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电解水的化学原理

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       首先预习一下电解的原理。电解普遍采用直流电,即在反应体系一端连接正极,一端连接负极,通过外电路向反应体系输出电流(即提供能量)从而产生一系列独特的化学反应自然界中的化学反应总是会自发地向着反应体系总能量减小的方向进行,这是自然界的规律,在这里不做过多的解释,有兴趣可以去了解一下热力学上的吉布斯自由能以及焓和熵的概念。

      在这里还是以氢气和氧气的反应为例,氢气和氧气在点燃的条件下可以迅速生成水,放出大量的热,所以这是一个体系能量减小的反应,可以自发进行,反之,由水生成氢气和氧气,则是个体系总能量增加的反应,不可以自发进行,如果需要发生,则需要外加能量提供给整个反应体系,而电解,就可以通过向反应体系提供能量来促使这类本身不自发的反应发生。

       电解池中与电源正极相连的称为阳极,与电源负极相连的称为阴极,学过初二物理的应该知道,直流电体系中,电流流出的电极为正极,流入的电极为负极,而实际上电路体系中并非正电荷在移动,而是电子的迁移,所以真实情况是:电子从负极流出,经过外电路从正极回到电源系统从而形成通路。

       所以就电解池来说,大量电子在阴极表面富集,从而使阴极的还原性提高(还原反应需要得电子,阴极存在大量电子),反之阳极的氧化性提高(氧化反应需要失电子)。就水分解的反应来说,H2O中的H为+1价,变成氢气之后即变为0价,化合价降低,故产生H2的反应为还原反应,因此氢气在阴极产生,同理氧气在阳极产生,这就是电解水的基本原理。

补充几个细节问题来帮助理解:

Q1:电解水的条件是什么,为什么日常生活中将干电池连接到水中无法发生电解?

好多回答说水的分解电压在1.23V,理论上一节干电池(1.5V)就可以促使水的电解。然而这仅仅是理论上的,实际操作中需要考虑很多因素,水的电解过程中需要提供的电压 :[公式]

其中 [公式] 为水的理论分解电压 V

[公式] 为电解电流 A

[公式] 为电解池总电阻 Ω

[公式] 为析氢超电位

[公式] 为析氧超电位

      而且为了保证电解反应的稳定进行,通常需要施加较高的电流,低电压高电流是电解水的特点,所以说实际操作中需要稳定持续的电源提供大电流,整个电源系统需要提供稳定的高功率输出(P=IU),有危险性,不建议私自操作。

Q2:电解水的具体过程是怎样的?

      这个其实远比我们所见的 [公式] 要复杂的多,如上所说,水的分解需要克服电解池的总电阻,由于纯水的导电性很差,所以为了降低电阻需要向水中加入稳定电解质来增加电荷的传导能力。通常选择的电解质为强碱,如KOH或者NaOH。 常见的电解质如NaCl等,因为在电解过程中电解质本身会参与反应,产生氯气,所以不可以使用(产生氯气的原因在此不赘述)。而强碱因为在电解过程中本身稳定,所以在工业电解中普遍采用,下面就以KOH为电解质的电解过程做简单的介绍。

      首先在阴极发生还原反应:电解液中的 [公式] (水的电离平衡所产生的)受阴极的电荷吸引向阴极迁移,在阴极上接收电子析出氢气,其电极反应为:

[公式]

产生的氢气在阴极析出,OH-在电解液中被阳极吸引,迁移到阳极参与反应:

[公式]

      可以发现,将两个电极反应相加,总反应就是水的分解反应: [公式]

      在一步电解过程中,水是无法直接获得H2和O2的,首先是水分子在阴极表面获得能量,其中一个O-H键发生断裂,产生一个氢氧根(OH-)和一个氢离子(H+),其中H+和另一个分解的水分子中产生的H+结合,生成H2

而剩下的OH-受到阳极的吸引向阳极迁移,并在阳极继续发生断键,生成O离子和H离子,其中一个氢离子和未分解的OH-结合,产生水,而剩下的O离子则结合产生O2,并在阳极释放出多余的电子,从而完成整个电荷转移的平衡。

 

2021年4月6日 13:13
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