पानी की इलेक्ट्रोलिसिस: प्रक्रिया, तकनीक, इसके लिए क्या है - रसायन विज्ञान - 2025

पानी के इलेक्ट्रोलिसिस विद्युत धारा लगाने से इसकी मौलिक घटकों में पानी के अपघटन है। जैसा कि वे आगे बढ़ते हैं, हाइड्रोजन और आणविक ऑक्सीजन, एच ₂ और ओ ₂, दो निष्क्रिय सतहों पर बनते हैं । इन दो सतहों को इलेक्ट्रोड के नाम से बेहतर जाना जाता है।

सैद्धांतिक रूप से, गठित एच ₂ की मात्रा ओ ₂ की मात्रा से दोगुनी होनी चाहिए । क्यों? क्योंकि पानी के अणु में H / O का अनुपात 2 के बराबर है, यानी प्रत्येक ऑक्सीजन के लिए दो H। यह संबंध अपने रासायनिक सूत्र, एच ₂ ओ के साथ सीधे सत्यापित है । हालांकि, कई प्रयोगात्मक कारक प्राप्त मात्रा को प्रभावित करते हैं।

स्रोत: फ़्लिकर के माध्यम से एंटटी टी। निसिनन

यदि इलेक्ट्रोलिसिस पानी (ऊपरी छवि) में डूबे ट्यूबों के अंदर किया जाता है, तो पानी का निचला स्तंभ हाइड्रोजन से मेल खाता है, क्योंकि तरल की सतह पर गैस की अधिक मात्रा का दबाव होता है। बुलबुले इलेक्ट्रोड को घेर लेते हैं और पानी के वाष्प दबाव पर काबू पाने के बाद बढ़ते जाते हैं।

ध्यान दें कि ट्यूब इस तरह से एक दूसरे से अलग हो जाते हैं कि एक इलेक्ट्रोड से दूसरे में गैसों का कम प्रवास होता है। कम तराजू पर, यह एक आसन्न जोखिम का प्रतिनिधित्व नहीं करता है; लेकिन औद्योगिक पैमानों पर, H ₂ और O ₂ का गैसीय मिश्रण अत्यधिक खतरनाक और विस्फोटक है।

इस कारण से, इलेक्ट्रोकेमिकल कोशिकाएं जहां पानी के इलेक्ट्रोलिसिस किए जाते हैं, वे बहुत महंगे हैं; उन्हें एक डिजाइन और तत्वों की आवश्यकता होती है जो गारंटी देते हैं कि गैसें कभी भी मिश्रण नहीं करती हैं, एक लाभदायक वर्तमान आपूर्ति, इलेक्ट्रोलाइट्स की उच्च सांद्रता, विशेष इलेक्ट्रोड (इलेक्ट्रोकाल्टोलॉजिस्ट), और एच ₂ उत्पादित स्टोर करने के लिए तंत्र ।

इलेक्ट्रोकाटोलॉजिस्ट घर्षण का प्रतिनिधित्व करते हैं और पानी इलेक्ट्रोलिसिस की लाभप्रदता के लिए एक ही समय में पंख लगाते हैं। कुछ में महान धातु के आक्साइड होते हैं, जैसे प्लैटिनम और इरिडियम, जिनकी कीमतें बहुत अधिक हैं। यह इस बिंदु पर है विशेष रूप से जहां शोधकर्ता कुशल, स्थिर और सस्ते इलेक्ट्रोड डिजाइन करने के लिए बलों में शामिल होते हैं।

इन प्रयासों का कारण ओ ₂ के गठन में तेजी लाना है, जो एच ₂ की तुलना में कम दरों पर होता है । इलेक्ट्रोड द्वारा यह धीमा जहां ओ ₂ बनता है, एक सामान्य परिणाम के रूप में आवश्यक (ओवरपोटिंग) की तुलना में बहुत अधिक क्षमता के आवेदन को लाता है; जो कम प्रदर्शन और उच्च व्यय के बराबर है।

इलेक्ट्रोलिसिस प्रतिक्रिया

पानी के इलेक्ट्रोलिसिस में कई जटिल पहलू शामिल हैं। हालांकि, सामान्य शब्दों में, इसका आधार एक साधारण वैश्विक प्रतिक्रिया पर निर्भर करता है:

2H ₂ O (l) => 2H ₂ (g) + O ₂ (g)

जैसा कि समीकरण में देखा गया है, दो पानी के अणु शामिल हैं: एक को आम तौर पर कम किया जाना चाहिए, या इलेक्ट्रॉनों को प्राप्त करना चाहिए, जबकि दूसरे को इलेक्ट्रॉनों को ऑक्सीकरण या बदलना चाहिए।

एच ₂ पानी की कमी का एक उत्पाद है, क्योंकि इलेक्ट्रॉनों का लाभ यह दर्शाता है कि एच ⁺ प्रोटॉन सहसंयोजक को बांध सकते हैं, और ऑक्सीजन ओएच में बदल जाता है ^- । इसलिए, एच ₂ का उत्पादन कैथोड पर किया जाता है, जो कि इलेक्ट्रोड है जहां कमी होती है।

जबकि ओ ₂ पानी के ऑक्सीकरण से आता है, जिसके कारण यह उन इलेक्ट्रॉनों को खो देता है जो इसे हाइड्रोजन से बांधने की अनुमति देते हैं, और परिणामस्वरूप एच ⁺ प्रोटॉन छोड़ते हैं । ओ ₂ एनोड में उत्पन्न होता है, इलेक्ट्रोड जहां ऑक्सीकरण होता है; और अन्य इलेक्ट्रोड के विपरीत, एनोड के चारों ओर पीएच अम्लीय है और बुनियादी नहीं है।

अर्ध-सेल प्रतिक्रियाएं

इसे निम्नांकित रासायनिक समीकरणों के साथ आधे सेल अभिक्रियाओं के साथ संक्षेपित किया जा सकता है:

2H ₂ O + 2e ^- => H ₂ + 2OH ^- (कैथोड, मूल)

2H ₂ O => O ₂ + 4H ⁺ + 4e ^- (एनोड, एसिड)

हालांकि, पानी कैथोड (2e ^-) पर अन्य पानी के अणु लाभ की तुलना में अधिक इलेक्ट्रॉनों (4e ^-) को नहीं खो सकता है; इसलिए, पहले समीकरण को 2 से गुणा किया जाना चाहिए, और फिर दूसरे समीकरण के साथ घटाकर शुद्ध समीकरण प्राप्त करना होगा:

2 (2H ₂ O + 2e ^- => H ₂ + 2OH ^-)

2H ₂ O => O ₂ + 4H ⁺ + 4e ^-

6H ₂ O => 2H ₂ + O ₂ + 4H ⁺ + 4OH ^-

लेकिन 4H ⁺ और 4OH ^- 4H ₂ O बनाते हैं, इसलिए वे दो को छोड़कर, छह H ₂ O अणुओं में से चार को खत्म कर देते हैं; और परिणाम वैश्विक प्रतिक्रिया के रूप में उल्लिखित है।

पीएच मानों, तकनीकों के साथ अर्ध-कोशिका प्रतिक्रियाएं बदलती हैं और इनमें संबद्ध कमी या ऑक्सीकरण क्षमता भी होती है, जो यह निर्धारित करती है कि अनायास आगे बढ़ने के लिए पानी के इलेक्ट्रोलिसिस के लिए कितनी वर्तमान आपूर्ति की जानी चाहिए।

प्रक्रिया

स्रोत: इवान अकीरा, विकिमीडिया कॉमन्स से

ऊपर की छवि में एक हॉफमैन वोल्टमीटर दिखाया गया है। सिलेंडरों को पानी और चयनित इलेक्ट्रोलाइट्स के माध्यम से मध्य नोजल से भरा जाता है। इन इलेक्ट्रोलाइट्स की भूमिका पानी की चालकता को बढ़ाने के लिए है, क्योंकि सामान्य परिस्थितियों में बहुत कम एच ₃ ओ ⁺ और ओओ आयन हैं ^- उनके आत्म-आयनीकरण के उत्पाद।

दो इलेक्ट्रोड आमतौर पर प्लैटिनम से बने होते हैं, हालांकि छवि में उन्हें कार्बन इलेक्ट्रोड द्वारा बदल दिया गया था। दोनों एक बैटरी से जुड़े हैं, जिसके साथ एक संभावित अंतर (isV) लागू होता है जो पानी के ऑक्सीकरण (ओ _{2 के} गठन) को बढ़ावा देता है ।

इलेक्ट्रॉनों पूरे सर्किट की यात्रा करते हैं जब तक कि वे दूसरे इलेक्ट्रोड तक नहीं पहुंचते हैं, जहां पानी उन्हें जीतता है और एच ₂ और ओएच बन जाता है ^- । इस बिंदु पर, एनोड और कैथोड को पहले से ही परिभाषित किया गया है, जिसे पानी के स्तंभों की ऊंचाई से विभेदित किया जा सकता है; सबसे कम ऊँचाई वाला व्यक्ति कैथोड से मेल खाता है, जहाँ H ₂ बनता है ।

सिलिंडर के ऊपरी हिस्से में, चाबियाँ होती हैं जो उत्पन्न गैसों को छोड़ने की अनुमति देती हैं। एच ₂ की उपस्थिति को एक लौ के साथ प्रतिक्रिया करके सावधानीपूर्वक जांच की जा सकती है, जिसके दहन से गैसीय जल उत्पन्न होता है।

तकनीक

जल इलेक्ट्रोलिसिस तकनीक एच ₂ और ओ ₂ की मात्रा के आधार पर भिन्न होती है। दोनों गैसें बहुत खतरनाक होती हैं यदि उन्हें एक साथ मिलाया जाता है, यही वजह है कि इलेक्ट्रोलाइटिक कोशिकाओं में गैसीय दबाव में वृद्धि को कम करने और जलीय माध्यम से उनके प्रसार को कम करने के लिए जटिल डिजाइन शामिल हैं।

इसके अलावा, तकनीक सेल के आधार पर भिन्न होती है, इलेक्ट्रोलाइट पानी में जोड़ा जाता है, और स्वयं इलेक्ट्रोड। दूसरी ओर, कुछ का मतलब है कि प्रतिक्रिया उच्च तापमान पर की जाती है, बिजली की खपत को कम करती है, और अन्य लोग एच _{2 को} संग्रहीत रखने के लिए भारी दबाव का उपयोग करते हैं ।

सभी तकनीकों में, निम्नलिखित तीन का उल्लेख किया जा सकता है:

क्षारीय पानी के साथ इलेक्ट्रोलिसिस

इलेक्ट्रोलिसिस क्षार धातुओं (KOH या NaOH) के बुनियादी समाधान के साथ किया जाता है। इस तकनीक के साथ प्रतिक्रियाएँ होती हैं:

4H ₂ O (l) + 4e ^- => 2H ₂ (g) + 4OH ^- (aq)

4OH ^- (aq) => O ₂ (g) + 2H ₂ O (l) + 4e ^-

जैसा कि देखा जा सकता है, कैथोड और एनोड दोनों में, पानी में एक मूल पीएच है; और इसके अलावा, ओह ^- एनोड की ओर पलायन करते हैं जहां वे ओ _{2 पर} ऑक्सीकृत होते हैं ।

बहुलक इलेक्ट्रोलाइटिक झिल्ली के साथ इलेक्ट्रोलिसिस

इस तकनीक में एक ठोस बहुलक का उपयोग किया जाता है जो एक झिल्ली के रूप में कार्य करता है जो H ^{+ के} लिए पारगम्य है, लेकिन गैसों के लिए अभेद्य है। यह इलेक्ट्रोलिसिस के दौरान अधिक सुरक्षा सुनिश्चित करता है।

इस मामले के लिए आधे कोशिका प्रतिक्रियाएं हैं:

4H ⁺ (aq) + 4e ^- => 2H ₂ (g)

2H ₂ O (l) => O ₂ (g) + 4H ⁺ (aq) + 4e ^-

H ⁺ आयन एनोड से कैथोड की ओर पलायन करते हैं, जहाँ वे H ₂ हो जाते हैं ।

ठोस ऑक्साइड के साथ इलेक्ट्रोलिसिस

अन्य तकनीकों से बहुत अलग, यह एक इलेक्ट्रोलाइट्स के रूप में ऑक्साइड का उपयोग करता है, जो उच्च तापमान (600-900ºC) ओ ^2- आयनों के लिए परिवहन माध्यम के रूप में कार्य करता है ।

प्रतिक्रियाएं हैं:

2H ₂ O (g) + 4e ^- => 2H ₂ (g) + 2O ^2-

2O ^2- => O ₂ (g) + 4e ^-

ध्यान दें कि इस समय यह ऑक्साइड आयन है, ^{2- 2-}, जो एनोड की यात्रा करता है।

पानी के इलेक्ट्रोलिसिस किस लिए होता है?

पानी के इलेक्ट्रोलिसिस एच ₂ (जी) और ओ ₂ (जी) का उत्पादन करता है । दुनिया में उत्पादित हाइड्रोजन गैस का लगभग 5% पानी के इलेक्ट्रोलिसिस के माध्यम से बनाया जाता है।

एच ₂ जलीय NaCl समाधानों के इलेक्ट्रोलिसिस का उप-उत्पाद है। नमक की उपस्थिति पानी की विद्युत चालकता को बढ़ाकर इलेक्ट्रोलिसिस की सुविधा देती है।

जो समग्र प्रतिक्रिया होती है वह है:

2NaCl + 2H ₂ O => Cl ₂ + H ₂ + 2NaOH

इस प्रतिक्रिया के भारी महत्व को समझने के लिए, गैसीय उत्पादों के कुछ उपयोगों का उल्लेख किया जाएगा; क्योंकि दिन के अंत में, ये ऐसे हैं जो पानी के इलेक्ट्रोलिसिस को अधिक कुशल और हरे रंग के तरीके से प्राप्त करने के लिए नए तरीकों के विकास को चलाते हैं।

उन सभी में से, सबसे वांछित कोशिकाओं के रूप में कार्य करना है जो जलते हुए जीवाश्म ईंधन के उपयोग को ऊर्जावान रूप से प्रतिस्थापित करते हैं।

हाइड्रोजन का उत्पादन और इसके उपयोग

-हाइड्रोलाइसिस में उत्पादित हाईड्रोजन का उपयोग रासायनिक उद्योग में नशे की क्रियाओं में, हाइड्रोजनीकरण प्रक्रियाओं में या कमी प्रक्रियाओं में एक कम करने वाले एजेंट के रूप में किया जा सकता है।

-यह वाणिज्यिक महत्व के कुछ कार्यों में भी आवश्यक है, जैसे: हाइड्रोक्लोरिक एसिड, हाइड्रोजन पेरोक्साइड, हाइड्रॉक्सिलैमाइंस, आदि का उत्पादन। यह नाइट्रोजन के साथ एक उत्प्रेरक प्रतिक्रिया के माध्यम से अमोनिया के संश्लेषण में शामिल है।

-ऑक्सीजन के साथ संयोजन में, यह एक उच्च कैलोरी सामग्री के साथ आग पैदा करता है, जिसमें तापमान 3,000 और 3,500 K के बीच होता है। इन तापमानों का उपयोग धातु उद्योग में कटाई और वेल्डिंग के लिए, सिंथेटिक क्रिस्टल, क्वार्ट्ज उत्पादन, आदि के विकास के लिए किया जा सकता है। ।

-वाटर ट्रीटमेंट: बायोरिएक्टरों में इसके खात्मे से पानी में अत्यधिक मात्रा में नाइट्रेट की मात्रा कम हो सकती है, जिसमें बैक्टीरिया ऊर्जा स्रोत के रूप में हाइड्रोजन का उपयोग करते हैं

-हाइड्रोजन प्लास्टिक, पॉलिएस्टर और नायलॉन के संश्लेषण में शामिल है। इसके अलावा, यह कांच के उत्पादन का हिस्सा है, बेकिंग के दौरान बढ़ते हुए दहन।

कई धातुओं के ऑक्साइड और क्लोराइड से संपर्क करें: शुद्ध धातुओं का उत्पादन करने के लिए चांदी, तांबा, सीसा, बिस्मथ और पारा।

-और इसके अलावा, यह लौ डिटेक्टर के साथ क्रोमैटोग्राफिक विश्लेषण में ईंधन के रूप में उपयोग किया जाता है।

डिबगिंग विधि के रूप में

सोडियम क्लोराइड समाधान के इलेक्ट्रोलिसिस का उपयोग स्विमिंग पूल के पानी की शुद्धि के लिए किया जाता है। इलेक्ट्रोलिसिस के दौरान, एनोड में कैथोड और क्लोरीन (सीएल ₂) में हाइड्रोजन का उत्पादन किया जाता है । इस मामले में इलेक्ट्रोलिसिस को नमक क्लोरीनेटर के रूप में संदर्भित किया जाता है।

क्लोरीन पानी में घुलकर हाइपोक्लोरस एसिड और सोडियम हाइपोक्लोराइट बनाता है। हाइपोक्लोरस एसिड और सोडियम हाइपोक्लोराइट पानी को निष्फल करते हैं।

ऑक्सीजन की आपूर्ति के रूप में

अंतर्राष्ट्रीय अंतरिक्ष स्टेशन पर ऑक्सीजन उत्पन्न करने के लिए पानी के इलेक्ट्रोलिसिस का भी उपयोग किया जाता है, जो स्टेशन पर ऑक्सीजन के वातावरण को बनाए रखने का कार्य करता है।

हाइड्रोजन का उपयोग ईंधन सेल में किया जा सकता है, ऊर्जा भंडारण की एक विधि है, और अंतरिक्ष यात्री द्वारा खपत के लिए सेल में उत्पन्न होने वाले पानी का उपयोग करते हैं।

घर का प्रयोग

हॉफमैन वाल्टमीटर, या किसी अन्य असेंबली के साथ प्रयोगशाला में तराजू पर पानी के इलेक्ट्रोलिसिस प्रयोग किए गए हैं जो एक इलेक्ट्रोकेमिकल सेल के सभी आवश्यक तत्वों को शामिल करने की अनुमति देता है।

सभी संभावित विधानसभाओं और उपकरणों में से, सबसे बड़ा एक बड़ा पारदर्शी पानी का कंटेनर हो सकता है, जो सेल के रूप में काम करेगा। इसके अलावा, किसी भी धातु या विद्युत प्रवाहकीय सतह को भी इलेक्ट्रोड के रूप में कार्य करने के लिए हाथ पर होना चाहिए; एक कैथोड के लिए, और दूसरा एनोड के लिए।

इस उद्देश्य के लिए भी दोनों छोर पर तेज ग्रेफाइट युक्तियों के साथ पेंसिल उपयोगी हो सकती है। और अंत में, एक छोटी बैटरी और कुछ केबल जो इसे तात्कालिक इलेक्ट्रोड से जोड़ते हैं।

यदि एक पारदर्शी कंटेनर में नहीं किया जाता है, तो गैसीय बुलबुले के गठन की सराहना नहीं की जाएगी।

घर चर

हालाँकि पानी का इलेक्ट्रोलिसिस एक ऐसा विषय है जिसमें वैकल्पिक ऊर्जा स्रोतों की तलाश करने वालों के लिए कई पेचीदा और उत्साहजनक पहलू हैं, बच्चों और अन्य दर्शकों के लिए घर का प्रयोग उबाऊ हो सकता है।

इसलिए, कुछ चर को बदलकर और परिवर्तनों को ध्यान में रखते हुए एच ₂ और ओ ₂ के गठन को उत्पन्न करने के लिए पर्याप्त वोल्टेज लागू किया जा सकता है ।

पहला पानी के पीएच का रूपांतर है, जो पानी को अम्लीय करने के लिए या तो सिरका का उपयोग करता है, या इसे थोड़ा आधार देने के लिए Na ₂ CO ₃ । देखे गए बुलबुले की संख्या में बदलाव होना चाहिए।

इसके अतिरिक्त, गर्म और ठंडे पानी के साथ एक ही प्रयोग दोहराया जा सकता है। इस तरह, प्रतिक्रिया पर तापमान के प्रभाव पर फिर से विचार किया जाएगा।

अंत में, डेटा संग्रह को थोड़ा कम बेरंग बनाने के लिए, आप बैंगनी गोभी के रस के बहुत पतला समाधान का उपयोग कर सकते हैं। यह रस प्राकृतिक मूल का एक एसिड-बेस संकेतक है।

सम्मिलित इलेक्ट्रोड के साथ कंटेनर में जोड़ना, यह ध्यान दिया जाएगा कि एनोड पर पानी गुलाबी (एसिड) हो जाएगा, जबकि कैथोड में, रंग पीला (मूल) होगा।

संदर्भ

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