물의 전기 분해 : 절차, 기술, 용도 - 화학 - 2026

물의 전기 분해는 전류를 가하여 물을 원소 성분으로 분해하는 것입니다. 진행하면서 수소와 분자 산소 인 H ₂ 와 O ₂ 가 두 개의 불활성 표면에 형성됩니다 . 이 두 표면은 전극의 이름으로 더 잘 알려져 있습니다.

이론적으로 형성된 H ₂ 의 부피는 O ₂ 의 부피의 두 배 여야합니다 . 왜? 물 분자는 H / O 비율이 2, 즉 각 산소에 대해 2 개의 H를 갖기 때문입니다. 이 관계는 화학식 H ₂ O 로 직접 확인됩니다 . 그러나 많은 실험 요인이 얻은 부피에 영향을 미칩니다.

출처 : Flickr를 통한 Antti T. Nissinen

물에 잠긴 튜브 내부에서 전기 분해를 수행하면 (위 이미지) 액체 표면에 압력을 가하는 가스의 양이 더 많기 때문에 물의 아래쪽 열이 수소에 해당합니다. 기포는 전극을 둘러싸고 물의 증기압을 극복 한 후 상승합니다.

튜브는 한 전극에서 다른 전극으로 기체 이동이 적도록 서로 분리되어 있습니다. 낮은 규모에서 이것은 임박한 위험을 나타내지 않습니다. 그러나 산업 규모에서, H의 가스 혼합물 ₂ 와 O _2는 매우 위험하고 폭발입니다.

이러한 이유로 물을 전기 분해하는 전기 화학 전지는 매우 비싸다. 이들은 가스가 혼합하지 않도록 설계 및 소자를 필요로하는 비용 효율적인 전원 전해질 고농도의 특수 전극 (전극 촉매) 및 메커니즘은 H 저장하는 ₂ 생성한다.

전기 촉매는 마찰을 나타내며 동시에 물 전기 분해의 수익성을위한 날개입니다. 일부는 백금 및 이리듐과 같은 귀금속 산화물로 구성되며 가격이 매우 높습니다. 특히 연구자들이 힘을 합쳐 효율적이고 안정적이며 저렴한 전극을 설계하는이 시점에 있습니다.

이러한 노력의 이유는 O의 형성을 촉진하는 ₂ H에 비해 낮은 속도로 발생한다 ₍₂₎ . 이 O 전극에 의해 감속 _2가 형성되어 훨씬 더 필요 (과전압)보다 일반적인 결과로서 전위의인가를 가져온다; 이는 성능 저하와 비용 증가와 동일합니다.

전기 분해 반응

물의 전기 분해는 많은 복잡한 측면을 포함합니다. 그러나 일반적으로 그 기반은 간단한 글로벌 반응에 있습니다.

2H ₂ O (l) => 2H ₂ (g) + O ₂ (g)

방정식에서 볼 수 있듯이 두 개의 물 분자가 관련됩니다. 하나는 일반적으로 감소하거나 전자를 얻어야하며 다른 하나는 산화되거나 전자를 잃어야합니다.

H ₂ 전자의 이득이 H 것을 촉진하기 때문에, 수분의 감소의 제품 ⁺ 양성자가 산소가 OH로 변환되는 공유 결합 할 수 있고, ^- . 따라서, H _(2)는 환원이 발생하는 전극 인 음극에서 생성된다.

O ₂ 는 물의 산화로 인해 발생하는 반면, 수소에 결합 할 수있는 전자를 잃고 결과적으로 H ⁺ 양성자를 방출 합니다. O _2는 양극 산화가 일어나는 전극으로 제조되고; 그리고 다른 전극과 달리 양극 주변의 pH는 산성이며 염기성이 아닙니다.

반쪽 세포 반응

이것은 반세포 반응에 대한 다음 화학 방정식으로 요약 할 수 있습니다.

2H ₂ O + 2E ^- => H ₂ + 2OH ^- (음극, 염기성)

2H ₂ O => O ₂ + 4H ⁺ + (e) ^- (양극, 아세트산)

그러나, 물을 잃게 할 수없는 더 많은 전자 (4E ^- ) 음극에 다른 물 분자 이득 (2E보다 ^- ); 따라서 첫 번째 방정식에 2를 곱한 다음 두 번째 방정식으로 빼야 순 방정식을 얻을 수 있습니다.

2 (2H ₂ O + 2E ^- => H ₂ + 2OH ^- )

2H ₂ O => O ₂ + 4H ⁺ + 4E ^-

6H ₂ O => 2H ₂ + O ₂ + 4H ⁺ + 4OH를 ^-

그러나 4H ⁺ 및 4OH ^- 4H ₂ O를 형성 하므로 6 개의 H ₂ O 분자 중 4 개를 제거하고 ₂ 개를 남깁니다. 그 결과는 방금 설명한 글로벌 반응입니다.

반세포 반응은 pH 값, 기술에 따라 변하며, 물의 전기 분해가 자발적으로 진행되기 위해 공급해야하는 전류의 양을 결정하는 관련 환원 또는 산화 전위도 있습니다.

방법

출처 : Ivan Akira, Wikimedia Commons

Hoffman 전압계는 위 이미지에 나와 있습니다. 실린더는 중간 노즐을 통해 물과 선택된 전해질로 채워집니다. 정상적인 조건에서 거의 없기 때문에 이러한 전해질의 역할은, 물의 전도도를 증가시키는 것이다 H ₃ O ⁺ 와 OH의 이온 ^- 그 자체 이온화의 제품.

두 전극은 일반적으로 백금으로 만들어졌지만 이미지에서는 탄소 전극으로 대체되었습니다. 모두 물의 산화 (O 형성 촉진 전위차 (ΔV)이인가되는 배터리에 접속되어 ₂ ).

이들이 물 그들을 승 및 H가되는 다른 쪽의 전극에 도달 할 때까지 전자 회로 전체 여행 ₂ OH 및 ^- . 이 시점에서 애노드와 캐소드는 이미 정의되어 있으며, 이는 물 기둥의 높이로 구분할 수 있습니다. 가장 낮은 높이를 가진 것은 음극에 해당하며 H ₂ 가 형성 됩니다.

실린더의 윗부분에는 생성 된 가스를 방출 할 수있는 키가 있습니다. H의 존재는 ₂ 주의 깊게 선택 될 수 기체 물이 생성되는 연소의 화염과 반응하여.

기법

물 전기 분해 기술은 생성 되는 H ₂ 및 O ₂ 의 양에 따라 다릅니다 . 두 가스를 함께 혼합하면 매우 위험하기 때문에 전해 전지에는 기체 압력의 증가와 수성 매체를 통한 확산을 최소화하기 위해 복잡한 설계가 포함됩니다.

또한 기술은 전지, 물에 첨가되는 전해질 및 전극 자체에 따라 다릅니다. 한편, 어떤 반응이 전력 소비를 감소 높은 온도에서 수행하고, 기타는 H 유지 막대한 압력을 사용하는 것을 의미한다 ₍₂₎ 에 저장한다.

모든 기술 중에서 다음 세 가지를 언급 ​​할 수 있습니다.

알칼리수로 전기 분해

알칼리 금속 (KOH 또는 NaOH)의 염기성 용액으로 전기 분해가 수행됩니다. 이 기술을 사용하면 반응이 발생합니다.

4H ₂ O (l) + (e) ^- => 2H ₂ (g) + 4OH ^- (수성)

(40H) ^- (수성) => O ₂ (g)를 + 2H ₂ O (l) + (e) ^-

알 수 있듯이 음극과 양극 모두에서 물은 염기성 pH를 가지고 있습니다. 그리고 또한, OH ^- 그들이 O로 산화되는 애노드쪽으로 마이그레이션 ₂ .

고분자 전해 막을 이용한 전기 분해

이 기술에서는 H ⁺ 는 투과 할 수 있지만 가스 는 투과 할 수없는 막 역할을하는 고체 폴리머가 사용됩니다 . 이것은 전기 분해 중에 더 큰 안전을 보장합니다.

이 경우에 대한 반쪽 전지 반응은 다음과 같습니다.

4H ⁺ (수성) + 4e ^- => 2H ₂ (g)

2H ₂ O (l) => O ₂ (g)를 + 4H ⁺ (수성) + (e) ^-

H ⁺ 이온 은 양극에서 음극으로 이동하여 환원되어 H _2가 됩니다.

고체 산화물을 이용한 전기 분해

다른 기술과는 매우 다른이 기술은 산화물을 전해질로 사용하며 고온 (600-900ºC)에서 O ^2- 음이온의 운반 매체 역할을합니다 .

반응은 다음과 같습니다.

2H ₂ O (g) + 4e ^- => 2H ₂ (g) + 2O ^2-

2O는 ^2- => O ₂ (g) + (e) ^-

이번에 는 양극으로 이동하는 것은 산화물 음이온 O ^2- 입니다.

물의 전기 분해는 무엇입니까?

물의 전기 분해 생성 H ₂ (g)와 O ₂ (g)를. 세계에서 생산되는 수소 가스의 약 5 %는 물의 전기 분해를 통해 만들어집니다.

H ₂ 는 NaCl 수용액의 전기 분해 부산물입니다. 소금의 존재는 물의 전기 전도도를 증가시켜 전기 분해를 촉진합니다.

발생하는 전반적인 반응은 다음과 같습니다.

2NaCl + 2H ₂ O => Cl ₂ + H ₂ + 2NaOH

이 반응의 엄청난 중요성을 이해하기 위해 기체 제품의 일부 용도에 대해 언급합니다. 하루가 끝나면 더 효율적이고 친환경적인 방식으로 물의 전기 분해를 달성하는 새로운 방법의 개발을 주도하기 때문입니다.

이들 중 가장 원하는 것은 화석 연료를 태우는 사용을 에너지 적으로 대체하는 세포로 기능하는 것입니다.

수소 생산 및 용도

-전기 분해에서 생성 된 수소는 중독 반응, 수소화 공정 또는 환원 공정에서 환원제로 작용하는 화학 산업에서 사용될 수 있습니다.

-염산, 과산화수소, 히드 록실 아민 등의 생산과 같은 상업적으로 중요한 일부 활동에도 필수적입니다. 질소와의 촉매 반응을 통해 암모니아 합성에 관여합니다.

-산소와 결합하여 3,000 ~ 3,500K 사이의 온도 범위에서 높은 칼로리 함량의 화염을 생성합니다.이 온도는 금속 산업의 절단 및 용접, 합성 결정 성장, 석영 생산 등에 사용할 수 있습니다. .

-수처리 : 박테리아가 수소를 에너지 원으로 사용하는 생물 반응기에서 제거하여 물에 과도하게 높은 질산염 함량을 줄일 수 있습니다.

-수소는 플라스틱, 폴리 에스터 및 나일론의 합성에 관여합니다. 또한 유리 생산의 일부로 베이킹 중 연소를 증가시킵니다.

-은, 구리, 납, 비스무트, 수은 등 많은 금속의 산화물 및 염화물과 반응하여 순수한 금속을 생성합니다.

-또한 화염 감지기를 이용한 크로마토 그래피 분석의 연료로 사용됩니다.

디버깅 방법으로

염화나트륨 용액의 전기 분해는 수영장 물 정화에 사용됩니다. 전기 분해 중에, 수소는 음극과 염소 (CL에서 생성되는 ₂ 양극에서). 이 경우 전기 분해를 염염 소제라고합니다.

염소는 물에 용해되어 차아 염소산과 차아 염소산 나트륨을 형성합니다. 차아 염소산과 차아 염소산 나트륨은 물을 살균합니다.

산소 공급 장치로

물의 전기 분해는 국제 우주 정거장에서 산소를 생성하는데도 사용되며, 이는 정거장에서 산소 분위기를 유지하는 역할을합니다.

수소는 에너지를 저장하는 방법 인 연료 전지에 사용될 수 있으며, 전지에서 생성 된 물을 우주 비행사가 소비하는 용도로 사용할 수 있습니다.

가정 실험

물 전기 분해 실험은 Hoffman 전압계 또는 전기 화학 전지의 모든 필수 요소를 포함 할 수있는 다른 어셈블리를 사용하여 실험실 규모에서 수행되었습니다.

가능한 모든 어셈블리 및 장비 중에서 가장 간단한 것은 셀 역할을 할 대형 투명 물 용기 일 수 있습니다. 이 외에도 금속 또는 전기 전도성 표면이 전극 역할을 할 수 있어야합니다. 하나는 음극 용이고 다른 하나는 양극 용입니다.

이를 위해 양쪽 끝에 날카로운 흑연 팁이있는 연필도 유용 할 수 있습니다. 그리고 마지막으로 작은 배터리와 즉석 전극에 연결하는 케이블이 있습니다.

투명한 용기에서 수행하지 않으면 기체 기포의 형성을 인식하지 못할 것입니다.

홈 변수

물의 전기 분해는 대체 에너지 원을 찾는 사람들에게 많은 흥미롭고 희망적인 측면을 포함하는 주제이지만, 가정 실험은 어린이와 다른 구경꾼에게 지루할 수 있습니다.

따라서 특정 변수 _를 번갈아 가며 변화를 확인 _함으로써 H ₂ 및 O ₂ 형성을 생성하는 데 충분한 전압을 적용 할 수 있습니다 .

첫 번째는 식초를 사용하여 물을 산성화하거나 Na ₂ CO ₃ 를 사용하여 물 을 약간 염기성 화 하는 물의 pH 변화입니다 . 관찰되는 기포 수의 변화가 발생해야합니다.

또한 온수와 냉수로 동일한 실험을 반복 할 수 있습니다. 이러한 방식으로, 반응에 대한 온도의 영향이 고려 될 것이다.

마지막으로 데이터 수집을 조금 덜 무색으로 만들기 위해 매우 희석 된 자주색 양배추 주스 용액을 사용할 수 있습니다. 이 주스는 천연 유래의 산 염기 지표입니다.

전극을 삽입 한 상태로 용기에 추가하면 양극에서는 물이 분홍색 (산성)으로 변하고 음극에서는 색상이 노란색 (기본)으로 변합니다.

참고 문헌

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