Σας παρουσιάζω τη μετάφραση ενός άρθρου που περιγράφει τις παραμέτρους (ηλεκτρολύτες, ηλεκτρόδια, χρόνος πραγματοποίησης κτλ) που πρέπει να προσέξετε για να πετύχετε την καλύτερη δυνατή επίδειξη της ηλεκτρόλυσης του νερού με συσκευή Hoffman.
Παλιότερα είχα γράψει ένα άρθρο για την Ηλεκτρόλυση με συσκευή Hoffman. Ο φίλος και συνάδελφος Αντώνης Κουφού, αφού το διάβασε, μου είπε ότι έχω κάνει κάποιο λάθος και η χρήση υδροχλωρικού οξέως ως ηλεκτρολύτη παράγει αέριο χλώριο στην άνοδο και όχι οξυγόνο.
Πριν ένα μήνα, στα πλαίσια των συναντήσεων με εκπαιδευτικούς για επίδειξη πειραμάτων, είπα να ασχοληθώ ξανά με το θέμα της ηλεκτρόλυσης του νερού. Σκοπός μου ήταν να βρω μία απλή μέθοδο ώστε το πείραμα να γίνεται εύκολα στα πλαίσια του μαθήματος Χημείας Β Γυμνασίου. Έψαξα αρκετά στο δίκτυο και βρήκα πολλές προτάσεις με απλά υλικά για ηλεκτρόλυση αλλά όσες αφορούσαν την ηλεκτρόλυση του νερού καμία δεν διέσπασε νερό προς δύο όγκους Η2 και ένα όγκο Ο2.
Για παράδειγμα, πολλές ιστοσελίδες παρουσιάζουν το γραφίτη ως ένα αδρανές ηλεκτρόδιο (μπορούμε εύκολα να βρούμε γραφίτη από τον πυρήνα ενός μολυβιού) που μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην ηλεκτρόλυση του νερού. Όλες οι δοκιμές ηλεκτρόλυσης που έκανα με γραφίτη (με χρήση διαφόρων ηλεκτρολυτών και τάσεων) οδήγησαν στη συμμετοχή του γραφίτη στην αντίδραση και στη σταδιακή διάβρωση του.
Άρχισα λοιπόν να μιλάω με συναδέλφους χημικούς για να με καθοδηγήσουν. Ο Στέλιος Τερζάκης μου είπε ότι είχε ένα παρόμοιο πρόβλημα στα φοιτητικά του χρόνια και βρήκε τη λύση στο άρθρο Zhou, Rei, “How to Offer the Optimal Demonstration of the Electrolysis of Water” J. Chem. Ed. 1996: 73, 786. Με αρκετό κόπο, βρήκα το άρθρο και με βοήθησε πολύ να κατανοήσω τις ιδιαιτερότητες της ηλεκτρόλυσης του νερού και πως να πραγματοποιήσω μία επιτυχημένη επίδειξη της.
Παρακάτω έχω μεταφράσει τα πιο σημαντικά μέρη του άρθρου.
Πως να πετύχετε τη βέλτιστη επίδειξη της ηλεκτρόλυσης του νερού
Εισαγωγή
Η πρακτική επίδειξη που αποκαλύπτει τη σύσταση του νερού, βασίζεται στην αντίδραση διάσπασης του νερού προς παραγωγή δύο όγκων αερίου υδρογόνου και ενός όγκου του αερίου οξυγόνου με χρήση συσκευής Hoffman (βλέπε εικόνα). Τα δύο ηλεκτρόδια είναι κατασκευασμένα από αδρανές μέταλλο λευκοχρύσου και συνδέονται με τροφοδοτικό συνεχούς τάσης. Προκειμένου να διευκολυνθεί η ροή του ηλεκτρικού ρεύματος στη διάταξη, προστίθεται συνήθως στο νερό λίγο H2SO4 ή NaOH. Επίσης και το άλας Na2S04 μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον ίδιο σκοπό. Κανένας από τους παραπάνω ηλεκτρολύτες (H2SO4, NaOH και Na2S04) δεν εμπλέκεται άμεσα στις αντιδράσεις που λαμβάνουν μέρος στα ηλεκτρόδια.
Οι αντιδράσεις που λαμβάνουν μέρος είναι:
Στην άνοδο: 2H2O → O2(g) + 4H+ + 4e–
Στην κάθοδο: 4e– + 4H2O → 2H2(g) + 4OH–
Αντίδραση εξουδετέρωσης: 4e– + 4H2O → 2H2(g) + 4OH–
Συνολική αντίδραση: 2H2O → 2H2(g) + O2(g)
Παρατηρείται από τις χημικές εξισώσεις, ότι η ποσότητα του H2 που παράγεται είναι διπλάσια από εκείνη του Ο2, το οποίο διδάσκεται σε μαθητές δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης στην ενότητα της ηλεκτρόλυσης του νερού. Στην πράξη όμως, τα αποτελέσματα επιδείξεων συχνά δεν συμφωνούν με τη θεωρία π.χ. ο όγκος του Η2 που παράγεται είναι μεγαλύτερος από το διπλάσιο όγκο του Ο2.
Το άρθρο αυτό περιγράφει τις βέλτιστες συνθήκες για την επίδειξη, προκειμένου να εξασφαλισθεί ότι η παραγόμενη Η2 και Ο2 είναι σε αναλογία 2:1 ικανοποιώντας τη θεωρία.
Διαλυτότητα αερίων
Το αέριο οξυγόνο είναι πιο διαλυτό στο νερό από ό,τι το αέριο υδρογόνο (π.χ. σε θερμοκρασία 20οC και πίεση 100 kPa, η διαλυτότητα του Ο2 στο νερό είναι 31 ml/L ενώ του Η2 είναι 18 mL/L). Συνεπώς, ο όγκος του Ο2 στο σωλήνα αντίδρασης μειώνεται αναλογικά περισσότερο από τον όγκο του Η2, δίνοντας έτσι ένα σφάλμα στην αναλογία του εκλυόμενου αερίου. Προκειμένου να μειωθεί αυτό το σφάλμα, το νερό στο σωλήνα αντίδρασης πρέπει να κορεστεί με Ο2 και Η2 πριν την επίδειξη. Τα αδιάλυτα αέρια Ο2 και Η2 απελευθερώνονται με το άνοιγμα των στροφίγγων των σωλήνων αντίδρασης. Έτσι, η διάταξη είναι έτοιμη για την εκκίνηση της επίδειξης.
Ηλεκτρόδια
Οι παράπλευρες αντιδράσεις των ηλεκτροδίων που συνοδεύουν τη διάσπαση του νερού, έχουν επίσης ως αποτέλεσμα την παραγωγή υψηλότερης αναλογίας όγκου Η2 : 02. Όταν χρησιμοποιείται υδατικό διάλυμα H2SO4 σε θερμοκρασία δωματίου, μπορεί να παραχθεί υπεροξείδιο του υδρογόνου στην άνοδο και κατά συνέπεια η ηλεκτρόλυση δεν είναι αρκετή για να απελευθερώσει αέριο οξυγόνο, μειώνοντας έτσι την ποσότητα του Ο2 στο σωλήνα. Αντίθετα, εάν τα ηλεκτρόδια αποτελούνται από μη καθαρή πλατίνα (που περιέχει ορισμένα δραστικά μέταλλα), η οξείδωση των ηλεκτροδίων επίσης μπορεί να προκαλέσει κάποια απώλεια Ο2 για πυκνό διάλυμα H2SO4 ή να παράχθεί περισσότερο H2 για το αραιό διάλυμα H2SO4. Ετσι εναλλακτικά, υδατικό διάλυμα ΝαΟΗ (ή Na2SO4) μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αντιμετώπιση των παραπάνω προβλημάτων.
Συγκέντρωση ηλεκτρολυτών
Επιπλέον, η συγκέντρωση των διαλυμμάτων H2SO4 ή ΝαΟΗ που χρησιμοποιούνται πρέπει να ανταποκρίνεται. Τα πυκνά διάλυματα H2SO4 ή NaOH δεν είναι κατάλληλα για χρήση λόγω των ισχυρών διαβρωτικών ιδιοτήτων τους. Αντίθετα, πιο αραιά διαλύματα όχι μόνο θα χρειαστούν περισσότερο χρόνο για να παράγουν αρκετό O2 και H2, αλλά επιπλέον και θα προκαλέσουν περισσότερη απώλεια O2 που προκύπτει από τη διαφορετική διαλυτότητα των O2 και Η2. Επίσης, θα πρέπει να σημειωθεί ότι η συγκέντρωση των H2SO4 ή ΝαΟΗ στο υδατικό διάλυμα, θα αυξηθεί με τη διαδικασία της αντίδρασης που οφείλεται στην απομάκρυνση των μορίων του νερού, δεδομένου ότι το υδρογόνο και οξυγόνο που παράγονται προήλθαν από την διάσπαση του νερού. Έχει παρατηρηθεί ότι υδατικό διάλυμα 10 έως 15 % κ.β. H2SO4 ή ΝαΟΗ είναι οι κατάλληλότερες συγκεντρώσεις για βέλτιστο αποτέλεσμα.
Τάση παροχής συνεχούς ρεύματος
Η παροχή συνεχούς τάσης είναι ένας άλλος παράγοντας που πρέπει να ληφθεί υπόψη. Είναι γνωστό ότι όσο υψηλότερη τάση, τόσο ταχύτερη είναι η διάσπαση του νερού και έτσι λιγότερο Ο2 χάνεται. Επιπλέον, προκειμένου να διατηρηθεί μια δεδομένη ταχύτητα στην αντίδραση, όσο χαμηλότερη είναι η τάση τόσο πιο πυκνός πρέπει να γίνει ο ηλεκτρολύτης (H2SO4 ή ΝαΟΗ). Για βέλτιστη ταχύτητα αντίδρασης και για συγκέντρωση 10 έως 15% κ.β. του H2SO4 ή NaOH, το εύρος τάσης από 18 V έως 24 V έχει βρεθεί να είναι σε θέση να ανταποκριθεί στις απαιτήσεις της επίδειξης.
Συνυπολογίζοντας όλους τους παραπάνω παράγοντες, κάποια από τα πειραματικά δεδομένα παρουσιάζονται στον παρακάτω πίνακα.
| Ηλεκτρόδια | Ηλεκτρολύτης | Συγκέντρωση (%) | Τάση (V) | H2 (mL) | O2 (mL) | Χρόνος αντίδρασης (s) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Πλατίνα (σύρμα) | H2SO4 | 10 | 18 | 11.2 | 5.6 | 56 |
| Πλατίνα (σύρμα) | H2SO4 | 15 | 24 | 10.2 | 5.1 | 32 |
| Πλατίνα (ταινία) | NaOH | 10 | 18 | 9.6 | 4.8 | 85 |
| Πλατίνα (ταινία) | NaOH | 15 | 24 | 10.0 | 5.0 | 50 |