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电解水制取氢气的基础理论--第1页
电解水制取氢气的基础理论
在一些电解质水溶液中通入直流电时,分解出的物质与原来的电
解质完全没有关系,被分解的是作为溶剂的水,原来的电解质仍然留
在水中。例如硫酸、氢氧化钠、氢氧化钾等均属于这类电解质。在
电解水时,由于纯水的电离度很小,导电能力低,属于典型的弱电解
质,所以需要加入前述电解质,以增加溶液的导电能力,使水能够顺
利地电解成为氢气和氧气。
一.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,溶于水后即发生如下电离过程:
于是,水溶液中就产生了大量的K+和OH-。
(2)金属离子在水溶液中的活泼性不同,可按活泼性大小顺序排列
如下:
K>Na>Mg>Al>Mn>Zn>Fe>Ni>Sn>Pb>H>Cu>Hg>Ag
>Au
在上面的排列中,前面的金属比后面的活泼。
(3)在金属活泼性顺序中,越活泼的金属越容易失去电子,否则反
之。从电化学理论上看,容易得到电子的金属离子的电极电位高,而
排在活泼性大小顺序前的金属离子,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,在水溶液中同时存在H+和K+时,H+将在阴极上首
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先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+就会首先得到电子而成为氢气。
二、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发生下列电
解反应,见图2-1。
图2-1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,接受电子而析出氢气,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,最后放
出电子而成为水和氧气,其放电反应为:
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阴阳极合起来的总反应式为:
所以,在以KOH为电解质的电解过程中,实际上是水被电解,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必须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析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可表示为:
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,应该尽可能地降低电解电压。下面讨论影响电
解电压的几个因素:
(1)水的理论分解电压U。热力学的研究得出:原电池所做的最大
O
电功等于反应处由能变的减少,即:
式中
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