Меню

При пропускании постоянного тока через воду ее

Электролиз воды

Электролиз воды и водных растворов

Электролиз воды

Электролиз воды это процесс разложение воды электрическим током используют различные электролизеры, например аппарат Гофмана и др. Раньше они входили в состав оборудования школьных кабинетов химии. Но эти приборы с платиновыми и серебряными электродами дорогие, хрупкие и недолговечные.

Электроды из благородных металлов заменили свинцовыми и никелевыми. Приборы стали прочнее, но имели существенный недостаток— образование вторичных продуктов электролиза.

Было предложено много самодельных приборов для электролиза воды . Материалом для электродов служило железо, а электролитом был раствор щелочи. В таких самодельных приборах можно получить водород и кислород в объемных отношениях приблизительно как 2: 1.

Термическое разложение воды

В то время как электролиз воды проходит при обыкновенной температуре, термическое разложение воды требует нагревания до очень высокой температуры (выше 1000 °С), что свидетельст вует о прочности этого соединения.

Так, пары воды частично разлагаются на водород и кислород при сильном нагревании платиновой спирали, которую можно заменить спиралью из других тугоплавких металлов (например, вольфрама).

Установка для термического разложения (диссоциации) воды изображена на рисунке 2.

Разложение воды

Меры предосторожности. Перед раскаливанием спирали необходимо удалить из установки воздух, для чего воду в колбе кипятят. Провода подключают к источнику электрического тока (через ВС-24М или В-24). Цилиндр с собранной гремучей смесью обертывают полотенцем и подносят к пламени.

Электролиз водных растворов солей

Прибор для электролиза растворов солей (рис. Б) представляет собой дугообразную трубку с двумя отростками для отвода образующихся газов, например хлора и водорода при электролизе раствора хлорида натрия. Электроды—угольные (графитовые) стержни.

Рис. 2 — А. Установка для термического разложе ния воды.

Рис. 2 — Б. Прибор для электролиза растворов солей.

Опыты по электролизу воды и водных растворов солей можно осуществить в приборе для опытов по химии с электрическим то .

Для демонстрации электролиза воды в электролизер наливают дистиллированную воду так, чтобы уровень ее на 2— 3 см был выше электродов. В качестве электролита используют 10 %-ный раствор гидроксида натрия. В две демонстрационные пробирки (ПХ-21) также наливают дистиллированную воду с добавлением электролита.

Пробирки поочередно закрывают пробкой с держателем, опрокидывают вверх дном в электролизер; открывают под водой пробку и надевают пробирки на электроды. Прибор подключают к источнику постоянного тока с напряжением 40 В (ИЭПП-1 или ИЭПП 2) при условии, что контакт экспериментатора с электролитом исключен.

Для этого в старых образцах набора следует сделать к электролизеру крышку (из картона, дерева, пластмассы) с отверстиями для пробирок. В противном случае нельзя пользоваться электрическим током с напряжением свыше 12 В.

Аналогично проводят опыт по электролизу водного раствора иодида калия. Электролизер и демонстрационные пробирки заполняют раствором иодида калия. В одну из пробирок, которую надевают на катод, добавляют 1— 2 капли фенолфталеина, а во вторую — 2—3 капли крахмального клейстера.

Подключают прибор к источнику постоянного тока и через 1 —2 мин (U 40В) наблюдают малиновое окрашивание в катодном пространстве (в пробирке с фенолфталеином) и синее — в анодном (в пробирке с крахмалом). Практическое значение имеет электролиз раствора хлорида натрия, дающий три важных продукта: гидроксид натрия, хлор и водород. Из последних двух продуктов может быть получена синтетическая соляная кислота.

Электролиз хлорида натрия

Лабораторные установки для электролиза раствора хлорида натрия рассматриваются в руководствах по химическому эксперименту. Одна из таких установок была предложена М. В. Федякиным (журнал «Химия в школе», 1964, № 5). Она состоит из стеклянной трубки ( 30 мм), закрытой двумя резиновыми пробками.

В прибор через воронку наливают насыщенный раствор хлорида натрия до уровня, показанного на рисунке. Установку подключают к источнику постоянного тока напряжением 15—20 В,

При электролизе на катоде 4 выделяется водород, который собирают над трубкой 6 в пробирку и испытывают на горючесть.

Выделяющийся на аноде хлор выводится по газоотводной трубке в сосуд с иодокрахмальным раствором (на рисунке не показано). Сливают в отдельные стаканы жидкость из анодного про странства и катодного пространства, а в третий стакан — исходный раствор хлорида натрия. Во все три стакана прибавляют раствор лакмуса (фиолетового цвета). Исходный раствор показывает нейтральную реакцию, жидкость при катоде — щелочную, а при аноде —разрушает лакмус (действие растворенного хлора).

Установка для электролиза солей

Установку для электролизера растворов солей (а также воды) можно собрать из специальных деталей набора НДПХ. В качестве электролизера используют Н-образную трубку-реактор 1 ( с кранами 2 и 4), в которую вставляют две пробки с электродами: железным и угольным.

В колбу при закрытом зажиме наливают прозрачный насыщенный раствор хлорида нат рия, заготовленный заранее. К клеммам электродов присоединяют проводники от источника постоянного тока ВС-24М (В-24). Напряжение тока 25—30 В, сила тока 4 А. Через 2—3 мин колбу поднимают на демонстрационный столик.

Водород собирают в пробирку, открывают кран и доказывают наличие газа. В пробирку над краном помещают иодокрахмальную бумажку , с помощью которой доказывают наличие хлора.

Получившийся раствор щелочи берут из электролизера в пробирку через тройник с зажимом . Проводят испытание раствора щелочи фенолфталеином.

Статья на тему Электролиз воды

Источник

При пропускании постоянного тока через воду ее

Весной 1800 г. знаменитый итальянский физик Алессандро Вольта послал сообщение президенту Лондонского королевского общества об изобретении им «искусственного электрического органа». Это была вольтова батарея, или вольтов столб, как назвали аппарат позднее. Он состоял из чередующихся металлических и смоченных соленой водой картонных дисков. Если прикоснуться пальцами к верхнему и нижнему дискам, то ощущается заметный удар; электрический разряд будет тем сильнее, чем больше дисков в батарее.

Читайте также:  Величина какого тока опасна для человека

Президент рассказал об этом английским ученым Уильяму Николсону и Антони Карлейлю. Они изготовили столб из 17 серебряных монет, стольких же цинковых пластинок и кружков картона, смоченных соленой водой. Для улучшения контакта с верхней пластинкой на нее нанесли каплю воды. Было замечено, что если в эту каплю ввести проволочку, отходящую от противоположного полюса, то из капли воды выделяется водород. Тогда Николсон и Карлейль поставили специальный опыт. Стеклянную трубку наполнили речной водой, закрыли с обеих сторон пробками, через которые пропустили две медные проволочки от разных полюсов батареи.

При прохождении тока на одной из проволочек выделился водород, а другая почернела-окислилась, соединяясь с кислородом. «Вызывало удивление, что водород выделяется на одном конце, тогда как кислород-на другом, отстоявшем от первого почти на два дюйма», — писал Николсон (1 дюйм равен около 2,54 см). Так 2 мая 1800 г. было проведено разложение воды с помощью гальванического тока.

Этим явлением заинтересовался Г. Дэви. Он обнаружил, что если картонные кружки смачивать чистой водой, то вольтова батарея не работает, однако объяснить этого он не мог.

В 1801 г. немецкий ученый Иоганн Риттер, пропуская ток через раствор соли серебра, отметил, что металл осаждается на отрицательном полюсе. Он даже попытался объяснить процессы, происходящие при этом. Считая воду простым телом (что было уже анахронизмом в начале XIX в.), Риттер предполагал, что она не разлагается на водород и кислород, а превращается в них: получая положительное электричество, вода «становится» кислородом, который и выделяется на положительном полюсе, а когда она присоединяет отрицательное электричество, то «превращается» в водород, выделяющийся на отрицательном полюсе.

Берцелиус, подвергая электролизу различные соли, кислоты и другие вещества (1802-1807), обнаружил, что кислород воды и ангидриды кислот («кислоты солей») выделяются у положительного полюса, а водород, оксиды металлов («щелочи») и сами металлы-у отрицательного.

Теоретически обосновал механизм электролиза Теодор Гротгус (1805). «Наблюдения над действием вольтова столба вызвало во мне идею, что подобная же полярность могла бы образоваться между молекулами воды, если на них действует такой же электрический агент. И я должен сознаться, что для меня это стало лучом света». Вот как Гротгус представлял механизм электропроводности: молекула воды состоит из отрицательно заряженного кислорода и положительно заряженного водорода. При пропускании гальванического тока возникает электрическая полярность между атомами, что аналогично действию вольтова столба. При этом атомы кислорода начинают двигаться к положительному полюсу, а атомы водорода-к отрицательному.

Свои взгляды Гротгус развивает в работе «О химическом действии света и электричества» (1818). Молекулы воды, по его мнению, располагаются так, что положительный «конец» одной прикасается к отрицательному концу другой: ± + ± + . При пропускании тока все молекулы выстраиваются (ориентируются) вдоль линий тока. Молекула у электрода распадается на две частицы: одна получает от электрода заряд, при этом выделяется газ; другая реагирует с рядом стоящей молекулой, разделяет ее на две частицы и соединяется с одной из них, образуя новую молекулу, а оставшаяся частица взаимодействует таким же образом с третьей молекулой; так по цепочке заряд передается до противоположного электрода, который принимает заряд, и выделяется газ. В воде постоянно действует гальванический ток, но он не вызывает химических изменений, так как «элементарные электрические силы», возникающие между отдельными молекулами, находятся в равновесии. Если же в воде растворить соль, то она сразу же распадется на противоположно заряженные частички, которые вступают «в бесконечно деятельный гальванический круг молекул воды». Это в свою очередь увеличивает ее электропроводность. Теория Гротгуса была первой электрохимической теорией.

Тогда же Берцелиус выступил со своей теорией строения, которая была изложена в третьем томе его знаменитого «Учебника химии». Он считал, что каждое сложное вещество состоит из двух частей: электроположительной и электроотрицательной (например, сульфат натрия состоит из Na2O + и SO — 3). При химическом взаимодействии противоположно заряженные части нейтрализуются не полностью. В зависимости от того, какой заряд преобладает, тела бывают положительно или отрицательно электрополярны. Полярность данного атома зависит от того, с каким атомом он связан. Но отчего в частицах, составляющих вещества, появляются заряды?

Гротгус и Дэви полагали, что заряды возникают в результате разложения веществ, тогда как Био, Рейс, де ля Рив утверждали, что частицы получают их о г полюсов электрической батареи. В 1834 г. Майкл Фарадей вывел законы электролиза, знакомые теперь каждому школьнику. Он исходил из того, что ионы в молекулах связаны прочно и для преодоления сил притяжения нужно определенное напряжение; скорость же движения в растворе у всех ионов одинакова. Именно Фарадей ввел термины электрод, электролиз (от электрон и лизис, последнее слово означает расторжение, растворение), анод — для положительного электрода и катод -для отрицательного. Все вещества были разделены им на электролиты (проводящие при растворении ток) и неэлектролиты. Термины ион (от идущий), а также катион и анион (для обозначения положительно и отрицательно заряженных частиц в растворе) были введены также Фарадеем. Английский ученый установил:

если молекула распадается в растворе на два иона, то они обладают равными и противоположными зарядами; у всех одновалентных ионов величина заряда одинакова, у двухвалентных она вдвое больше, у трехвалентных — втрое и т.д.

Законы Фарадея не могли быть объяснены теорией Берцелиуса. Было, например, не совсем понятно, почему кислород и водород выделяются не только при электролизе воды, но и при электролизе растворов некоторых солей.

Читайте также:  Где искать утечку тока в автомобиле

В 1839 г. английский физик и химик Джон Даниель в работе «Об электролизе вторичных соединений», написанной в виде письма к Фарадею, отмечал, что в образовании водорода и кислорода ток не принимает участия и они являются вторичными продуктами. Соли же состоят из аниона кислотного остатка и катиона металла (т.е., как и предлагал в 1815 г. Дэви, соли надо рассматривать как соединения электроположительного металла с электроотрицательным радикалом — кислотным остатком).

В 1853 г. была опубликована докторская диссертация русского физика А. С. Савельева «О гальванической проводимости жидкостей». В ней он показал, что проводимость электролитов в растворах связана с их разложением. При повышении температуры усиливается разложение, а соответственно возрастает и проводимость. Концентрированные растворы обладают слабой проводимостью, так как в них затруднено движение ионов. При разбавлении раствора его проводимость увеличивается (правда, до определенного предела, затем она снижается).

Большую серию экспериментов провел немецкий физикохимик Вильгельм Гитторф; он установил, что концентрация раствора в прианодном и прикатодном пространстве во время электролиза меняется, и объяснил это различием в скоростях движения ионов разных знаков. Измеряя концентрацию растворов в приэлектродных пространствах до и после электролиза, можно установить относительную скорость ионов. А как возникают ионы? Образуются ли они при растворении вещества в воде, а током только переносятся, или же ток вначале разлагает молекулы на ионы и только после этого перемещает их в растворе? Последнего мнения придерживался Фарадей. Однако проведенные позже расчеты доказали, что вся энергия тока идет только на передвижение ионов, а следовательно, ток не может разлагать молекулы на ионы. На это и обратил внимание известный немецкий ученый Рудольф Клаузиус в статье «О проводимости электричества в электролитах», опубликованной в 1857 г., в которой он писал: «. сделанное. предположение, что частицы молекул электролита неизменно связаны друг с другом, оказывается неверным».

Клаузиус считал, что при тепловом движении молекулы сталкиваются и некоторые из них при этом разделяются на части, которые могут существовать какое-то время в свободном виде, а затем вновь соединяться в молекулы. Раз это так, то роль электрического тока состоит не в разъединении молекул, а в придании направленного движения таким свободно существующим частицам: одним (катионам) — к катоду, другим (анионам)-к аноду. В 70-80-х гг. появилось немало работ, посвященных электролизу. Знаменитый немецкий физик Герман Гельмгольц считал, что ток не разлагает электролиты на ионы, а только отнимает от последних заряды. Немецкий физикохимик Фридрих Кольрауш исследовал зависимость электропроводности растворов солей и кислот от их концентрации. Он установил закон «независимого движения ионов» для разбавленных растворов:

подвижность определенного иона всегда постоянна и не зависит от природы электролита.

Он же доказал, что чистая вода имеет большое сопротивление.

Исследования электролиза вплоть до 1880-х гг. носили в основном качественный характер.

Источник

Физики раскрыли секрет того, почему вода проводит ток

МОСКВА, 2 дек – РИА Новости. Ученые впервые проследили за тем, как одна молекула воды передает протоны своей «соседке», и раскрыли секрет того, почему вода пропускает ток, а другие похожие на нее вещества – не обладают таким свойством, говорится в статье, опубликованной в журнале Science.

«Когда через воду проходит ток, атомам кислорода при этом почти не приходится двигаться. Этот процесс можно сравнить с знаменитой «колыбелью» Ньютона, набором подвешенных шариков, выстроенных в линию. Если поднять один из них и ударить им по линии, только концевые шарики будут двигаться, а остальные будут стоять на месте», — рассказывает Марк Джонсон (Mark Johnson) из Йельского университета (США).

Дистиллированная вода, как и многие другие вещества, состоящие из двух неметаллических элементов, является изолятором, почти не пропускающим электрический ток. Но если в воду добавить даже очень небольшое число ионов, ее электропроводность резко вырастает и она становится полноценным проводником. О том, почему вода проводит ток, ученые спорят уже более двух столетий.

В начале 19 века немецкий химик Теодор Гротгус предложил теорию, которая объясняла то, почему вода пропускает через себя ток и почему электричество может разлагать ее на водород и кислород. Он посчитал, что молекулы воды могут захватывать лишние протоны и передавать их друг другу, подобно палочке в эстафете, благодаря формированию новых водородных и ковалентных связей и их быстрому распаду.

Источник



ЭЛЕКТРОЛИЗ ВОДЫ — КАК ОН ЕСТЬ

Еще раз про Н2О
К ак уже говорилось, впервые химический состав воды был определен французским химиком Лавуазье в 1784 году. Лавуазье вместе с военным инженером Мёнье, прогоняя пары воды над раскаленным листом железа, обнаружил, что вода разлагается, выделяя при этом водород и кислород. Да, конечно, для своего времени, для эпохи «упорядочения вещей», эти выводы имели большое значение. В самом деле, ведь до этого открытия вода считалась совершенно однородным веществом. Нельзя, однако, не отметить и другого: открытие это сыграло и свою вполне очевидную отрицательную роль, так как надолго отвлекло внимание других ученых от поисков в этой области и утвердило в умах многих поколений непогрешимость данного вывода, освященного к тому же авторитетом ученого.
Но, что условия, при которых он проводился, были настолько несовершенны, были «грязны».
Чего стоит одно только наличие железа, над которым пропускались пары воды. Оно способно внести такие моменты в опыт, которые даже трудно учесть наперед. Лавуазье с партнером зафиксировали в своем опыте то, что было наиболее очевидным: выделение двух газов — водорода и кислорода, а что было сверх того, на это они и вовсе не обратили внимание, скорее всего по той причине, что это «сверх того» не было столь очевидным, как выделение двух газов.
Поскольку до этого открытия общим мнением, господствовавшим в науке, было мнение, что вода яв­ляется однородным веществом, факт открытия ее не­однородного состава можно назвать революцион­ным. Чего еще можно было требовать от первооткры­вателей! К тому же очевидность результатов опыта была слишком подкупающей.
Старый взгляд на воду был отброшен и заменен новым представлением о во­де как соединении двух элементов — водорода и кис­лорода, которое быстро утвердилось в науке. Этому способствовало в значительной мере развитие элект­рохимии.

Читайте также:  Чем объясняется поворот магнитной стрелки вблизи проводника с током

ЭЛЕКТРОЛИЗ по Дэви
Р ядом ученых (Никольсон, Кавендиш и др.) был проведен опыт по электрохимическому разложению воды (подобное оп­ределение данного процесса совершенно ошибочно). Под словом «разложение» надо понимать электролиз воды как сложный окис­лительно-восстановительный процесс, но отнюдь не как простое разложение воды на составляющие эле­менты.
Итак, при разложении, т.е. электролизе воды вы­делялись водород и кислород, что, казалось бы, внешним образом подтверждало вывод Лавуазье. Однако при этом «черный ящик» стал неожиданно выдавать дополнительную информацию, которой прежде не было. В процессе электролиза обнаружи­лось два странных явления: во-первых, обе состав­ные части воды выделялись не вместе, а отдельно друг от друга — кислород у одного электрода, водо­род — у другого; во-вторых, наблюдалось образова­ние кислоты у кислородного полюса и щелочи у во­дородного. Это «странное» разложение воды озада чило ученых; притом их больше беспокоила вторая «странность», т.е. появление кислоты и щелочи.

Не видя каких-либо явных источников появле­ния в опытах азота, Дэви предположил, что образо­вание азотной кислоты было обязано соединению водорода и кислорода в момент их выделения с азо­том воздуха, растворенным в воде. Для подтвержде­ния своей догадки, он проделал тот же опыт под ко­локолом воздушного насоса, из которого он выкачал воздух (как он пи ш ет сам: осталась лишь 1/64 его первоначального объема). В итоге получились сле­дующие обнадеживающие для него результаты: в ка­тодном сосуде вода вовсе не обнаруживала присут­ствия щелочи, в анодном сосуде лакмусовая бумаж­ка слабо окрасилась в красный цвет, что свидетель­ствовало об образовании там небольшого количест­ва кислоты. Казалось, его догадка подтверждалась. Чтобы уже окончательно убедиться в своей правоте, Дэви еще раз повторил свой опыт под колоколом, но теперь уже в атмосфере чистого водорода. При этом для большей чистоты опыта он дважды на­полнял колокол водородом, чтобы удалить всякие остатки воздуха. Итоги опыта превзошли все ожида­ния: ни в одном из сосудов не было обнаружено да­же следов щелочи и кислоты. Эти опыты не остави­ли у Дэви никаких сомнений в том, что образование кислоты и щелочи у электродов — явление случай­ное и не связано с химическим составом воды, а обя­зано лишь присутствию воздуха, в котором, как изве­стно, содержится азот. Они убедили не только Дэви, но и многие поколения химиков после него. После этих опытов было уже как бы неприлично возвра­щаться вновь к вопросу о химическом составе воды — всем все стало ясно.

Вода «под пыткой» у Дэви
А действительно ли в опытах Дэви все было так безу­коризненно чисто и хорошо? Рассмотрим опыт Дэви по элек­тролизу воды под колоколом воздушного насоса. По­чему в этом опыте образовалось лишь небольшое ко­личество кислоты в анодном сосуде и не было вовсе обнаружено щелочи в сосуде катодном? Действи­тельно ли, как думал Дэви, это было связано с отсут­ствием воздуха, выкачанного из-под колокола? От­части да, но совершенно в другом смысле, нежели он предполагал. Начать с того, что Дэви допустил серь­езную ошибку в своем первоначальном предположе­нии, что причиной образования кислоты и щелочи являлся азот воздуха. Образование кислоты и щело­чи к азоту воздуха никакого отношения иметь не могло по той простой причине, что азот в обычных условиях химически не активен, не растворяется в воде и не вступает в реакции ни с кислородом, ни с водородом. Один этот факт должен был бы на­толкнуть на поиски иных источников образования кислоты и щелочи. Позже, правда, высказывалось предположение, что образование кислоты и щелочи в опытах было, возможно, вызвано присутствием в воздухе некоторого количества аммонийных солей. Этим объяснением и удовлетворились. Однако вряд ли можно всерьез принимать данное объяснение, так как, во-первых, оно было сделано постфактум и, во- вторых, даже если бы какое-то количество таких со­лей и впрямь присутствовало, то оно настолько должно было быть мало, что не могло оказывать по­стоянного и закономерного образования кислоты и щелочи в каждом опыте, количество которых стоя­ло, как говорилось, лишь в прямой зависимости от продолжительности проводимых опытов.

Итак, множество фактов биологического, химиче­ского и физического свойства не дает оснований при­знать существующую формулу воды верной. Против нее говорят не только эмпирические факты, но и тео­ретические положения и, прежде всего, те, которые вытекают из таких фундаментальных положений, ка­ковыми являются начала термодинамики . Именно с ними совершенно не согласуется взгляд на электро­лиз воды как на процесс простого разложения воды.

Источник