Электрохимический метод получения водорода

Метод заключается в электролизе водный растворов кислот или щелочей с целью получения H₂ и O₂. Этот метод разработан в 1789 году и развит в тех странах, где дешёвая электроэнергия. Производство энергоёмкое, но сам способ самый дешёвый и простой.

Чистая вода имеет очень малую электропроводность вследствие того, что только ничтожное количество молекул воды диссоциирует на ионы

H₂O H⁺ + OH^-

Константа диссоциации воды KW = 10^-14 (при 25°C). Удельная электропроводность воды также мала æ = 10^-8 Ом^-1∙см^-1. Поэтому электролиз ведут не чистой воды, а растворов кислот или щелочей.

Например:

1. Раствор H₂SO₄.

Диссоциация в растворе

H₂SO₄ 2H⁺ + SO полностью

H₂O H⁺ + OH^- очень мало

на К (–) 2H⁺ + 2ē = H₂↑

на А (+) Возможны реакции:

2OH^- – 2ē = H₂O + ½O₂ E = 0,41 В

SO – 2ē + H₂O = H₂SO₄ + ½O₂ E = 1,96 В

H₂O – 2ē = 2H⁺ + ½O₂ E = 1,23 В

Отсюда должны разряжаться ионы OH^-, но их очень мало, и идёт реакция 3.

2. Раствор NaOH.

Диссоциация в растворе

NaOH Na⁺ + OH^- полностью

H₂O H⁺ + OH^- очень мало

на А (+) 2OH^- – 2ē = H₂O + ½O₂

на К (–) Возможны реакции:

2H⁺ + 2ē = H₂↑ E = 0,41 В

Na⁺ + ē = Na E = –2,7 В

H₂O + 2ē = H₂ + 2OH^- E = 1,23 В

Также как и в случае раствора кислоты здесь идёт в основном реакция 3.

Но суммарная реакция в обоих случаях одна:

H₂O H₂ + ½O₂

– идёт разложение воды, а ионы кислоты или щёлочи служат переносчиками электричества.

Характерной особенностью электролиза воды является также то, что разлагается только лёгкая вода – H₂O, в то время как тяжёлая вода – D₂O остаётся в растворе. В обычной воде содержание D₂O – 0,02%. В процессе электролиза происходит накопление тяжёлой воды в растворе, затем её выделяют ректификацией (t_кип = 101,4°C). Электролитическая установка мощностью 1 МВт может дать до 80-100 кг D₂O в год.

Количество полученных H₂ и O₂ определяется количеством пропущенного электричества. По закону Фарадея для разложения 1 г-экв любого вещества необходимо затратить 96500 Кл электричества. По уравнению электролиза

2F H₂O = H₂ + ½O₂

для разложения 1 г-моля H2O необходимо затратить

96500∙2 = 193000 Кл (А∙сек) или А∙ч

При затрате 1 А∙ч выделяется

V(H₂) = = 418 см³ и V(O₂) = = 209 см³

Производительность ванный по водороду составляет

W = 418Iτ

I – сила тока, τ – время электролиза.

Отсюда, для получения 1 м³ (10⁶ см³) H² и 0,5 м³ O² необходимо теоретические затратить электроэнергии

Iτ = = 2390 А∙ч

Теоретическая ЭДС ванны по уравнению Гиббса-Гельмгольца

Q – тепловой эффект для 1 г-моля H₂O, n – число г-экв разлагающегося вещества, 0,239 – тепловой коэффициент электрической энергии, – температурный коэффициент ЭДС.

Получаем E = 1,23 В. На практике E ~ 3 В.

Электролитами для электролиза воды могут служить H₂SO₄, NaOH, KOH, Na₂CO₃, но обычно KOH.

Выбор в качестве электролита KOH обусловлен тем, что в условиях электролиза электроды можно изготовлять из простой конструкционной стали. Концентрация электролита 29% KOH или 17% NaOH, так как у этих растворов максимальная æ.

Для получения 1 м³ H₂ и 0,5 м³ O₂ необходимо затратить

H₂O

Практически же расходуется больше воды, так как при высоких температурах происходит испарение и унос воды с газом.