Иван Пейчев*, инж. Катя Караушева*,
инж. Иван Иванов*, Проф. Аспарух Петракиев**
*Професионална
гимназия по електротехника и електроника
”Константин Фотинов”- Бургас
** Университет “Проф.
д-р Асен Златаров”-Бургас
СЪЩНОСТ НА ЕЛЕКТРОЛИТНАТА ДИСОЦИАЦИЯ
Същността на
електролизата се състои в това, че при пропускането на електричен ток през
разтвор или стопилка на електролити, за сметка на електричната енергия, върху
електродите се извършват химични процеси. Повечето от течностите в чисто
състояние не провеждат или слабо провеждат електрически ток. Ако обаче във вода
или някоя друга течност се разтвори дори незначително количество сол, киселина
или основа, разтворът провежда електрически ток, като силата му нараства в
известна граница с увеличаване на концентрацията на разтвора.
В случая на
воден разтвор на NaCl,
протичането на електричен ток е свързано с дисоциирането на молекулите в йони,
които представляват атоми или атомни групи, носещи електрически товари. При
дисоцииране частите, загубили един или повече електрони, се превръщат в
положителни йони, а останалите части от молекулите придобиват съответно един
или повече електрони и се превръщат в отрицателни йони. В разтвора те се
намират в хаотично топлинно движение и под действие на електростатични
взаимодействия някои от йоните могат да се свържат в неутрални молекули , т.е.
да молизират, а други молекули дисоциират и в разтвора настъпва динамично
равновесие. Но, ако в електролита се приложи външно електрично поле, освен
хаотичното движение, йоните извършват и насочено, което представлява
електрически ток в електролита. Следователно протичането на електрически ток
през електролит се дължи на пренасяне на електрически товари от йоните,
вследствие на което електролитите притежават електролитна и йонна проводимост.
От особено
значение е изборът на материал за електроди. Потенциалната разлика,
възникналана на границата метал-електролит, определя електродния потенциал на
метала. Потенциалът на даден метал зависи от природата на разтворителя. За
определяне на електродни потенциали на металите се приема т.нар. стандартен
водороден електрод, чийто потенциал условно се приема за нула. Според данните
посочени в табл.22/ стр.98 - [1], за
електрод Fe2+/Fe, за елкртродната реакция Fe2++2e=Fe, нормалният
електроден потенциал е φо= - 0,4402 V. Характерно е, че при добавяне на външен
енергиен източник, електродният потенциал става неравновесен и в случая става
още по-отрицателен. Важно свойство на електроотрицателните метали е, че отделят
водород от разтвори, съдържащи водородни катиони.
При електрод
от неметал, например графит- С, нормалният
електроден потенциал е -2,5 V, т.е. той е също
електроотрицателен.
За да се
прецени при електролизата на даден електролит какви продукти ще се отделят на
катода и анода, е необходимо да се знаят равновесните потенциали на всички
участващи йони и поляризационните криви (характеристики изразяващи зависимостта
между съответния ток и потенциал на йона).
Водният разтвор
на NaCl съдържа два
вида положителни (Na+ и H+) и два вида отрицателни (OH- и Cl-) йони. При
пропускане на постоянен ток през разтвора към катода се отправят Na+ и Н+, обаче само Н+ се електронеутрализират.
Причина за това е силно отрицателният потенциал на натрия, който не може да се
достигне при използваните стойности на тока. Ролята на натриевите йони се
състои само в поддържане на необходимата електропроводимост на разтвора. По
същия начин би трябвало да влияят и
движещите се към катода Н+, обаче тяхната концентрация е
незначителна. Изобщо източник на Н+, участващи в катодния процес, е
не толкова транспортът им от дълбочината на разтвора, а електролитната
дисоциация на водата. Електронеутрализирането на Н+ нарушава
равновесието Н2О↔Н++ОН- в католита, вследствие
на което нови молекули вода се
дисоциират електролитно. Отделянето на водород
на катода е съпроводено с увеличаване на концентрацията на Na+ и ОН- и той има алкална
реакция.
При
електролизата с твърди инертни електроди, на катода се извършва реакцията,
която изисква най-положителен потенциал, а на анода- реакцията, за която е
необходим най-малък положителен потенциал.
Характерно е,
че електролиза не настъпва при всяко напрежение на електродите, а при точно
определено наречено разложителен потенциал.
В резултат на
извършващите се катодни и анодни реакции, под действието на електричния ток, се
изменя концентрацията, следователно и активнотта на участващите компоненти в
близост до електродите. Това води до отместване на потенциалите от равновесните
им стойности. В конкретния случай това отместване се нарича водородно
свръхнапрежение. Според теорията на забавената рекомбинация на водородните
атоми, най-бавният етап от катодното отделяне на водорода е рекомбинацията на
адсорбирани от електрода водородни атоми до негови молекули.
В
действителност отделянето на водород се извършва на три етапа:
·
Транспорт на хидроксониевите йони и водните
молекули от дълбочината на електролита към повърхността на електрода;
·
Катодна редукция на хидроксониевите йони или
молекулите вода до атомен водород, адсорбиран на електрода;
·
Непрекъснато отвеждане на водорода от
електродната повърхност;
В последния етап молекулния
водород преминава от граничещия с електрода слой на електролита в газова фаза.
По първи закон
на Фарадей, би могло да се направи количествена оценка на отделеното вещество
на катода:
m=kE.q=kE.I.t, където:
m- количеството вещество в грамове, което е
реагирало на електрода;
q- количеството
електричество, протекло през електролита; то е равно на произведението на тока I и времето t;
kE- коефициент на
пропорционалност (количеството вещество в грамове, което е окислено на анода
или редуцирано на катода в резултат на протичането на единица количество
електричество)- електрохимичен еквивалент.
ПРЕДПОСТАВКИ ЗА ПРОВЕЖДАНЕ НА ЕКСПЕРИМЕНТ
Втората
половина на 20 век, преминава в активно налагане на алтернативните енергийни
източници, с оглед на влошаващите се екологични условия и перспективите за
изчерпаемост на традиционните източници- нефт, земен газ, въглища. Свидетели
сме, че картелното разпределяне на добива и разпределението на тези блага
доведе дори до войни. Интересно е, че повечето от теориите за алтернативните
енергии са известни от началото на 19 век, но ниският им КПД, усложненият добив
или недобре развитите технологични предпоставки са били причина те да останат в
застой дълго време. Факт е, че тласък на разработването на водородни генератори
дава не кой да е, а българският учен Илия Вълков (Юл Браун) и неговият
сътрудник Стефан Маринов. И двамата са известни български физици работили по
субективни причини в чуждестранни лаборатории. По непотвърдени данни край на
професионалния и жизненият им път поставят отново тези бизнес интереси.
Продажбата на патента за водороден генератор е довел до изключителен ръст и
конкуренция в производството им. Неслучайно водещи автомобилни фирми, като
Мерцедес и Ферари отделят инвестици за разработки на автомобили с водородни
клетки. Също така съблазнителна е идеята домакинствата да разполагат с
автономен, неизчерпаем и екологично чист топлинен източник.
Остава
въпросът откъде ще дойде необходимата електрическа енергия за предизвикване на
електролиза във вода и съответно добиването на водород. Отговор е –
използването на друг неизчерпаем източник- слънчевата енергия. Напредъкът във
фотоволтаичните технологии, позволява да се конструират по-миниатюрни и с
по-голям КПД панели, които да призвеждат електрическа енергия, достатъчна да
достигне разложителния потенциал, необходим за предизвикване на дисоциация.
Интересен
експеримент в часовете по физика е реализирането на дисоциация на вода и добив
на незначително количество водород, чрез използване на фотоволтаичен елемент.
Експериментът е провокиран от публикуваните в интернет клипове на саморъчно
напарвени водородни генератори използвани за различни цели.
ЕКСПЕРИМЕНТАЛНА ЧАСТ
Направени
бяха четири експеримента включващи различни електроди и различни
постояннотокови източници. Условията за провеждане на електролиза са едни
исъщи: количество воден разтвор- 2,5 литра; количество сол NaCl- 30 грама; две малки бутилки с
чиста питейна вода от 0,5 литра.
- Стандартен постояннотоков източник: 12V; електроди от стомана (стоманени гвоздеи Ø 5 mm, l = 80 mm); изолиран от електролита достъп на медните проводници към електродите; време на експозиция (начало 14:05, край 17;05- 3 часа); ток = 60,8 mA;
- Стандартен постояннотоков източник: 12V; електроди от графит( сърцевина на дърводелски молив h=5 mm, w=2 mm, l = 80 mm); неизолиран от електролита достъп на медните проводници към електродите; време на експозиция (начало 14:05, край 17;05- 3 часа); ток = 89,8 mA;
- Фотоволтаичен панел 5 W (работното напрежение според моментното осветяване е 5 V), електроди от стомана (стоманени гвоздеи Ø 5 mm, l = 80 mm); изолиран от електролита достъп на медните проводници към електродите; време на експозиция (начало 14:00, край 17;00- 3 часа, ); ток = 20,2 mA;
- Фотоволтаичен панел 5 W (работното напрежение според моментното осветяване е 5 V) , електроди от графит( сърцевина на дърводелски молив h=5 mm, w=2 mm, l = 80 mm); неизолиран от електролита достъп на медните проводници към електродите; време на експозиция (начало 14:05, край 17;05- 3 часа); ток = 19,7 mA;
За
количеството отделен газ на катода се съдеше по видимата интензивност на
отделяне на гозови мехурчета и в промяната на нивото на водата в бутилките –
фиг.1. Експериментът завърши със запалване на събраното количество водород,
като нагледна демонстрация за приложимостта му като гориво, пред ученици от 10
и 11 клас.
Теоретичното
количество водород, което се е отделило на катода се определя по формулата: m=kE.q=kE.I.t, където :
ke=0,01045 (mg/A.s);
t=10800s;
I1=60,8.10-3A;
I2=89,8.10-3A; I3=20,2.10-3A; I1=19,7.10-3A
m1= 6.861888
mg; m2= 10.134828 mg; m3=2.279772 mg; m4= 2.223342
mg;
 |
| Фигура 1.
ЛИТЕРАТУРНИ ИЗТОЧНИЦИ
|
