电解水制氢的原理.doc

电解水制氢的原理 电解水制氢的原理一、氢气的工业制法在工业上通常采用如下几种方法制取氢气：一是将水蒸气通过灼热的焦炭（称为碳还原法），得到纯度为75%左右的氢气；二是将水蒸气通过灼热的铁，得到纯度在97%以下的氢气；三是由水煤气中提取氢气，得到的氢气纯度也较低；第四种方法就是电解水法，制得的氢气纯度可高达99%以上，这是工业上制备氢气的一种重要方法。在电解氢氧化钠（钾）溶液时，阳极上放出氧气，阴极上放出氢气。电解氯化钠水溶液制造氢氧化钠时，也可得到氢气。对用于冷却发电机的氢气的纯度要求较高，因此，都是采用电解水的方法制得。二、电解水制氢原理所谓电解就是借助直流电的作用，将溶解在水中的电解质分解成新物质的过程。1、电解水原理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。氢氧化钾等电解质不会被电解，现以氢氧化钾为例说明：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-。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。2、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放电反应，见图8-3。? 图8-3??碱性水溶液的电解阴极反应。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：???????????????????? 阴阳极合起来的总反应式为：电解???? 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UO。热力学的研究得出：原电池所做的最大电功等于反应处由能变的减少，即：?????????????????? 式中????——标准状态下电池反应的吉布斯自由能变，J/mol；?????????? n——反应中的电子转移数；?????????? F——法拉第常数，96500C/mol；???????? E0——标准状态下反应的标准电动势，V。在生成水的化学反应中，自由能变为-474.4kJ/mol，即???? 2H2（g）+O2（g）=2H2O (1)???? 这是一个氧化还原反应，在两个电极上的半反应分别为：?????????????????????? O2+4H++4e=2H2O ?????????????????????? 2H2=4H++4e 电子转移数n=4，由=-NFE0得????????????????????????-474.4×103=--4×96500E0 ?????????????????????????? 可见，在0.1MPa和25时，U0=1.23V；它是水电解时必须提供的最小电压，它随温度的升高而降低，随压力的升高而增大，压力每升高10倍，电压约增大43mV.氢、氧超电位和。影响氢、