Простые расчеты в электролизе. Получение водорода. (стр. 4)
Это были расчеты на уровне школьной химии. Хотелось бы подвести некоторый итог, применительно к разложению воды на кислород и водород методом электролиза.
Количество вещества, выделяющегося на электродах в процессе электролиза зависит только от силы тока и времени. Для расчета можно применить одну из двух формул.
M(mg) = α * I * t
M(mg) – количество вещества в миллиграммах
α – электрохимический эквивалент
α = 0.0104 mg/ASec для водорода
α = 0.0829 mg/ASec для кислорода
I - сила тока в амперах
t - время в секундах
М(g) = m * I * t / 96487
М(g) – масса вещества в граммах
m – химический грамм-эквивалент в граммах
m = 1 g/ASec для водорода
m = 8 g/ASec для кислорода
I - сила тока в амперах
t - время в секундах
Первая формула менее хлопотная и поэтому более привлекательная. Для водорода:
M(mg) = α * I * t = 0,0104 * I * t (результат в миллиграммах!)
При токе 10А, за 10 секунд получаем 1,04 миллиграмма водорода.
При токе 10А, за 10 минут получаем 60,4 миллиграмм водорода.
Зная вес одного моля газа водорода (2,016 g (грамм)) и его объем 22,4 литра, легко посчитать сколько будут занимать 1,04 mg и 60,4mg этого газа:
V(1,04 mg) = 22,4 * 0,00104 / 2,016 = 0,012 литра
V(60,4 mg) = 22,4 * 0,0604 / 2,016 = 0,671 литра
А теперь попробуем решить обратную задачу. Сколько миллиграмм водорода, при нормальных условиях, находится в двух литрах (2-х литровая пластиковая бутылка)?
М(g) = 2 * 2,016 / 22,4 = 0,18 g (грамма) = 180 mg (миллиграмм)
И самый интересный вопрос. Сколько Ампер-Секунд или Кулон(ов) электричества необходимо потратить, что бы «добыть» 180 mg водорода?
M(mg) = α * I * t <=> M(mg) / α = I * t
I * t = 180 / 0,0104 = 17308 Ампер-Секунд
Теперь попробуем представить двухлитровую бутылку, которую мы наполняем водородом. Для этого нам понадобится либо 17308 Ампер в течении 1-й секунды, либо ток 1 Ампер в течении 17308 секунд. Разделив 17308 на 60 получим 288 Ампер-Минут. Таким образом, при токе 10 Ампер , 2 литра водорода выделится через 28,8 минут.
В реальной ячейке электролизера, при токе около 30 Ампер, для получения 2-х литров водорода придется потратить 10 минут, точнее 9,6 минуты.
Прежде, чем приступать к экспериментам с водородом необходимо знать, что водород достаточно опасное вещество. Молекулы водорода при комнатной температуре малоактивны. Их реакционная способность увеличивается при нагревании, под действием ультрафиолетовых лучей, ионизирующих излучений, в присутствии катализаторов, искрового разряда. В присутствии платинового, никилевого, иногда железного катализатора, гремучая смесь взрывается при незначительном нагревании. Известно, из школьного курса, что при соотношении водорода и кислорода 2:1 образуется гремучая смесь, которая легко взрывается от искры или при поджигании. В школе не объяснили, что водород в смеси с кислородом или воздухом, взрывоопасен в широком диапазоне концентаций. К примеру, диапазон концентраций водорода в кислороде, сохраняет взрывоопасность в пределах 4,5 до 95 процентов, а смесь с воздухом в диапазоне 4,1 до 74 процентов. При этом смеси самовозгораются при температурах 450 и 510 градусов Цельсия соответсвенно. Скорость распределения пламени таких смесях 0,89 и 0,27 м/сек. (скорость звука в воздухе составляет 340 м/сек.) В гремучей смеси, скорость распространения пламени превышает скорость звука и составляет 2820 – 2860 метров в секунду, что позволяет говорить не о горении, а о детонации, т.е. распространении фронта пламени со сверхзвуковой скоростью. На этом основан экспрес анализ, который произвдят по звуку згорания микропорций таких смесей. Они сгорают либо с хлопком либо с громким щелчком, соответсвенно.