Меню

Как разлагается вода под действием электрического тока

ЭЛЕКТРОЛИЗ ВОДЫ — КАК ОН ЕСТЬ

Еще раз про Н2О
К ак уже говорилось, впервые химический состав воды был определен французским химиком Лавуазье в 1784 году. Лавуазье вместе с военным инженером Мёнье, прогоняя пары воды над раскаленным листом железа, обнаружил, что вода разлагается, выделяя при этом водород и кислород. Да, конечно, для своего времени, для эпохи «упорядочения вещей», эти выводы имели большое значение. В самом деле, ведь до этого открытия вода считалась совершенно однородным веществом. Нельзя, однако, не отметить и другого: открытие это сыграло и свою вполне очевидную отрицательную роль, так как надолго отвлекло внимание других ученых от поисков в этой области и утвердило в умах многих поколений непогрешимость данного вывода, освященного к тому же авторитетом ученого.
Но, что условия, при которых он проводился, были настолько несовершенны, были «грязны».
Чего стоит одно только наличие железа, над которым пропускались пары воды. Оно способно внести такие моменты в опыт, которые даже трудно учесть наперед. Лавуазье с партнером зафиксировали в своем опыте то, что было наиболее очевидным: выделение двух газов — водорода и кислорода, а что было сверх того, на это они и вовсе не обратили внимание, скорее всего по той причине, что это «сверх того» не было столь очевидным, как выделение двух газов.
Поскольку до этого открытия общим мнением, господствовавшим в науке, было мнение, что вода яв­ляется однородным веществом, факт открытия ее не­однородного состава можно назвать революцион­ным. Чего еще можно было требовать от первооткры­вателей! К тому же очевидность результатов опыта была слишком подкупающей.
Старый взгляд на воду был отброшен и заменен новым представлением о во­де как соединении двух элементов — водорода и кис­лорода, которое быстро утвердилось в науке. Этому способствовало в значительной мере развитие элект­рохимии.

ЭЛЕКТРОЛИЗ по Дэви
Р ядом ученых (Никольсон, Кавендиш и др.) был проведен опыт по электрохимическому разложению воды (подобное оп­ределение данного процесса совершенно ошибочно). Под словом «разложение» надо понимать электролиз воды как сложный окис­лительно-восстановительный процесс, но отнюдь не как простое разложение воды на составляющие эле­менты.
Итак, при разложении, т.е. электролизе воды вы­делялись водород и кислород, что, казалось бы, внешним образом подтверждало вывод Лавуазье. Однако при этом «черный ящик» стал неожиданно выдавать дополнительную информацию, которой прежде не было. В процессе электролиза обнаружи­лось два странных явления: во-первых, обе состав­ные части воды выделялись не вместе, а отдельно друг от друга — кислород у одного электрода, водо­род — у другого; во-вторых, наблюдалось образова­ние кислоты у кислородного полюса и щелочи у во­дородного. Это «странное» разложение воды озада чило ученых; притом их больше беспокоила вторая «странность», т.е. появление кислоты и щелочи.

Не видя каких-либо явных источников появле­ния в опытах азота, Дэви предположил, что образо­вание азотной кислоты было обязано соединению водорода и кислорода в момент их выделения с азо­том воздуха, растворенным в воде. Для подтвержде­ния своей догадки, он проделал тот же опыт под ко­локолом воздушного насоса, из которого он выкачал воздух (как он пи ш ет сам: осталась лишь 1/64 его первоначального объема). В итоге получились сле­дующие обнадеживающие для него результаты: в ка­тодном сосуде вода вовсе не обнаруживала присут­ствия щелочи, в анодном сосуде лакмусовая бумаж­ка слабо окрасилась в красный цвет, что свидетель­ствовало об образовании там небольшого количест­ва кислоты. Казалось, его догадка подтверждалась. Чтобы уже окончательно убедиться в своей правоте, Дэви еще раз повторил свой опыт под колоколом, но теперь уже в атмосфере чистого водорода. При этом для большей чистоты опыта он дважды на­полнял колокол водородом, чтобы удалить всякие остатки воздуха. Итоги опыта превзошли все ожида­ния: ни в одном из сосудов не было обнаружено да­же следов щелочи и кислоты. Эти опыты не остави­ли у Дэви никаких сомнений в том, что образование кислоты и щелочи у электродов — явление случай­ное и не связано с химическим составом воды, а обя­зано лишь присутствию воздуха, в котором, как изве­стно, содержится азот. Они убедили не только Дэви, но и многие поколения химиков после него. После этих опытов было уже как бы неприлично возвра­щаться вновь к вопросу о химическом составе воды — всем все стало ясно.

Вода «под пыткой» у Дэви
А действительно ли в опытах Дэви все было так безу­коризненно чисто и хорошо? Рассмотрим опыт Дэви по элек­тролизу воды под колоколом воздушного насоса. По­чему в этом опыте образовалось лишь небольшое ко­личество кислоты в анодном сосуде и не было вовсе обнаружено щелочи в сосуде катодном? Действи­тельно ли, как думал Дэви, это было связано с отсут­ствием воздуха, выкачанного из-под колокола? От­части да, но совершенно в другом смысле, нежели он предполагал. Начать с того, что Дэви допустил серь­езную ошибку в своем первоначальном предположе­нии, что причиной образования кислоты и щелочи являлся азот воздуха. Образование кислоты и щело­чи к азоту воздуха никакого отношения иметь не могло по той простой причине, что азот в обычных условиях химически не активен, не растворяется в воде и не вступает в реакции ни с кислородом, ни с водородом. Один этот факт должен был бы на­толкнуть на поиски иных источников образования кислоты и щелочи. Позже, правда, высказывалось предположение, что образование кислоты и щелочи в опытах было, возможно, вызвано присутствием в воздухе некоторого количества аммонийных солей. Этим объяснением и удовлетворились. Однако вряд ли можно всерьез принимать данное объяснение, так как, во-первых, оно было сделано постфактум и, во- вторых, даже если бы какое-то количество таких со­лей и впрямь присутствовало, то оно настолько должно было быть мало, что не могло оказывать по­стоянного и закономерного образования кислоты и щелочи в каждом опыте, количество которых стоя­ло, как говорилось, лишь в прямой зависимости от продолжительности проводимых опытов.

Читайте также:  Ср8 сила тока напряжение сопротивление закон ома для участка цепи

Итак, множество фактов биологического, химиче­ского и физического свойства не дает оснований при­знать существующую формулу воды верной. Против нее говорят не только эмпирические факты, но и тео­ретические положения и, прежде всего, те, которые вытекают из таких фундаментальных положений, ка­ковыми являются начала термодинамики . Именно с ними совершенно не согласуется взгляд на электро­лиз воды как на процесс простого разложения воды.

Источник

Как происходит процесс разложения воды электрическим током

Чистая, дистиллированная вода почти совершенно не проводит электрического тока.

Она обладает огромным сопротивлением. Например, сопротивление кубического сантиметра дважды перегнанной воды равно сопротивлению медной проволоки сечением в квадратный миллиметр, длина которой равна примерно 200 тысячам километров. Таким количеством проволоки можно больше чем 20 раз соединить между собой Москву и Владивосток. Для электролиза дистиллированная вода не годится. Нужна такая вода, которая бы хорошо проводила электрический ток, то есть была бы электропроводной.

Чтобы сделать воду электропроводной, в ней нужно растворить какую-нибудь соль, кислоту или основание, которые дают ионы.

Большинство химических соединений, растворяясь в воде, распадаются на части, которые приобретают при этом тот или иной заряд. Образующиеся заряженные частицы называются ионами, а разложение вещества на ионы — электролитической диссоциацией.

Обыкновенная поваренная соль (NaCl) при растворении в воде распадается на ион натрия (Na + ), заряженный положительно, и ион хлора (Сl — ), заряженный отрицательно. Ионы натрия и хлора, имеющие только по одному заряду, называются одновалентными ионами. Ионы, которые имеют два или три заряда, называются двух- или трехвалентными. В качестве примера двухвалентного иона можно привести ион кальция (Са). Хлористый кальций (СаСl2), диссоциируя на ионы, дает два одновалентных отрицательных иона хлора (2Сl) и один двухвалентный ион кальция (Са), заряженный положительно. Треххлористое железо (FeCl3) при диссоциации на ионы дает три одновалентных отрицательных иона хлора (3Сl — ) и один трехвалентный положительный ион железа (Fe +++ ).

Итак, при электролитической диссоциации соли образуются отрицательно заряженные ионы, которые называются анионами, и положительно заряженные ионы — катионы.

Кислоты при диссоциации образуют положительно заряженный ион водорода и отрицательно заряженный кислотный остаток. Серная кислота (H2SO4) распадается на два положительно заряженных иона водорода (2Н + ) и кислотный остаток — анион (SO4 — ), обладающий двумя отрицательными зарядами.

Щелочи при диссоциации образуют положительный ион металла и отрицательный ион гидроксила. Положительные и отрицательные ионы, образующиеся при растворении в воде солей, кислот и оснований, переносят через раствор электрический ток.

Если в раствор, содержащий ионы, поместить две металлические пластинки и подключить к ним постоянный ток от аккумулятора, то положительные ионы — катионы — сразу же начнут передвигаться к отрицательному электроду, который называется катодом, а отрицательные ионы — анионы — направятся к положительному полюсу — аноду. Находящиеся у электрода анионы отдадут ему свои отрицательные заряды — электроны (е) — и разрядятся. В то же самое время разрядятся и катионы, получив электроны от своего электрода. Их места тут же занимают новые ионы, и через раствор начинает проходить электрический ток. Чем больше ионов в растворе, тем лучше через него будет проходить электрический ток и тем больше электропроводность такого раствора.

Чтобы получить много ионов, недостаточно растворить много вещества. Необходимо, чтобы взятая соль, кислота или основание хорошо распадались на ионы, то есть хорошо диссоциировали. Имеются такие химические соединения, которые диссоциируют очень хорошо, и почти все молекулы растворенного вещества распадаются на ионы. Но есть и такие, которые диссоциируют плохо: только очень незначительная часть всех растворенных молекул распадается на ионы, а остальные остаются в виде недиссоциированных молекул.

Отношение числа распавшихся молекул к общему числу растворенных молекул называется степенью диссоциации. Чем меньше степень диссоциации, тем хуже электропроводность раствора.

К соединениям, обладающим плохой электропроводностью, относится дистиллированная вода. Подсчитано, что из 10 миллионов молекул воды на ионы распадается только одна молекула, образуя один положительно заряженный ион водорода (Н + ) и один отрицательно заряженный ион гидроксила (ОН — ). Понятно, что при такой малой диссоциации электропроводность дистиллированной воды должна быть совершенно ничтожной и она не может быть использована для электролиза. Вот почему для получения из воды кислорода необходимо иметь подкисленную или подщелоченную воду.

Прохождение электрического тока через раствор: 1 — катод; 2 — анод; 3 — положительно заряженные ионы — катионы; 4 — отрицательно заряженные ионы — анионы.

Нам уже известно, что кислота в воде диссоциирует на ионы водорода и кислотный остаток, а щелочь — на ионы металла и ионы гидроксила. Естественно было бы ожидать, что в растворе, подкисленном серной кислотой, на катоде будут разряжаться ионы водорода, а на аноде — ионы SO4 — . Ионы водорода, разрядившись, перейдут в атомы, которые, соединяясь попарно, дадут молекулу водорода, а ионы SO4 — , отдав свой заряд электроду, перейдут в раствор в виде незаряженного кислотного остатка — радикала SO4. Соединяясь с водой, этот радикал образует серную кислоту и кислород.

Можно было бы ожидать, что в щелочных растворах ионы натрия (Na + (e) → Na) разрядятся на катоде, переходя в атомы натрия, которые, соединяясь с водой, дадут щелочь и водород (2Na + 2H2O → 2NaOH + H2). На аноде ионы гидроксила, потеряв свои электроны, соединятся попарно, образуя из радикалов воду, освобождая кислород (4OH — — 4(e) → 2H2O + O2).

Однако в действительности в кислых и щелочных растворах процесс образования кислорода и водорода происходит иначе.

Несмотря на то, что в щелочных растворах имеется очень много ионов натрия и мало ионов водорода, на катоде в первую очередь разряжаются ионы водорода.

Читайте также:  Меня бьет током от любых предметов

В растворах, подкисленных серной кислотой, на аноде прежде всего разряжаются ионы гидроксила, полученные за счет диссоциации воды, а не ионы SO4 — , которых неизмеримо больше. Это объясняется тем, что разряд ионов водорода или гидроксила происходит легче, чем ионов натрия или SO4 — . Поэтому в щелочных растворах, которые обычно применяются для электролиза воды, на катоде разряжаются главным образом ионы водорода, а на аноде — ионы гидроксила. Как только эти ионы разрядятся, немедленно образуются новые ионы за счет диссоциации молекул воды.

Таким образом, при электролитическом получении кислорода и водорода расходуется только вода. Литр воды дает примерно 1360 литров водорода и 680 литров кислорода.

Электролиз воды: 1 — банка с электролитом; 2 — катод, на котором выделяется водород; 3 — анод, на котором выделяется кислород; 4 — трубка для отвода газов; 5 — чашечка с водой.

Под руководством учителя и соблюдая меры предосторожности, можно сделать опыт, показывающий, как разлагается вода.

Возьмите банку с широким горлом и наполните ее на две трети 20-процентным водным раствором щелочи. Плотно закройте банку пробкой, в которую вставлены две никелевые проволочки с небольшими пластинками на концах — электродами. В середину пробки вставьте коротким концом загнутую стеклянную трубку, через которую будут выходить газы. Второй, длинный конец трубки опустите в чашку с водой, чтобы в нее во время опыта не попадал воздух. Подключите к верхним концам электродов постоянный ток от двухвольтового аккумулятора. На электродах под раствором сразу же появятся пузырьки газа. Это кислород и водород, которые, смешиваясь, образуют гремучий газ.

Вспомним свойство этой смеси газов. Если ее поджечь, она легко взрывается.

Поэтому подходить с огнем к банке опасно.

Чтобы убедиться, что в банке образовались кислород и водород, пропустите сначала немного газа через чашечку с чистой водой, а затем поставьте вместо нее чашечку с мыльной водой.

Образуются мыльные пузыри, наполненные гремучим газом. Раздастся легкий взрыв.

В пузыре была гремучая смесь — смесь одного объема кислорода с двумя объемами водорода.

Мы пока только разложили воду, но не разделили образовавшиеся газы и не получили кислорода.

Источник: В. Медведовский. Кислород. Государственное Издательство Детской литературы Министерства Просвещения РСФСР. Ленинград. Москва. 1953

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Источник

Разложение воды электричеством

56. Разложение воды электричеством

Прибор для разложения воды состоит из трёх колб, две из которых – закрытые, а одна – открытая. Все три колбы заполнены водой и сообщаются между собой в нижней части.

В закрытых колбах размещены электроды. Один из них соединён с отрицательной клеммой внешнего источника электрического тока и называется катодом, а другой соединён с положительной клеммой и называется анодом.

Внешний электрический источник нагнетает электроны на катод и создаёт на нём избыточное электрическое давление. С анода источник электроны отбирает, и там – пониженное электронное давление.

Постепенно повышенное давление электронов катода распространяется на всю катодную колбу, а пониженное распространяется на всю анодную колбу.

И только в направлении от катода в сторону анода электронное давление будет плавно уменьшаться от катодного до анодного. В этом направлении в воде образуется, своего рода, канал с таким плавно изменяющимся электронным давлением.

Сразу скажем, что в процессе разложения воды в катодной колбе собирается водород, а в анодной – кислород.

Прежде чем рассматривать физику разложения, ещё раз представим себе молекулу воды. Она состоит из атома кислорода и примкнувшей к нему молекулы водорода: O(Hm. У атома кислорода контурного жёлоба нет, и поэтому он сам и молекула воды, которую он образует, электрический ток не проводят. Контурный жёлоб есть только у молекулы водорода, но эта молекула располагается с одной стороны атома кислорода и охватывается его стволом.

Разложение молекул воды начинается на катоде.

Под напором избыточного давления электроны переходят с катода на те молекулы воды, которые примыкают к нему своей водородной стороной. При достижении порогового значения избыточного давления электроны, как клин, отделяют в каждой такой молекуле воды молекулу водорода от атома кислорода.

Отрыв происходит так резко, что атом кислорода разворачивается и своим теперь уже открытым жёлобом оказывается направленным в противоположную сторону от катода.

На его открытом жёлобе будет уже повышенное давление электронов.

Среди примыкавших к оторванным атомам кислорода молекул воды окажутся и те, которые будут повёрнуты к ним своими водородными сторонами.

С ними произойдёт то же самое, что и с теми, которые примыкали к катоду, тоесть при пороговом избыточном давлении электроны, как клин, отделят в них молекулы водорода от атомов кислорода.

При этом часть электронов с предыдущего атома кислорода переместится на вновь разорванную молекулу воды.

В этот момент каждая оторванная молекула водорода оказывается между двух атомов кислорода и прилипает к тому из них, в сторону которого она получила толчок во время отрыва.

Таким образом молекула водорода перескакивает с одного атома кислорода на другой в сторону катода.

Если мы начнём рассматривать процесс дальше, то заметим, что и все другие оторванные молекулы водорода будут перескакивать с атома на атом кислорода в сторону катода. Такой процесс будет продолжаться на всём протяжении канала от катода до анода.

Это произойдёт и с теми молекулами воды, которые примыкают к аноду. Электронные клинья оторвут от них молекулы водорода, и те, сорвавшись, уйдут в направлении к катоду.

С освободившихся атомов кислорода избыточные электроны перейдут на анод.

Как видим, на всём протяжении канала от катода до анода молекулы водорода перепрыгивают с одной молекулы воды на другую в сторону катода.

В результате на катоде появляются свободные молекулы водорода, а на аноде – свободные атомы кислорода.

Читайте также:  Мощность двигателя 75 квт рабочие токи

Собираясь в пузырьки, они поднимаются вверх и скапливаются над водой. Атомы кислорода при этом объединяются в молекулярные пары O2.

Так как электроны перескакивают только на те молекулы воды, которые повёрнуты к ним своими водородными сторонами, можно подумать, что прочие молекулы воды распадаться не будут. Но учитывая то, что в процессе разложения происходят интенсивные движения частиц, затрагиваемые ими молекулы воды будут случайным образом разворачиваться и принимать подходящие положения.

Итак, в процессе электрического разложения воды происходят два вида перескоков с молекулы на молекулу:

  • электроны перескакивают в направлении от катода к аноду;
  • молекулы водорода перескакивают в направлении от анода к катоду.

Источник



Электролиз воды

Электролиз воды и водных растворов

Электролиз воды

Электролиз воды это процесс разложение воды электрическим током используют различные электролизеры, например аппарат Гофмана и др. Раньше они входили в состав оборудования школьных кабинетов химии. Но эти приборы с платиновыми и серебряными электродами дорогие, хрупкие и недолговечные.

Электроды из благородных металлов заменили свинцовыми и никелевыми. Приборы стали прочнее, но имели существенный недостаток— образование вторичных продуктов электролиза.

Было предложено много самодельных приборов для электролиза воды . Материалом для электродов служило железо, а электролитом был раствор щелочи. В таких самодельных приборах можно получить водород и кислород в объемных отношениях приблизительно как 2: 1.

Термическое разложение воды

В то время как электролиз воды проходит при обыкновенной температуре, термическое разложение воды требует нагревания до очень высокой температуры (выше 1000 °С), что свидетельст вует о прочности этого соединения.

Так, пары воды частично разлагаются на водород и кислород при сильном нагревании платиновой спирали, которую можно заменить спиралью из других тугоплавких металлов (например, вольфрама).

Установка для термического разложения (диссоциации) воды изображена на рисунке 2.

Разложение воды

Меры предосторожности. Перед раскаливанием спирали необходимо удалить из установки воздух, для чего воду в колбе кипятят. Провода подключают к источнику электрического тока (через ВС-24М или В-24). Цилиндр с собранной гремучей смесью обертывают полотенцем и подносят к пламени.

Электролиз водных растворов солей

Прибор для электролиза растворов солей (рис. Б) представляет собой дугообразную трубку с двумя отростками для отвода образующихся газов, например хлора и водорода при электролизе раствора хлорида натрия. Электроды—угольные (графитовые) стержни.

Рис. 2 — А. Установка для термического разложе ния воды.

Рис. 2 — Б. Прибор для электролиза растворов солей.

Опыты по электролизу воды и водных растворов солей можно осуществить в приборе для опытов по химии с электрическим то .

Для демонстрации электролиза воды в электролизер наливают дистиллированную воду так, чтобы уровень ее на 2— 3 см был выше электродов. В качестве электролита используют 10 %-ный раствор гидроксида натрия. В две демонстрационные пробирки (ПХ-21) также наливают дистиллированную воду с добавлением электролита.

Пробирки поочередно закрывают пробкой с держателем, опрокидывают вверх дном в электролизер; открывают под водой пробку и надевают пробирки на электроды. Прибор подключают к источнику постоянного тока с напряжением 40 В (ИЭПП-1 или ИЭПП 2) при условии, что контакт экспериментатора с электролитом исключен.

Для этого в старых образцах набора следует сделать к электролизеру крышку (из картона, дерева, пластмассы) с отверстиями для пробирок. В противном случае нельзя пользоваться электрическим током с напряжением свыше 12 В.

Аналогично проводят опыт по электролизу водного раствора иодида калия. Электролизер и демонстрационные пробирки заполняют раствором иодида калия. В одну из пробирок, которую надевают на катод, добавляют 1— 2 капли фенолфталеина, а во вторую — 2—3 капли крахмального клейстера.

Подключают прибор к источнику постоянного тока и через 1 —2 мин (U 40В) наблюдают малиновое окрашивание в катодном пространстве (в пробирке с фенолфталеином) и синее — в анодном (в пробирке с крахмалом). Практическое значение имеет электролиз раствора хлорида натрия, дающий три важных продукта: гидроксид натрия, хлор и водород. Из последних двух продуктов может быть получена синтетическая соляная кислота.

Электролиз хлорида натрия

Лабораторные установки для электролиза раствора хлорида натрия рассматриваются в руководствах по химическому эксперименту. Одна из таких установок была предложена М. В. Федякиным (журнал «Химия в школе», 1964, № 5). Она состоит из стеклянной трубки ( 30 мм), закрытой двумя резиновыми пробками.

В прибор через воронку наливают насыщенный раствор хлорида натрия до уровня, показанного на рисунке. Установку подключают к источнику постоянного тока напряжением 15—20 В,

При электролизе на катоде 4 выделяется водород, который собирают над трубкой 6 в пробирку и испытывают на горючесть.

Выделяющийся на аноде хлор выводится по газоотводной трубке в сосуд с иодокрахмальным раствором (на рисунке не показано). Сливают в отдельные стаканы жидкость из анодного про странства и катодного пространства, а в третий стакан — исходный раствор хлорида натрия. Во все три стакана прибавляют раствор лакмуса (фиолетового цвета). Исходный раствор показывает нейтральную реакцию, жидкость при катоде — щелочную, а при аноде —разрушает лакмус (действие растворенного хлора).

Установка для электролиза солей

Установку для электролизера растворов солей (а также воды) можно собрать из специальных деталей набора НДПХ. В качестве электролизера используют Н-образную трубку-реактор 1 ( с кранами 2 и 4), в которую вставляют две пробки с электродами: железным и угольным.

В колбу при закрытом зажиме наливают прозрачный насыщенный раствор хлорида нат рия, заготовленный заранее. К клеммам электродов присоединяют проводники от источника постоянного тока ВС-24М (В-24). Напряжение тока 25—30 В, сила тока 4 А. Через 2—3 мин колбу поднимают на демонстрационный столик.

Водород собирают в пробирку, открывают кран и доказывают наличие газа. В пробирку над краном помещают иодокрахмальную бумажку , с помощью которой доказывают наличие хлора.

Получившийся раствор щелочи берут из электролизера в пробирку через тройник с зажимом . Проводят испытание раствора щелочи фенолфталеином.

Статья на тему Электролиз воды

Источник