文档拾掇 学习参看 collection of questions and answers 20XX 电解水制氢的原理 字体大小： 大 - 中 - 小 SBEPL ? 宣告于 09-06-03 06:37 ? ? 阅览(1274) ? 议论(0) 日志 拷贝网址躲藏签名档大字体 第二节??电解水制氢的原理一、氢气的工业制法在工业上一般都会选用如下几种方法制取氢气：一是将水蒸气通过炽热的焦炭（称为碳恢复法），得到纯度为75%左右的氢气；二是将水蒸气通过炽热的铁，得到纯度在97%以下的氢气；三是由水煤气中提取氢气，得到的氢气纯度也较低；第四种方法就是电解水法，制得的氢气纯度可高达99%以上，这是工业上制备氢气的一种重要方法。在电解氢氧化钠（钾）溶液时，阳极上放出氧气，阴极上放出氢气。电解氯化钠水溶液制造氢氧化钠时，也可得到氢气。对用于冷却发电机的氢气的纯度要求比较高，因此，都是选用电解水的方法制得。二、电解水制氢原理所谓电解就是凭仗直流电的作用，将溶解在水中的电解质分解成新物质的进程。1、电解水原理在一些电解质水溶液中通入直流电时，分解出的物质与原本的电解质完全没有联络，被分解的是作为溶剂的水，原本的电解质仍然留在水中。例如硫酸、氢氧化钠、氢氧化钾等均归于这类电解质。在电解水时，由于纯水的电离度很小，导电才干低，归于典型的弱电解质，所以需求参与前述电解质，以增加溶液的导电才干，使水可以顺利地电解成为氢气和氧气。氢氧化钾等电解质不会被电解，现以氢氧化钾为例说明：（1）氢氧化钾是强电解质，溶于水后即产生如下电离进程：?????????????????????? ??所以，水溶液中就产生了许多的K+和OH-。（2）金属离子在水溶液中的生动性不同，可按生动性大小次第摆放如下：K＞Na＞Mg＞Al＞Mn＞Zn＞Fe＞Ni＞Sn＞Pb＞H＞Cu＞Hg＞Ag＞Au在上面的摆放中，前面的金属比后边的生动。（3）在金属生动性次第中，越生动的金属越简略失掉电子，否则反之。从电化学理论上看，简略得到电子的金属离子的电极电位高，而排在生动性大小次第前的金属离子，由于其电极电位低而难以得到电子变成原子。H+的电极电位=-1.71V，而K+的电极电位=-2.66V，所以，在水溶液中一同存在H+和K+时，H+将在阴极上首要得到电子而变成氢气，而K+则仍将留在溶液中。（4）水是一种弱电解质，难以电离。而当水中溶有KOH时，在电离的K+周围则围绕着极性的水分子而成为水合钾离子，而且因K+的作用使水分子有了极性方向。在直流电作用下，K+带着有极性方向的水分子一同迁向阴极，这时H+就会首要得到电子而成为氢气。2、水的电解方程在直流电作用于氢氧化钾水溶液时，在阴极和阳极上分别产生下列放电反应，见图8-3。??图8-3??碱性水溶液的电解（1）阴极反应。电解液中的H+（水电离后产生的）受阴极的吸引而移向阴极，接受电子而分出氢气，其放电反应为：?????????????????? （2）阳极反应。电解液中的OH-受阳极的吸引而移向阳极，终究放出电子而成为水和氧气，其放电反应为：????????????????????阴阳极合起来的总反应式为：电解???????????????????? 所以，在以KOH为电解质的电解进程中，实践上是水被电解，产生氢气和氧气，而KOH只起运载电荷的作用。三、电解电压在电解水时，加在电解池上的直流电压有必要大于水的理论分解电压，以便能克服电解池中的各种电阻电压降和电极极化电动势。电极极化电动势是阴极氢分出时的超电位与阳极氧极出时的超电位之和。因此，水电解电压U可标明为：????????????????????式中U0——水的理论分解电压，V；???? I——电解电流，A；???? R——电解池的总电阻，Ω；?? ——氢超电位，V；?? ——氧超电位，V。从能量消耗的角度看，应该尽可能地下降电解电压。下面议论影响电解电压的几个要素：（1）水的理论分解电压UO。热力学的研讨得出：原电池所做的最大电功等于反应处由能变的减少，即：?????????????????? 式中????——标准情况下电池反应的吉布斯自由能变，J/mol；?????????? n——反应中的电子转移数；?????????? F——法拉第常数，96500C/mol；???????? E0——标准情况下反应的标准电动势，V。在生成水的化学反应中，自由能变为-474.4kJ/mol，即???? 2H2（g）+O2（g）=2H2O (1)???? 这是一个氧化恢复反应，在两个电极上的半反应分别为：?????????????????????? O2+4H++4e=2H2O?????????????????????? 2H2=4H++4e电子转移数n=4，由=-NFE0得????????????????????????-474.4×103=--4×96500E0?????????????????????????? 可见，在0.1MPa和25℃时，U0=1.23V；它是水电解时有必要供应的最小电压，它随温度的升高而下降，随压力的升高而增大，压力每升高10倍，电压约增大43mV.（2）氢、氧超电位和。影响氢、氧超电位的要素许多。首要，电极材料和电极的表面情况对它的影响较大，如铁、镍的氢超电位就比铅、锌、汞等低，铁、镍的氧超电位也比铅低。与电解液接触面积越大或电极表面越粗糙，产生的氢、氧超电位就越小。其次，电解时的电流密度增大，超电位会随之增大，温度的上升也会引起超电位的增大。此外，超电位还与电解质的性质、浓度及溶液中的杂质等要素有关，如在镍电极上，稀溶液的氧超电位大于浓溶液的氧超电位。为了下降氢、氧超电位，可以采用一些方法。如前进作业温度及选用适合的电极材料等。此外，恰当增大电极的实践表面积或使电极表面粗糙，都可在不同程度上下降电极电阻和超电位，然后抵达下降作业电压的目的。（3）电阻电压降。电解池中的总电阻包括电解液的电阻、隔膜电阻、电极电阻和接触电阻等，其间前两者为首要要素。隔膜电阻电压降取决于材料的厚度和性质。选用一般的石棉隔膜，电流密度为2400A/m2时，隔膜电阻上的电压降约为0.25~0.30V，当电流密度再增大时，该电压降还会增大到0.5V左右。电解液的导电率越高，电解液中的电压降就越小。对电解液来说，除要求其电阻值小以外，还要求它在电解电压下不分解；不因蒸腾而与氢、氧一同逸出；对电解池材料无腐蚀性；当溶液的pH值变化时，应具有必定的缓冲功用。大都的电解质在电解时易分解，不宜在电解水时选用。硫酸在阳极生成过硫酸和臭氧，腐蚀性很强，不宜选用。而强碱能满足以上要求，所以工业上一般都以KOH或NaOH水溶液作为电解液。KOH的导电功用比NaOH好，但价格较贵，在较高温度时，对电解池的腐蚀作用亦较NaOH的强。以前我国常选用NaOH作电解质，但是，鉴于现在电解槽的材料现已能抗KOH的腐蚀，所以，为节约电能，现已广泛趋向选用KOH溶液作为电解液。此外，在电解水的进程中，电解液中会含有连续分出的氢、氧气泡，使电解液的电阻增大。电解液中的马泡容积与包括气泡的电解液容积的百分比称作电解液的含气量。含气量与电解时的电流密度，电解液粘度、气泡大小、作业压力和电解池结构等要素有关。增加电解液的循环速度和作业压力都会减少含气量；增加电流密度或作业温度上升都会使含气量增加。在实践情况下，电解液中的气泡是不可避免的，所以电解液的电阻会比无气泡时大得多。当含气量抵达35%时，电解液的电阻是无气泡时的2倍。下降作业电压有利于减少电能消耗，为此应采用有用方法来下降氢、氧超电位和电阻电压降。正常的情况下，在电流较小时，前者是首要要素；而在电流比较大时，后者将成为首要要素。电解槽在高作业压力下工作时，电解液含气量下降，然后使电解液电阻减小，为此现已研宣告可在3MPa压力下作业的电解槽。但是作业压力也不宜过高，否则会增大氢气和氧气在电解液中的溶解度，使它们通过隔膜从头生成水，然后下降电流效率。前进作业温度相同可以使电解液电阻下降，但随之电解液对电解槽的腐蚀也会加剧。如温度大于90℃时，电解液就会对石棉隔膜构成严峻损害，在石棉隔膜上构成可溶性硅酸盐。为此，现已研宣告了多种抗高温腐蚀的隔膜材料，如镍的粉末冶金薄片和钛酸钾纤维与聚四氟乙烯粘结成的隔膜材料，它们可以在150℃的碱液中运用。为了下降电解液的电阻，还可以采用下降电解池的电流密度，加快电解液的循环速度，恰当减小电极间距离等方法。四、制氢设备的制氢量衡算和电能消耗1、法拉第规则电解水溶液制氢时，在物质量上严格遵守法拉第规则：各种不同的电解质溶液，每通过96485.309C的电量，在任一电极上产生得失1 mol电子的电极反应,一同与得失1 mol电子相对应的任一电极反应的物质量亦为1mol。F=96485.309C/mol称为法拉第常数，它标明每摩尔电子的电量。在一般核算中，可以近似取F=96500C/mol。根据拉第规则，能取得下式：??????????????M=kIt=kQ式中??k——标明1h内通过1A电流时分出的物质量，g/(A·h)；?????? I——电流，A；?????? t——通电时间，h；??????m——电极上分出的物质的质量，g；??????Q——通过电解池的电荷量，A·h。由于库仑单位很小，所以工业上常用的电荷量单位是安培·小时，它与法拉第常数F的联络是：??????????????1F=96500/3600=26.8??????A·h2、制氢量衡算从法拉第规则可知，26.8A·h电荷量能产生0.5mol的氢气，在标准情况下，0.5mol氢气占有的体积是11.2L，则1A·h电荷量在一个电解小室的产气量应为???????? ???? （A·h）假设考虑电流效率，那么每台电解槽每小时的实践产氢量应为：?????????????????????????? m3式中?? m——电解槽的电解小室数，m= ????I——电流，A；????t——通电时间，h；?? ——电流效率，%。相同地，可以核算出氧气的产气量，它正好是氢气产气量的1/2。??????????????????????3、电能的消耗电能消耗W与电压U和电荷量Q成正比，即?? W=QU根据法拉第规则，在标准情况下，每产生1m3的氢气的理论电荷量Q0为：??????????????????因此，理论电能消耗W0为：???????????????? 式中：U0为水的理论分解电压，U0=1.23V。在电解槽的实践工作中，其作业电压为理论分解电压的1.5~2倍，而且电流效率也达不到100%，所以构成的实践电能消耗要远大于理论值。现在通过电解水设备制得1m3氢气的实践电能消耗为4.5~5.5kW·h。4、电解用水消耗电解用水的理论用量可用水的电化学反应方程核算：???????????????????? 通电??2H2O????????2H2↑+O2↑???????????????????????? KOH???????????? 2×18g??????2×22.4L?????????????? xg???????? 1000L式中：x为标准情况下，出产1m3氢气时的理论耗水量，g；22.4L为1mol氢气在标准情况下的体积。???????????????????????? x/18=1000/22.4????????????????????????????x=804g在实践作业进程中，由于氢气和氧气都要携带走必定的水分，所以实践耗水量稍高于理论耗水量。现在出产1m3氢气的实践耗水量约为845~880g。 宣告议论议论 (0) 宣告议论 窗体顶端 登录名 ? 暗码 ? 游客无须输入暗码 ? ? 注册企博网帐号 窗体底端

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