Водный электролиз. Электролиз воды: что нам о нем известно

Процесс электролиза - это окислительно-восстановительная реакция, возможная только под действием электричества. Электролиз протекает в расплавах и растворах. В лабораториях для получения чистых газов - водорода и кислорода - проводят электролиз воды.

Что такое электролиз

Для осуществления процесса электролиза в раствор или в расплав помещают два электрода, подключённых к противоположным полюсам источника тока. В качестве электродов чаще всего используется металл или графит, так как эти материалы пропускают электрический ток.

Рис. 1. Электролиты в растворе.

Под действием электричества электрод, подключенный к отрицательному полюсу, становится катодом, а электрод, соединённый с положительным полюсом, превращается в анод. Катод и анод притягивают противоположные ионы: к катоду направляются положительно заряженные катионы, к аноду - отрицательно заряженные анионы.

Катод является окислителем, на нём происходит процесс восстановления катионов. На аноде протекает процесс окисления: анод восстанавливает анионы и окисляется.

Процесс электролиза можно разделить на два этапа. Сначала происходит диссоциация - распад электролита (раствора или расплава) на ионы. Затем протекают реакции на электродах.

Электролиз воды

Если пропустить через воду электрический ток, жидкость начнёт диссоциироваться на составляющие молекулу воды атомы. В результате процесса электролиза воды получают кислород и водород. Однако в зависимости от природы электродов можно получить озон и перекись водорода.

• анод:

  2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e – ;

• катод:

  4H + + 4e – → 2H 2 .

• анод:

  3H 2 O → O 3 + 6e – + 6H + ;

• катод:

  O 2 + 2H 2 O + 2e – → H 2 O 2 + 2OH – .

Общее уравнение:

2H 2 O → 2H 2 + O 2 .

Рис. 2. Схема электролиза воды.

Вода - слабый электролит, поэтому электролиз чистой, дистиллированной воды протекает медленно или не идёт вовсе. Для ускорения процесса в воду добавляют сильный электролит, увеличивающий проводимость электрического тока.

Электролит выбирается так, чтобы исключить конкуренцию между катионами электролита и катионами воды (H +). В противном случае водород не будет произведён. Чтобы исключить конкуренцию, необходимо подобрать электролит, катионы которого будут иметь меньший электродный потенциал, чем H + воды. На роль катиона электролита подходят:

• Li + ;
• Rb + ;
• K + ;
• Cs + ;
• Ba 2+ ;
• Sr 2+ ;
• Ca 2+ ;
• Na + ;
• Mg 2+ .

Для исключения конкуренции анионов, наоборот, подбирают электролит с анионами большего электродного потенциала, чем анион OH – воды. В качестве такого электролита применяется щелочь для образования гидроксильного иона OH – .

Рис. 3. Диссоциация щёлочи.

Для электролиза воды используются сильные щелочи: гидроксид калия (KOH) или натрия (NaOH). В некоторых случаях применяется сильная кислота, например, H 2 SO 4 .

Что мы узнали?

Электролиз - процесс образования и оседания на электродах ионов вещества под действием электрического тока. Вода разделяется на катионы водорода и анионы кислорода. Положительные катионы движутся к катоду, отрицательные анионы - к аноду. В некоторых случаях вода диссоциируется на озон и перекись водорода. Из-за низкой способности к диссоциации в воду добавляется сильный электролит, не мешающий образованию водорода и кислорода. Чаще всего добавляется щёлочь или сильная кислота.

Многие из нас наверняка любили эксперименты, проводимые на школьных уроках химии. Всегда интересно наблюдать, как взаимодействуют друг с другом различные вещества и что получается в итоге. А такую вещь, как электролиз воды, некоторые экспериментаторы вполне успешно повторяют дома. Как известно, данный процесс приводит к выделению кислорода и водорода. Но как именно все это происходит? Зачем вообще нужен электролиз воды и каковы его перспективы? Давайте разберемся с этим поподробнее.

Как протекает электролиз воды

Если взять обычный блок питания, подсоединить к полюсам графитовые стержни и опустить их в водопроводную воду, то через нее потечет постоянный ток, в жидкости начнут происходить различные электрохимические реакции. Их активность напрямую зависит от напряжения и наличия в воде всевозможных солей. Если рассматривать электролиз воды в домашних условиях с использованием обычной кухонной соли, то в самом упрощенном виде, то в нем можно выделить несколько самостоятельных процессов.

Электрохимический процесс

Заключается в том, что на аноде выделяется кислород - и в этом месте жидкость подкисляется, а на катоде - водород - и жидкость здесь подщелачивается. Но это еще не все. Если использовать специальные электроды, то электролиз воды позволит получить на отрицательном полюсе озон, а на положительном - перекись водорода. В составе пресной (не дистиллированной воды) всегда имеются минеральные соли - хлориды, сульфаты, карбонаты. Когда происходит электролиз воды, они также участвуют в реакциях. К примеру, когда через воду с растворенной кухонной солью начинает проходить постоянный ток, на аноде начинает образовываться хлор - и вода здесь подкисляется, а на катоде формируется гидроокись натрия - и вода подщелачивается. Такая реакция является скоротечной, и появившиеся химические элементы вновь начинают между собой взаимодействовать. В итоге вскоре начинает появляться гипохлорит натрия - 2NaOCl. Примерно то же самое происходит с хлоридами калия и кальция. Как мы видим, в результате разложения пресной воды формируется смесь сильных окислителей: озон, кислород, гипохлорит натрия и перекись водорода.

Электромагнитный процесс

Он заключается в том, что молекулы воды ориентируются параллельно движению тока так, что их водородная часть (со знаком «+») притягивается к катоду, а кислородная часть (со знаком «-») - к аноду. Сила воздействия на них настолько сильна, что приводит к ослаблению и порой к разрыву водородных связей. В результате образуется атомарный кислород, что влияет на снижение жесткости воды. Он окисляет ионы кальция до окиси (Са + + О → СаО), которая, в свою очередь, соединяется с водой и образует соответствующий гидрат: СаО + Н 2 О → Са(ОН) 2 .

Кавитационный процесс

Схлопывание микроскопических пузырьков водорода и кислорода, которые возникают благодаря электролизу, происходит с высвобождением огромной энергии, которая разрушает молекулы воды, образующие их стенки. В результате появляются ионы и атомарные частицы кислорода и водорода, гидроксилы и прочие вещества.

Применение

Электролиз воды представляет собой огромную практическую ценность для современной промышленности. Его часто используют для очистки воды от различных примесей. Также он является простым способом получения водорода. Последний интересен как возможная альтернатива обычному топливу. В настоящее время ученые изучают плазменный электролиз воды, который гораздо эффективнее обычного. А кроме этого, существует теория, согласно которой для разложения «эликсира жизни» можно использовать особых бактерий, способных вырабатывать небольшой по силе ток. Как видим, электролиз воды вовсе не так уж прост, как кажется поначалу, и наверняка можно ожидать, что дальнейшее его изучение вполне может привести к переходу на водородное топливо.

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.

Низкоамперный электролиз воды

Низковольтный процесс электролиза воды известен со времен Фарадея. Он широко используется в современной промышленности. Рабочим напряжением между анодом и катодом электролизера является напряжение 1,6-2,3 Вольта, а сила тока достигает десятков и сотен ампер. Минимальное напряжение, при котором начинается процесс электролиза воды, около 1,23 В.

Поскольку лабораторная модель ячейки низкоамперного электролизёра (рис. 210) генерирует небольшое количество газов, то, самым надёжным методом определения их количества является метод определения изменения массы раствора за время опыта и последующего расчёта выделившихся количеств водорода и кислорода.

Известно, что грамм-атом численно равен атомной массе вещества, а грамм-молекула – молекулярной массе вещества. Например, грамм-молекула водорода в молекуле воды равна двум граммам, а грамм-атом атома кислорода – 16граммам. Грамм-молекула воды равне 18 граммам. Так как масса водорода в молекуле воды составляет 2х100/18=11,11%, а масса кислорода – 16х100/18=88,89%, то это же соотношение водорода и кислорода содержится в одном литре воды. Это означает, что в 1000 граммах воды содержится 111,11 грамм водорода и 888,89 грамм кислорода.

Рис. 210. Низкоамперный электролизер (Пат. № 2227817)

Один литр водорода весит 0,09гр., а один литр кислорода – 1,47 гр. Это означает, что из одного литра воды можно получить 111,11/0,09=1234,44 литра водорода и 888,89/1,47=604,69 литра кислорода.

Оказалось, что процесс электролиза может протекать при напряжении 1,5-2,0 В между анодом и катодом и средней силе тока 0,02 А. Поэтому этот процесс назван низкоамперным. Его результаты – в табл. 46.

Процесс низкоамперного электролиза может состоять из двух циклов, в одном цикле электролизер включен в электрическую сеть, а в другом - выключен (табл. 56).

Прежде всего,отметим, что материал анода и катода один – сталь, что исключает возможность формирования гальванического элемента. Тем не менее, на электродах ячейки появляется разность потенциалов около 0,1В при полном отсутствии электролитического раствора в ней. После заливки раствора разность потенциалов увеличивается. При этом положительный знак заряда всегда появляется на верхнем электроде, а отрицательный – на нижнем. Если источник постоянного тока генерирует импульсы, то выход газов увеличивается.

Таблица 56. Показатели электролиза воды

Процесс генерирования газов легко наблюдается по выходу образующихся пузырьков. Они продолжают выделяться и после отключения электролизера от сети. Конечно, после отключения электролизера от сети интенсивность выхода газов постепенно уменьшается, но не прекращается в течение многих часов. Это убедительно доказывает тот факт, что электролиз идет за счет разности потенциалов на электродах. В табл. 48 представлены результаты эксперимента при периодическом питании электролизера импульсами выпрямленного напряжения и тока.

Есть основания полагать, что низкоамперный электролизёр (рис. 210) обладает не только свойствами конденсатора, но и источника электричества одновременно. Зарядившись в начале, он постепенно разряжается под действием электролитических процессов, протекающих в нём. Количество генерируемой им электрической энергии оказывается недостаточным, чтобы поддерживать процесс электролиза, и он постепенно разряжается. Если его подзаряжать периодически импульсами напряжения, компенсирующими расход энергии, то заряд электролизёра, как конденсатора, будет оставаться постоянным, а процесс электролиза – стабильным.

Процесс генерирования газов легко наблюдается по выходу образующихся пузырьков. Они продолжают выделяться и после отключения электролизера от сети. Конечно, после отключения электролизера от сети интенсивность выхода газов уменьшается, но не прекращается в течение многих часов. Это убедительно доказывает тот факт, что электролиз идет за счет разности потенциалов на электродах.

Выделение газов после отключения электролизера от сети в течение длительного времени доказывает тот факт, что формирование молекул кислорода и водорода идет без электронов, испускаемых катодом, то есть за счет электронов самой молекулы воды (рис. 209).

Попытка увеличит производительность низкоамперного электролизёра (рис. 210) за счёт масштабирования размеров конических электродов из одного и того же материала (стали) не удалась. Производительность растёт только при увеличении количества электролизёров оптимальных размеров. Отсутствие финансирования не позволило нам проверить влияние различных материалов конусов на эффективность процесса электролиза воды (рис. 210). Если финансирование будет продолжено, то новый коммерческий образец импульсного электромотора-генератора (рис. 169 и 172) будет источником питания самого нового процесса электролиза воды, который идёт в катодно-анодной электролизной трубке, соединяющей катодную и анодную полости (рис. 211, а).

Рис. 211: a) катодно-анодная электролизная трубка; b) водородно-кислородное пламя из катодно-анодной электролизной трубки