电解水制氢的原理

(完整word电解水制氢的原理一、氢气的工业制法在工业上通常承受如下几种方法制取氢气:一是将水蒸气通过灼热的焦炭〔称为碳复原法〕，得到纯度为7597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，都是承受电解水的方法制得.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，原来的电解质仍旧留在水中.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，导电力量低,属于典型的弱电解质，所以需要参加前述电解质，以增加溶液的导电力量，使水能够顺当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：〔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KOH—.〔2)金属离子在水溶液中的活泼性不同，可按活泼性大小挨次排列如下：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。(完整word在金属活泼性挨次中，越活泼的金属越简洁失去电子，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，而排在活泼性大小挨次前的金属离子，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，所溶液中。KOHK+四周则围围着极性的K+的作用使水分子有了极性方向。在直流电作用下，K+带H+就会首先得到电子而成为氢气。2、水的电解方程8—3。图8-3 碱性水溶液的电解(1〕阴极反响。电解液中的H+〔水电离后产生的)受阴极的吸引而移向阴极,承受电子而析出氢气，其放电反响为：〔2)阳极反响.电解液中的OH-受阳极的吸引而移向阳极，最终放出电子而成为水和氧气，其放电反响为：(完整word阴阳极合起来的总反响式为：电解KOHKOH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需大于水的理论分解电压，以便能抑制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U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，应当尽可能地降低电解电压。下面争论影响电解电压的几个因素：水的理论分解电压UO。热力学的争论得出：原电池所做的最大电功等于反响处由能变的削减，即：式中 —-标准状态下电池反响的吉布斯自由能变，J/mol;n—-反响中的电子转移数；F-—法拉第常数，96500C/mol；E0——标准状态下反响的标准电动势，V.在生成水的化学反响中，自由能变为—474。4kJ/mol，即(完整word2H2〔g〕+O2〔g〕=2H2O(1)这是一个氧化复原反响，在两个电极上的半反响分别为：O2+4H++4e=2H2O2H2=4H++4e电子转移数n=4，由 得—474。4×103=-—4×96500E0可见,在0。1MPa和25℃时，U0=1.23V；它是水电解时必需供给的最小电压,它随温度的上升1043mV.氢、氧超电位和。影响氢、氧超电位的因素很多。首先，电极材料和电极的外表状态对它的影响较大，如铁、镍的氢超电位就比铅、锌、汞等低,铁、镍的氧超电位也比铅低。与电解液接触面积越大或电极外表越粗糙，产生的氢、氧超电位就越小。其次,电解时的电流密度增大，超电位会随之增大，温度的上升也会引起超电位的增大。此外，超电位还与电解质的性质、浓度及溶液中的杂质等因素有关，如在镍电极上，稀溶液的氧超电位大于浓溶液的氧超电位。为了降低氢、氧超电位，可以实行一些方法。如提高工作温度及承受适宜的电极材料等。此外，适当增大电极的实际外表积或使电极外表粗糙,都可在不同程度上降低电极电阻和超电位，从而到达降低工作电压的目的。〔3)电阻电压降。电解池中的总电阻包括电解液的电阻、隔膜电阻、电极电阻和接触电阻等，其中前两者为主要因素。隔膜电阻电压降取决于材料的厚度和性质。承受一般的石棉隔膜，电流密度为2400A/m2时,隔膜电阻上的电压降约为025~0.30V，当电流密度再增大时，该电压降0.5V(完整word其电阻值小以外,还要求它在电解电压下不分解；不因挥发而与氢、氧一并逸出;对电解池材料无pH多数的电解质在电解时易分解，不宜在电解水时承受。硫酸在阳极生成过硫酸和臭氧，腐蚀性很强，不宜承受。而强碱能满足以上要求，所以工业上一般都以KOHNaOHKOH的导电性能比NaOHNaOHNaOHKOH所以，为节约电能，已经普遍趋向承受KOH此外，在电解水的过程中,电解液中会含有连续析出的氢、氧气泡，使电解液的电阻增大。电解液中的马泡容积与包括气泡的电解液容积的百分比称作电解液的含气度.含气度与电解时的电流密度，电解液粘度、气泡大小、工作压力和电解池构造等因素有关。增加电解液的循环速度和工作压力都会削减含气度；增加电流密度或工作温度上升都会使含气度增加。在实际状况下,电35％时，2降低工作电压有利于削减电能消耗，为此应实行有效措施来降低氢、氧超电位和电阻电压降。一般状况下，在电流较小时，前者是主要因素；而在电流较大时,后者将成为主要因素。电解槽在高工作压力下运行时,电解液含气度降低，从而使电解液电阻减小,为此已经研制出可在3MPa溶解度，使它们通过隔膜重生成水，从而降低电流效率。提高工作温度同样可以使电解液电如镍的粉末冶金薄片和钛酸钾纤维与聚四氟乙烯粘结成的隔膜材料，它们可以在150℃的碱液中使用。为了降低电解液的电阻,还可以实行降低电解池的电流密度，加快电解液的循环速度，适当减小电极间距离等方法。四、制氢设备的制氢量衡算和电能消耗1、法拉第定律

(完整word版)电解水制氢的原理电解水溶液制氢时，在物质量上严格遵守法拉第定律：各种不同的电解质溶液，每通过96485。309C1mol1mol1mol。F=96485.309C/mol称为法拉第常数，它表示每摩尔电子的电量。在一般计算中，可以近似取F=96500C/mol。依据拉第定律，可以得到下式：M=kIt=kQ式中 k——表示1h内通过1A电流时析出的物质量，g/〔A·h〕;I——电流，A；h；m——电极上析出的物质的质量，g；Q——通过电解池的电荷量,A·h。由于库仑单位很小,所以工业上常用的电荷量单位是安培·小时,它与法拉第常数F的关系是：1F=96500/3600=26.8 A·h2、制氢量衡算从法拉第定律可知，26.8A·h电荷量能产生0。5mol的氢气，在标准状态下，0.5mol氢气占有11。2L1A·h〔A·h〕假设考虑电流效率，那么每台电解槽每小时的实际产氢量m3式中 m-—电解槽的电解小室数，m=I——电流，A；t——通电时间，h；

应为应为：-—电流效率，%。同样地，可以计算出氧气的产气量

(完整word版)电解水制氢的原理，它正好是氢气产气量 的1/2。3、电能的消耗WUQW=QU依据法拉第定律，在标准状况下，每产生1m3的氢气的理论电荷量Q0为:W0为:式中:U0为水的理论分解电压，U0=1。23V。1.5~2100%，所以造成的实际电能消耗要远大于理论值。目前通过电解水装置制得1m3氢气的实际电能消耗为4.5~5.5kW·h。4、电解用水消耗电解用水的理论用量可用水的电化学反