الکترولیز آب و واکنش های اکسایشی – کاهشی آن

فرآیند تجزیه مولکول آب به هیدروژن و اکسیژن، با کمک یک ولتاژ الکتریکی خارجی را الکترولیز آب می گویند. در این فرآیند برای تجزیه آب به عناصر سازنده اش از دو الکترود و یک جریان الکتریکی مستقیم استفاده می شود. این مقاله نشریه جهان شیمی فیزیک به طریقه انجام فرآیند الکترولیز آب می پردازد.

تعریف الکترولیز

در الکترولیز با استفاده از یک جریان الکتریکی مستقیم مبادله اتم ها و یون ها به وسیله جا به جایی الکترون ها انجام می شود. در این فرآیند یک منبع جریان الکتریکی DC (وظیفه تامین انرژی را دارد)، به دو الکترودی که داخل الکترولیت قرار داده شده است، وصل می شود. الکترولیت در این سیستم، محلولی از یون های آزاد و به شکل پلیمر است که وظیفه انتقال جریان الکتریکی را بر عهده دارد. در فرآیند الکترولیز الکترودها یون های با بار مخالف را به سمت خود جذب می کنند. یون های مثبت به سمت کاتد و یون های منفی به سمت آند می روند. در کاتد نیم واکنش کاهش و در آند نیم واکنش اکسایش انجام می شود.

فرآیند الکترولیز آب

اولین بار الکترولیز آب توسط کارلسیل و نیکولسن در سال ۱۸۰۰ انجام شد. در الکترولیز آب دو الکترود با صفحه فلزی مانند پلاتین و ایریدیم به یک منبع وصل می شود و الکترودها داخل الکترولیت اسید یا باز و یا نمک فلزی قرار داده می شوند. بعد از اعمال ولتاژ عمل الکترولیز انجام شده و واکنش اکسایشی – کاهشی انجام می شود. در مجاورت الکترود آند، آب اکسید شده و اکسیژن تولید می شود که به صورت حباب از ظرف خارج می شود. در مجاورت کاتد آب کاهش یافته و تولید حباب های هیدروژن می کند. در این الکترولیز به ازای یک مول اکسیژن تولید شده، دو مول هیدروژن تولید می شود.

الکترولیز چون با الکتریسیته و گرما انجام می شود، می تواند در دماها و فشارهای بالا نیز انجام شود. به عنوان مثال برای کمتر شدن استفاده الکتریسیته می توان الکترولیز بخار را در دمای بالا انجام داد.

الکترولیز آب خالص و انتخاب الکترولیت مناسب

در این الکترولیز، اگر آب خالص باشد، چون رسانای الکتریسیته نیست، فرآیند به کندی انجام می شود. به همین جهت برای بهتر شدن کیفیت آب با تولید اکسیژن و سرعت بخشیدن به عمل الکترولیز محلول الکترولیت اضافه می شود. الکترولیتی که انتخاب می شود نباید شامل آنیون ها و کاتیون هایی باشد که که با الکترود واکنش دهند. به عنوان مثال از کلرید ها نمی توان استفاده کرد چون کلر آندی آزاد می شود. می توان از اسید سولفوریک، هیدروکسید سدیم و یا از سولفات سدیم استفاده کرد.

انتخاب الکترود مناسب

بهترین الکترودی که می توان برای این الکترولیز استفاده کرد تا بهترین پتانسیل برقرار شود، پلاتین برای کاتد و نیکل برای آند است. این فلزات گران است و از نظر اقتصادی از الکترودهای آهنی در محلول سود یا پتاس استفاده می شود. کارایی کاربرد این الکترودها به مقدار کمی از الکترودهای پلاتینی و نیکلی کمتر است. از الکترودهای آلومینیومی نیزمی توان استفاده کرد.

واکنش های کاتد و آند در الکترولیز آب

در هر فرآیند الکترولیز واکنش های اکسایشی – کاهشی انجام می شود که شامل دو نیم واکنش اکسایش و کاهش است. نیم واکنش اکسایشی در آند و نیم واکنش کاهشی در کاتد انجام می شود. در الکترولیز آب، در آند با اکسایش آب پروتون، الکترون و اکسیژن طبق نیم واکنش زیر انجام می شود.

۲H_۲O → O_۲ + ۴H⁺ + ۴e^_  

در کاتد نیم واکنش کاهش صورت می گیرد. به این ترتیب که الکترون های حاصل از نیم واکنش اکسایشی، به طرف الکترود کاتد می رود و یون های هیدروژنی با حرکت به سمت الکترود کاتد و به وسیله الکترون های مهاجرت کرده از طریق محلول الکترولیت کاهش یافته و گاز هیدروژن تولید می کند.

۲H_۲O + 2e^– → H_۲ + ۲OH^–

واکنش کلی الکترولیز به شکل زیر خواهد بود :

۲H_۲O → ۲H_۲ + O_۲   

جمع آوری گازهای حاصل از الکترولیز

برای این که گازهای به دست آمده تقریبا خالص جمع شوند باید بخش های آندی و کاتدی جدا از یکدیگر قرار گیرند. برای این نتیجه، یا بخش کاتدی را با استوانه ای از جنس شیشه جدا می کنند و یا یک دیافراگم آزبستی نصب می کنند. ولی با این حال گازهای جمع آوری شده حاوی ۲ تا ۳ درصد از دیگری است.

آیا الکترولیز آب اقتصادی است

در الکترولیز آب برای تولید یک متر مکعب هیدروژن و نیم متر مکعب اکسیژن ۶ کیلووات ساعت انرژی لازم است. در این فرآیند اکسیژن که فروشی ندارد به همین جهت فقط برای برخی مصارف الکترولیز انجام می شود. مثلا در فرانسه برخی کارخانه ها برای کاهش از هیدروژن خالص استفاده می کنند. همچنین ممکن است برای ایجاد موازنه در تولید هیدروژن از روش الکترولیز استفاده شود. پس تولید هیدروژن به این شکل اصلا از نظر اقتصادی به صرفه نیست. اکسیژن را به عنوان ماده اکسنده خوب می شناسیم، در الکترولیز اکسیژنی که تولید می شود روی آندی که فلز است جمع شده و به سرعت باعث اکسیداسیون آن می شود. در نتیجه این عمل آب تغییر رنگ می دهد. پس بهتر است که از الکترودهای پلاتینی و نیکلی استفاده شود که اصلا به صرفه نخواهد بود.

یکی از کاربردهای الکترولیز در تصیفه آب است. امروزه به دلیل افزایش آلودگی منابع آبی تبلیغات غیر معمول برای دستگاه تصفیه آب می کنند. با این کار آب تهران را به شدت آلوده و حاوی نیترات، نیتریت و دیگر مواد سمی معرفی می کنند. لجن هایی که در دستگاه تصفیه دیده می شود را دلیل وجود فلزات سنگین و آرسنیک و… بیان می کنند. در صورتی که در آب های معدنی هم اگر همین آزمایشات انجام شود، این نتایج به دست می آید. چون آب خالص رسانا نیست و الکترولیز نمی شود و باید در آن املاح معدنی وجود داشته باشد.

تاریخچه الکترولیز آب

الکترولیز آب یک فرآیند شیمیایی است که شامل جداسازی مولکول‌های آب به اجزای اصلی آنها، هیدروژن و اکسیژن، از طریق اعمال جریان الکتریکی است. الکترولیز آب یک فرآیند شیمیایی است که شامل جداسازی مولکول‌های آب به اجزای اصلی آنها، هیدروژن و اکسیژن، از طریق اعمال جریان الکتریکی است. ویلیام نیکلسون، شیمیدان انگلیسی، الکترولیز آب را در سال ۱۸۰۰ به همراه همکارش آنتونی کارلایل کشف کرد. این کشف زمانی رخ داد که آنها در حال آزمایش الکترولیز محلول های نمک بودند. نیکلسون و کارلایل در یکی از آزمایشات خود، جریان الکتریکی را به محلولی از آب و پتاس وارد کردند که منجر به تشکیل حباب هایی در الکترودها شد. آنها مشاهده کردند که حباب های ایجاد شده روی الکترود مثبت قابل اشتعال هستند و در هنگام مشتعل شدن شعله کوچکی تولید می کنند. پس از بررسی بیشتر، نیکلسون و کارلایل دریافتند که حباب ها در واقع هیدروژن و اکسیژن هستند و از طریق الکترولیز آب تولید می شوند. این کشف بسیار مهم بود زیرا نشان داد که آب را می توان با اعمال جریان الکتریکی به اجزای اصلی خود تجزیه کرد. الکترولیز آب کاربردهای گسترده ای در آزمایشگاه ها، مراکز تحقیقاتی و مراکز بهداشتی دارد. برخی از رایج ترین برنامه ها در زیر ذکر شده است:

تولید گاز: الکترولیز آب معمولاً در آزمایشگاه ها و مراکز تحقیقاتی برای تولید هیدروژن و اکسیژن خالص استفاده می شود. این گازها در کاربردهای بسیار متنوعی مانند کروماتوگرافی گازی، طیف‌سنجی جرمی و سنتز شیمیایی استفاده می‌شوند.

الکتروشیمی: الکترولیز آب یک تکنیک کلیدی در الکتروشیمی است که برای سنتز و خالص سازی ترکیبات شیمیایی استفاده می شود. این تکنیک برای تهیه اسیدها و بازهای غلیظ، تولید فلزات و سنتز ترکیبات آلی استفاده می شود.

تصفیه آب: از الکترولیز آب در مراکز بهداشتی و تصفیه آب برای از بین بردن آلاینده ها و میکروارگانیسم ها استفاده می شود. فرآیند الکترولیز رادیکال های آزاد تولید می کند که می توانند آلاینده های آلی و معدنی را از آب تجزیه کرده و حذف کنند.