то, что показывают на Ютюбе, мало соответствует действительности.

Электролиз воды – это хорошо известный для всех кто дружит с техникой процесс электролиза, у которого в качестве электролита используется вода.

Впрочем, необходимо отметить, что вода при электролизе присутствует всегда. Вначале рассмотрим, что же представляет из себя процесс электролиза в общем.

Электролиз

Электролиз – это электрохимический процесс, который осуществляется через размещение в электролите двух электродов и подключении к ним постоянного тока.

Электролитами называются жидкие проводники, которые относятся к проводникам второго типа. Под жидкими проводниками понимаются жидкости / растворы обладающие электропроводностью.

Для справки добавим, что сосуды, в которые наливаются электролиты, называются гальваническими ваннами.

В ходе процесса электролиза, ионы под воздействием электромагнитного поля, образуемого в электролите постоянным электрическим током, начинают движение к электродам. Ионы с положительным зарядом, в соответствии с законами физики, двигаются к электроду с отрицательным зарядом, который называется КАТОДОМ, а отрицательно заряженные ионы соответственно перемещаются к другому электроду, называемому АНОДОМ. Электролиз сопровождается выделением на электродах веществ, что указывает на движение в электролитах атомов. Например, как правило, металлы и водород выделяются на КАТОДЕ.

На прохождение процесса электролиза влияет несколько факторов:

• сила тока, подключаемого к электродам;
• потенциал ионов;
• состав электролита;
• материал, из которого изготовлены электроды — КАТОД и АНОД.

Электролиз воды

Как мы уже отмечали выше, электролиз воды подразумевает использование в качестве электролита воды.

Как правило, при электролизе воды, для лучшего прохождения процесса, в воду добавляют немного какого либо вещества, например пищевой соды, но не обязательно, поскольку обычная вода практически всегда уже содержит примеси.

В результате электролиза воды выделяются водород и кислород. Кислород будет выделяться на АНОДЕ, а водород на КАТОДЕ.

Применение электролиза воды

Технология электролиза воды применяется:

• в системах очистки воды от всевозможных примесей;
• для получения водорода. Водород же, например, используют в весьма перспективной отрасли — водородной энергетике. Про это мы более детально уже писали в нашем материале .

Как мы видим, электролиз воды, несмотря на кажущуюся свою простоту, применяется в весьма важных областях — в областях от которых зависит развитие и процветание всей нашей цивилизации.

Ф.Г.Лепехин - Электролиз воды. Рассматривается возможность осуществления энергетически выгодного способа получения водорода в низковольтном электролизе воды. При этом, расчетное количество тепла, которое можно получить после сгорания водорода может быть даже больше энергии, взятой из сети на проведение процесса получения водорода. В таком процессе водород становится не просто "топливом", а является на самом деле рабочим телом теплового насоса, т. к. энергия, необходимая для диссоциации молекул воды на водород и кислород получается за счет уменьшения внутренней энергии окружающей среды. А это энергия Солнца, накопленная Землей за миллионы лет своего существования. По человеческим меркам запасы ее безграничны. Показано, что такая возможность не противоречит никаким хорошо установленным законам физики, а, следовательно, может быть технически осуществлена.

1. Введение

Проблемы водородной энергетики в последние годы обсуждаются в СМИ, и на разных уровнях - от Президента США Д. Буша, до Президиума РАН. Есть автомобили и самолеты, использующие водород в качестве топлива. Чаще всего указывается на экологическую чистоту водорода как топлива - при сгорании образуется вода, из которой он, в принципе, может быть получен, и получается, в больших количествах в промышленных электролизерах. Конечно, его можно получать, например, из метана, но нужен метан, или другой газ, который горит и без добычи из него водорода. А в промышленных электролизерах затраты энергии на получение водорода в полтора - два раза больше, чем может быть получено тепла при сгорании этого водорода. Но электроэнергию, уже полученную при сгорании углеводородного топлива, можно превратить хоть в тепло, хоть в работу, а полученное при сгорании водорода тепло полностью ни в электроэнергию, ни в работу уже превратить невозможно. Получение водорода как топлива, а не как сырья химической промышленности для производства другого товара, экономически не выгодно. Дорого. В этом и состоит основная проблема использования водорода в качестве топлива. Нельзя сказать, что поиском ее решения не занимались. Но фактом является то, что она до сих пор не решена. Можно ли вообще ее найти, что этому мешает, и в каком направлении это решение надо искать, - все эти вопросы и будут рассматриваться в этой работе.

2. Физика и электрохимия

Так как предметом рассмотрения является электролиз воды, а открытие и основные его закономерности изучались в физике, то и начнем с физики. В фундаментальном "Курсе физики" О. Д. Хвольсона читаем: "Явление, которое происходит в электролите, введенном в замкнутую цепь, называется электролизом". Здесь же определяется что такое "электролит", "анион" и "катион". И далее, там же: "С внешней стороны анион и катион представляются продуктами разложения электролита, и притом разложения, произведенного током, проходящим через электролит". При электролизе некоторых кислот и щелочей выделяются кислород и водород. Мы видим, что "ток разлагает воду". Так и считали это как само собой разумеющееся и очевидное до второй половины 19 века.

Однако, в работах Клаузиуса (1857), Гельмгольца (1880) и Аррениуса (1894), был установлен механизм электролиза, созданы основы теории электролитической диссоциации, которые не устарели и сегодня. Уже Клаузус указал, что если исходить из того представления, что электрические силы "разлагают" электролит, преодолевая силу химического сродства, то для каждого химического соединения потребовалась бы некоторая определенная электрическая сила, чтобы преодолеть это сродство. "На деле же даже самая слабая электродвижущая сила вызывает электролиз во всяком электролите" - стр. 564, .

Главная заслуга Гельмгольца состоит в том, что он точно указал на роль электрического тока, выяснил, откуда берется та энергия, которая очевидно расходуется при электролизе, и которая численно равна энергии, выделяющейся при химическом соединении продуктов электролиза. При электролизе воды это энергия, выделяющееся при сгорании водорода и образовании воды. По Гельмгольцу разложение воды при электролизе осуществляется за счет внутренней энергии электролита, а вовсе не "ток разлагает воду". Именно на этом и основана идея использования водорода как рабочего тела теплового насоса при определенных условиях проведения электролиза воды. Но об этом подробнее чуть ниже, а пока обратимся к электрохимии.

Она определяет электролиз как "процесс восстановления или окисления веществ на электродах, сопровождаемый приобретением или потерей электронов частицами вещества в результате электрохимической реакции" (см. А. И. Левин ). А это существенно отличается от того, что под электролизом понимает физика. Если целью физики является познание законов Природы, то электрохимия решает задачу "интенсификации производства цветных, редких, благородных и рассеянных металлов" . В физике: "В цепи, в которую включен электролит, не может быть тока без электролиза, т. е. появления ионов на электродах, находящихся в соприкосновении с электролитом. Так, например, Освальд и Нернст (1889), показали, что при прохождении разряда лейденской банки, содержавшей всего 5*10 -6 кулонов, через раствор серной кислоты, получился на катоде пузырек водорода, размеры которого оказались вполне согласными с первым законом электролиза" . И далее, там же - "Решающее значение здесь имели опыты А. П. Соколова , которому удалось доказать существование поляризации при ЭДС, равных 0.001 вольта. Нет причин предполагать, что этим достигнут предел, ниже которого поляризация прекращается". А явление поляризации электродов, которое будет еще обсуждаться, возникает как следствие электролиза. Таким образом, в физике электролиз возникает при сколь угодно малом напряжении на электродах. Это и понятно - составляющая скорости хаотического движения ионов в электролите под действием электрического поля, после подачи напряжения на электроды, не квантуется. Она может измениться на бесконечно малую величину. Заметим, что в противоположность этому, энергия, необходимая, например, для диссоциации одной молекулы воды на кислород и водород (около 1.228 еВ), квантуется. Ее нельзя сообщить молекуле по частям, в одном, а потом в другом столкновении. Это надо сделать сразу, в одном неупругом взаимодействии.

А в электрохимии, где важен практический результат, например, под напряжением разложения при электролизе воды, понимают то напряжение, при котором на нейтральных электродах на катоде появляются пузырьки водорода. Это понятие, конечно, важно в практике, но оно сегодня "...не имеет определенного физического смысла" . Так как этот вопрос важен в практическом отношении при получении водорода при электролизе, то рассмотрим его подробнее.

3. Перенапряжение выделения водорода

Процессы, происходящие при прохождении тока через электролит, и в самом электролите, и на обоих электродах, очень сложны и многообразны. По этой причине результаты электролиза часто практически не воспроизводимы. Как только электролиз начался, и уже идет некоторое время, вернуться к первоначальному состоянию после его прекращения уже невозможно. И в электролите, и на электродах произойдут изменения, которые не восстановятся и после сколь угодно долгого ожидания. Да и начало электролиза не воспроизводимо - этот процесс зависит от материала и состояния поверхности электрода, наличия в нем незначительных примесей и т. д. Почти то же самое относится и к химическому составу электролита. Поэтому, даже, несмотря на то, что в связи с широким промышленным использованием электрохимических процессов исследования явления электролиза как его понимает электрохимия, велись, и ведутся многими специальными институтами, полной ясности понимания того, что же происходит при электролизе до сих пор нет. Все многочисленные детали электролиза находятся вне рамок фундаментальной науки. Частностями она не занимается.

Да что говорить об электролизе, когда и о воде мы не знаем всего. Так, "Существует точка зрения, согласно которой вода представляет собой смесь разного рода ассоциированных молекул, например, 8(Н 2 О), 4(Н 2 О)... и "простых" молекул Н 2 О." . Этим пытаются объяснить некоторые аномальные свойства воды. В этом свете наивны рассуждения о механизме движения ионов Н + или Н 3 О + в электролизе, о процессах в двойном слое между электродом и электролитом. Ясно, что он существует даже между газом и твердым телом, а между жидкостью и твердым телом тем более. Конечно, роль его в процессе электролиза велика. Но точное количественное описание этой роли вряд ли возможно, а может быть и не нужно. "Никчемно" с точки зрения фундаментальной науки, как сказал по другому поводу наш выдающийся теоретик Я. И. Френкель.

Конечно, есть скачок потенциала между электродом и электролитом и без всякого извне приложенного напряжения. А когда оно есть, и появляется даже слабый ток, и мы не видим выделения водорода на катоде, на электродах начинаются изменения в материале электрода, структуре его поверхности, составе электролита вблизи электрода. Все изменяется со временем, и обратно уже не возвращается. По хорошо известным законам физики, все процессы, которые начнутся в первые моменты после подачи напряжения на электроды, будут направлены против причин их вызвавших, т. е. против уже идущего процесса электролиза. Это принцип Ле Шателье. Начнутся сложные процессы поляризации электродов. Так мы описываем этот процесс противодействия процессу электролиза. Возникает ЭДС направленная против приложенного напряжения. Начавшийся процесс электролиза почти остановится. Чтобы он шел стационарно и с нужной нам скоростью, надо повысить внешнее напряжения. А это и есть "перенапряжение". Но его величина не связана с "потенциалом разложения" или "напряжением разложения" воды равном 1.228 вольт. Оно зависит от силы тока, от природы электродов, состояния их поверхности и т. д. Так, для вольфрама, при плотности тока 5 мA на кв. см. это 0.33 вольта .

Найти величину энергии, требуемую для разложения молекулы воды на водород и кислород, зная, сколько энергии выделяется при сгорании одного грамм-моля водорода не трудно. Но никакой доказательной силы того, что эта энергия тратится именно током, это не имеет. Если электролиз идет при напряжении на электродах больше чем 1.228 вольт, то это еще не означает, что именно ток расходует энергию 1.228 еВ на разрушение молекул воды. Да нигде, кроме как в неявном виде в , это и не утверждается. Но это ведь не научная, а "...производственно- техническая..." монография, как сказано в ее аннотации. Рассмотрим более детально, как же внутренняя энергия электролита расходуется им на разложение молекул воды на кислород и водород в процессе электролиза. Каков механизм этого явления.

4. Механизм диссоциации воды при электролизе

Вопрос о том, как же конкретно "ток разлагает воду", в каком элементарном акте это происходит, в электрохимии не рассматривается. А. И. Левин в , например, пишет: "Можно полагать, что на аноде будет протекать один из следующих процессов...", и далее приводятся три процесса, в которых нейтральная молекула воды отдает аноду 4, или 2 своих электрона, превращаясь в ион Н + и ОН - . Замечательно это "можно полагать". Но как нейтральная молекула, вдруг, отдает свои электроны. Ей ведь нужна за это "плата" - 1.228, 1.776 или 2.42 еВ в каждом из трех приведенных процессов. Причем сразу, а не по частям. Кто этой энергией вблизи анода располагает и может ее потратить на разрушение молекулы воды.

Далее А. И. Левин пишет: " ...наблюдаемая при электролизе... убыль воды в анолите указывает на протекание ее разложения. Это может происходить, по-видимому, по реакции
2Н 2 О - 4 е - = О 2 + 2Н + ." (1)

"По-видимому" - но как? Электрохимия на эти вопросы не отвечает. Да, собственно, она и не настаивает на том, что это в действительности именно так и происходит. А вот в физике все это имеется. У О. Д. Хвольсона читаем: "На аноде происходит реакция
SO 4 + H 2 O = H 2 SO 4 + O..." (2)

А нейтральный остаток серной кислоты получается из отрицательного иона, который нейтрализуется на аноде. Образовавшаяся молекула серной кислоты тут же распадается на ионы, восполняя их убыль на аноде и на катоде. По этому сценарию в "анолите" действительно концентрация молекул воды уменьшается. Вода разлагается. Но по другой реакции. Разряд отрицательных ионов SO 4 2- на аноде представляется вполне естественным. Правда, О. Д. Хвольсон перечисляет целый букет химических реакций, которые идут в электролите. Но нам то важна генеральная линия, а не детали.

А откуда же теперь берется эта минимальная энергия 1.228 еВ, которую все равно надо затратить в одном акте? Физика знает ответ и на этот вопрос. При нормальном давлении, и температуре 2000 градусов, без всякого электролиза, 0.081% всех молекул воды диссоциировано. При 5000 градусах распадается уже 95.4% всех молекул воды . Это происходит в актах неупругого взаимодействия двух нейтральных молекул воды. Такие процессы нам хорошо известны в физике частиц.

Вероятность реакции равна произведению этого фазового объема на матричный элемент. При отсутствии резонансов частиц в этой системе он обычно полагается единице. При возрастании энергии над порогом вероятность реакции резко возрастает - импульсная часть фазового объема растет как куб импульса в СЦИ системе. В нашем случае, чем больше энергия двух молекул воды в их СЦИ, т. е. чем больше относительные и абсолютные скорости сталкивающихся молекул, тем больше будет вероятность одной из них распасться на водород и кислород в акте неупругого столкновения двух частиц. Это и наблюдается при повышении температуры. Распределение скоростей молекул описывается распределением Максвелла. В нем всегда имеется "хвост" высокоэнергичных молекул. Именно они то и будут выбывать при "самораспаде" воды при любой температуре. Это же происходит и при электролизе в реакции (2). Выбывание из распределения по скоростям молекул с большими скоростями ведет к уменьшению средней скорости всех молекул. Средняя же скорость пропорциональна температуре. И при "самораспаде" молекул воды, и при электролизе воды, энергия на диссоциацию молекул воды получается за счет уменьшения внутренней энергии жидкости, т. е. за счет ее охлаждения в этих процессах.

Конечно, работа тока в электролите, как и во всяком проводнике, расходуется и на его нагревание. Ионы, приходя в ускоренное движение в направлении электрического поля, упруго взаимодействуют с нейтральными молекулами воды, и передают им часть своей энергии, нагревают электролит. Если это изменение внутренней энергии электролита за счет нагревания его током будет равно, или больше уменьшения внутренней энергии электролита израсходованной им на разложение молекул воды, то температура его будет постоянной, или он будет нагреваться. Это и происходит в промышленных электролизерах. Создается иллюзия "ток разлагает воду". Если на самом деле это не так, не "ток разлагает волу", и не величина "напряжения разложения" препятствует процессу электролиза при низком напряжении, когда электролит должен будет охлаждаться, то как это можно осуществить? Какие причины этому препятствуют на самом деле?

5. Тепловой насос

Самым интересным и результативным из всех, до сих пор попыток осуществления низковольтного электролиза, можно считать электоро-водородный генератор (ЭВГ) В. В. Студенникова .Его предложение основано на работе Р. Колли (1873) , который открыл новый источник ЭДС. Было показано, что если электроды в электролизере расположить не вертикально, на одной и той же высоте, когда ионы движутся горизонтально, а разнести их по высоте, то за счет разности масс положительного и отрицательного иона, движущихся теперь вверх и вниз в гравитационном поле Земли, возникнет ЭДС. Искусственное гравитационное поле, возникающее при вращении, дает эффект Толмена-Стьюарта . Ссылка на работу Р. Колли у них имеется. В патентах этот эффект используется в конструкции электролизеров с вращением электролита. Он запатентован в США в 1929 и 1964 годах. Количественное исследование эффекта снижения анодной и катодной разностей потенциалов, получаемое при вращении электролизера, опубликовано в .

Как утверждал В. В. Студенников, ему удалось получить "...интенсивное самоохлаждение раствора, обеспечивая условия для поглощения тепла из окружающей среды... т. е. работу в режиме... теплового насоса." К сожалению, это утверждение содержалось в сообщении, помещенном в интернете самим В. В. Студенниковым, но научная публикация его так и не появилась. Однако факт указания на возможность использования водорода как рабочего тела теплового насоса принадлежит В. В. Студенникову. Возможность получения более дешевого способа получения водорода как топлива выглядит в сравнении с этим довольно бледно. Конечно, процессы, идущие в ЭВГ может быть еще более сложны, чем в классической схеме электролиза. Представляется важным два факта. Во-первых, при вращении электролит постоянно трется об электроды, "обновляя" их. Это ведет к снижению ЭДС поляризации. А во- вторых, нет внешнего источника ЭДС. Электролиз идет за счет внутреннего падения напряжения источника ЭДС. А сопротивление электролита мало. Значит мало и падение напряжения. Отсюда и самоохлаждение электролита. К фатальному недостатку ЭВГ надо отнести очень дорогой способ генерации ЭДС за счет энергии гравитационного поля. Его никак нельзя сравнить с генерацией ЭДС при движении проводника в магнитном поле. По крайней мере, данных о том, что в ЭВГ ЭДС действительно не генерируется просто при вращении электролита в магнитном поле Земли, не имеется. Ну, а утверждение, что вдобавок к водороду, получается еще и источник постоянного напряжения во внешней цепи, выглядят совсем странно. Надо определиться - или мы получаем водород за счет охлаждения среды, или мы конструируем новую машину для производства электроэнергии.

6. Перспективы

Исследования в области водородной энергетики только в России ведут 20 институтов РАН. Некоторые из них занимаются этим уже 20 лет. Созданы топливные элементы, использующиеся в космических исследованиях. Но до широкого их производства и внедрения в наш быт, скорее всего дело не дойдет еще долго. Научная ценность вклада институтов РАН в этой области, мягко говоря, не велика. Основная проблема водородной энергетики, о которой говорилось во введении, ими не решается, и решена не будет. Нет заказчика. Усовершенствование промышленных электролизеров, использующих традиционный электролиз, также бесперспективно.

Остаются только нетрадиционные способы ее решения, которые являются уделом изобретателей одиночек. Но среди них есть не мало сомнительных, а часто и просто безграмотных, предложений и утверждений. Примером этого может служить "Вечная энергия Казакова" из Алма-Аты . Так пишет об этой работе корреспондент, который возможно, просто плохо понял работу Казакова. Казаков использует инфразвук, и утверждает, что при этом с огромной скоростью идет "самоэлектролиз воды". Это явление в физике неизвестно. За одну секунду получается 9 кубометров водорода, т. е. "самораспадается" на водород и кислород около 7 литров воды в секунду. Если это правда, то мощность установки 95 МвТ. Если в баке было около 200 литров воды, то через 2-3 секунды она должна была бы замерзнуть. Правда, автору не хватило всего то 100 тыс. долларов, чтобы выпустить промышленный образец и осчастливить человечество. Научные публикаций у такого рода умельцев по этой теме, как правило, отсутствуют. Часто они бранят консервативную "официальную науку". Проверки подобных заявителей всегда обнаруживают, что они по простоте душевной или по невежеству выдают желаемое за действительное.

Возможно, что из всего сказанного, только ЭВГ Студенникова может иметь некоторую перспективу, если он будет работать в тандеме с обычным компрессионным тепловым насосом. Тогда он будет утилизировать тепло окружающей среды обычным тепловым насосом и производить водород с общим для него, и для теплового насоса, коэффициентом преобразования даже чуть больше единицы. Но все это еще предстоит делать, и делать. Главное, что хотелось здесь показать - никаких препятствий принципиального характера, в том числе и в виде необходимости преодолевать "потенциал разложения воды" повышением приложенного к электродам напряжения, нет.

Литература

1. О. Д. Хвольсон, Курс физики, РСФСР, Госиздат, Берлин, 1923, т. 4.
2. А. И. Левин, Теоретические основы электрохимии, Гос. Научно-техн. Издат., Москва, 1963.
3. А. П. Соколов, ЖРФХО, т. 28, с. 129, 1896.
4. Физ. Энцикл. Слов., изд. "Советская Энциклопедия", Москва, 1960, т.1, с. 288.
5. Л. М. Якименко и др., Электролиз воды, изд. "химия", Москва, 1970.
6. Ячейка Стенли Мейера
7. ЭВГ Студенникова
8. Р. Колли, Журнал Русского Химического Общества и Физического Общества при Санкт- Петербургском Университете, т. 7, Часть Физическая, С-Петербург, 1873, с. 333.
9. R. C. Tolman, T. D. Stsward, Phys. Rev, 8, 97, 1916.
10. E. Thomson, U. S. Pat. 1, 701,346(1929).
11. T. B. Hoover, U. S. Pat. 3, 119, 759(1964).
12. H. Cheng at al., Jorn. Of the Electrochemical Society, 149(11), D172-D177(2002).

Обеззараживание воды прямым электролизом

Что такое прямой электролиз воды?

Прохождение электрического тока через обрабатываемую воду сопровождается серией электрохимических реакций, в результате которых в воде образуются новые вещества, и изменяется структура межмолекулярных взаимодействий. При прямом электролизе воды происходит синтез окислителей – кислорода, озона, перекиси водорода и др. Кроме этого в воде даже с очень низким содержанием хлоридов при прямом электролизе образуется остаточный хлор, что очень важно для пролонгированного эффекта обеззараживания воды.

Теория процесса электролиза воды

В упрощенном виде прямой электролиз воды состоит из нескольких процессов.

1) Электрохимический процесс .

В воде (H 2 O ) расположены параллельно две пластины (электроды): анод и катод. Напряжение постоянного тока, подаваемое на электроды, приводит к электролизу воды.

На аноде производится кислород : 2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e − (вода подкисляется).

На катоде образуется водород: 2H 2 O + 2e − → H 2 + 2OH − (вода подщелачивается).

Количество выделяющегося водорода незначительно и не является большой проблемой.

Использование специальных электродов позволяет производить из воды озон и перекись водорода.

На аноде производится озон : 3H 2 O → O 3 + 6e − + 6H + (вода подкисляется).

На катоде – перекись водорода : O 2 + 2H 2 O + 2e − → H 2 O 2 + 2OH − (вода подщелачивается).

Естественная пресная (не дистиллированная) вода всегда содержит минеральные соли – сульфаты, карбонаты, хлориды. В целях получения хлора для пролонгированного эффекта обеззараживания воды интересны только хлориды. В воде они представлены в основном хлоридом натрия (NaCl), хлоридом кальция (CaCl) и хлоридом калия (KCl).

На примере с хлоридом натрия реакция образования хлора электролизом будет следующей.

Соль, растворенная в воде: 2 NaCl + H 2 O → 2 Na + +2 Cl – + 2 H 2 O

Во время электролиза на аноде формируется хлор: 2 Cl – → Cl 2 +2 e – (вода подкисляется).

А у катода образуется гидроокись натрия: Na + + OH – → NaOH (вода подщелачивается).

Эта реакция является недолгой, поскольку любой хлор, произведенный у анода, быстро потребляется для формирования гипохлорита натрия : Cl 2 + 2 NaOH → H 2 + 2 NaOCl .

Подобные реакции электролиза происходят и с хлоридами кальция и калия.

Таким образом, в результате электролиза пресной воды генерируется смесь сильных окислителей: кислород + озон + перекись водорода + гипохлорит натрия .

2) Электромагнитный процесс .

Молекула воды представляет собой маленький диполь, содержащий положительный (со стороны водорода) и отрицательный (со стороны кислорода) заряды на полюсах. В электромагнитном поле водородная часть молекулы воды притягивается к катоду, а кислородная часть к аноду. Это приводит к ослаблению и даже разрыву водородных связей в молекуле воды. Ослабление водородных связей способствует образованию атомарного кислорода. Наличие в воде атомарного кислорода способствует уменьшению жесткости воды . В обычной воде всегда присутствует кальций. Ионы Са + окисляются атомарным кислородом: Са + + О → СаО. Окись кальция, соединяясь с водой, образует гидрат окиси кальция: СаО + Н 2 О → Са(ОН) 2 . Гидрат окиси кальция – сильное основание, хорошо растворимое в воде. Аналогичные процессы происходят и с другими элементами жесткости воды.

3) Процессы кавитации .

В результате электрохимического и электромагнитного процесса происходит образование микроскопических газовых пузырьков кислорода и водорода. Вблизи поверхности электродов появляется белесое облачко, состоящее из возникших пузырьков. Увлекаемые потоком воды, пузырьки смещаются в область, где скорость потока меньше, а давление выше, и происходит их схлопывание с большой скоростью.

Мгновенное схлопывание пузырька высвобождает огромную энергию, которая разрушает водную стенку пузырька, т.е. молекулы воды. Следствием разрушения молекулы воды является образование ионов водорода и кислорода, атомарных частиц водорода и кислорода, молекул водорода и кислорода, гидроксилов и других веществ.

Перечисленные процессы способствуют образованию основного окислителя – атомарного кислорода .

В чём уникальность прямого электролиза воды?

Обеззараживание воды прямым электролизом является разновидностью окислительной обработки воды, но кардинально отличается от распространенных методов обеззараживания тем, что окислители производятся из самой воды, а не вносятся извне и, выполнив свою функцию, переходят в прежнее состояние. Эффективность обеззараживания воды прямым электролизом в несколько раз выше по сравнению с химическими методами. Прямой электролиз воды способствует удалению цветности, сероводорода, аммония исходной воды. Для прямого электролиза не требуются дозирующие насосы и использование реагентов.

Хлор, необходимый для предотвращения вторичного бактериального загрязнения воды в распределительных сетях, активируется из естественных минеральных солей в воде, проходящей через электролизёр, и моментально растворяется в ней. Прямой электролиз разрушает хлорамины, преобразуя их в азот и соль.