ELEKTROLISIS AIR: PROSEDUR, TEKNIK, KEGUNAANNYA - KIMIA - 2025

The elektrolisis air adalah penguraian air menjadi komponen-komponen unsurnya dengan menerapkan arus listrik. Saat mereka melanjutkan, hidrogen dan oksigen molekuler, H ₂ dan O ₂ , terbentuk pada dua permukaan lembam . Kedua permukaan ini lebih dikenal dengan nama elektroda.

Secara teoritis, volume H _{2 yang} terbentuk harus dua kali lipat volume O ₂ . Mengapa? Karena molekul air memiliki rasio H / O sama dengan 2, yaitu dua H untuk setiap oksigen. Hubungan ini secara langsung diverifikasi dengan rumus kimianya, H ₂ O. Namun, banyak faktor eksperimental yang mempengaruhi volume yang diperoleh.

Sumber: Antti T. Nissinen via Flickr

Jika elektrolisis dilakukan di dalam tabung yang direndam dalam air (gambar atas), kolom air yang lebih rendah berhubungan dengan hidrogen, karena ada lebih banyak gas yang memberikan tekanan pada permukaan cairan. Gelembung mengelilingi elektroda dan akhirnya naik setelah mengatasi tekanan uap air.

Perhatikan bahwa tabung dipisahkan satu sama lain sedemikian rupa sehingga ada migrasi rendah gas dari satu elektroda ke elektroda lainnya. Pada skala rendah, ini tidak mewakili risiko yang akan segera terjadi; tetapi pada skala industri, campuran gas H ₂ dan O ₂ sangat berbahaya dan mudah meledak.

Untuk alasan ini, sel elektrokimia tempat elektrolisis air dilakukan sangat mahal; Mereka membutuhkan desain dan elemen yang menjamin bahwa gas tidak pernah bercampur, pasokan arus yang menguntungkan, elektrolit konsentrasi tinggi, elektroda khusus (elektrokatalis), dan mekanisme untuk menyimpan H _{2 yang} dihasilkan.

Elektrokatalis mewakili gesekan dan pada saat yang sama sayap untuk profitabilitas elektrolisis air. Beberapa mengandung oksida logam mulia, seperti platina dan iridium, yang harganya sangat tinggi. Pada titik inilah para peneliti bekerja sama untuk merancang elektroda yang efisien, stabil dan murah.

Alasan upaya tersebut adalah untuk mempercepat pembentukan O ₂ yang terjadi pada kecepatan yang lebih rendah dibandingkan dengan H ₂ . Hal ini memperlambat oleh elektroda di mana O ₂ terbentuk membawa sebagai konsekuensi umum penerapan potensi yang jauh lebih tinggi dari yang diperlukan (overpotential); yang sama, dengan kinerja yang lebih rendah dan biaya yang lebih tinggi.

Reaksi elektrolisis

Elektrolisis air melibatkan banyak aspek kompleks. Namun, secara umum, dasarnya bertumpu pada reaksi global sederhana:

2H ₂ O (l) => 2H ₂ (g) + O ₂ (g)

Seperti yang terlihat dalam persamaan, dua molekul air terlibat: yang satu biasanya harus direduksi, atau mendapatkan elektron, sedangkan yang lain harus mengoksidasi atau kehilangan elektron.

H ₂ adalah produk dari pengurangan air, karena gain elektron mempromosikan bahwa H ⁺ proton dapat mengikat secara kovalen, dan bahwa oksigen berubah menjadi OH ^- . Oleh karena itu, H ₂ diproduksi di katoda, yang merupakan elektroda tempat terjadinya reduksi.

Sedangkan O ₂ berasal dari oksidasi air, karena itu air kehilangan elektron yang memungkinkannya untuk berikatan dengan hidrogen, dan akibatnya melepaskan proton H ⁺ . O ₂ diproduksi di anoda, elektroda tempat terjadi oksidasi; Dan tidak seperti elektroda lainnya, pH di sekitar anoda bersifat asam dan bukan basa.

Reaksi setengah sel

Ini dapat diringkas dengan persamaan kimia berikut untuk reaksi setengah sel:

2H ₂ O + 2e ^- => H ₂ + 2OH ^- (Katoda, dasar)

2H ₂ O => O ₂ + 4H ⁺ + 4e ^- (Anoda, asam)

Akan tetapi, air tidak dapat kehilangan elektron lebih banyak (4e ^- ) dibandingkan keuntungan molekul air lainnya di katoda (2e ^- ); oleh karena itu, persamaan pertama harus dikalikan dengan 2, kemudian dikurangi dengan persamaan kedua untuk mendapatkan persamaan bersihnya:

2 (2H ₂ O + 2e ^- => H ₂ + 2OH ^- )

2H ₂ O => O ₂ + 4H ⁺ + 4e ^-

6H ₂ O => 2H ₂ + O ₂ + 4H ⁺ + 4OH ^-

Tetapi 4H ⁺ dan 4OH ^- membentuk 4H ₂ O, jadi mereka menghilangkan empat dari enam molekul H ₂ O , menyisakan dua; dan hasilnya adalah reaksi global yang baru saja diuraikan.

Reaksi setengah sel berubah dengan nilai pH, teknik, dan juga memiliki potensi reduksi atau oksidasi terkait, yang menentukan berapa banyak arus yang perlu disuplai agar elektrolisis air dapat berjalan secara spontan.

Proses

Sumber: Ivan Akira, dari Wikimedia Commons

Voltameter Hoffman ditunjukkan pada gambar di atas. Silinder diisi dengan air dan elektrolit yang dipilih melalui nosel tengah. Peran elektrolit ini adalah untuk meningkatkan konduktivitas air, karena dalam kondisi normal hanya ada sedikit ion H ₃ O ⁺ dan OH ^- hasil ionisasi sendiri.

Kedua elektroda tersebut biasanya adalah platina, meskipun pada gambar tersebut digantikan oleh elektroda karbon. Keduanya terhubung ke baterai, yang dengannya beda potensial (ΔV) diterapkan yang mendorong oksidasi air (pembentukan O ₂ ).

Elektron berjalan di seluruh sirkuit sampai mencapai elektroda lain, di mana air memenangkannya dan menjadi H ₂ dan OH ^- . Pada titik ini, anoda dan katoda telah ditentukan, yang dapat dibedakan dengan ketinggian kolom air; yang memiliki ketinggian terendah sesuai dengan katoda, di mana H ₂ terbentuk .

Di bagian atas silinder terdapat kunci-kunci yang memungkinkan gas-gas yang dihasilkan dilepaskan. Kehadiran H ₂ dapat diperiksa dengan cermat dengan mereaksikannya dengan nyala api, yang pembakarannya menghasilkan air berbentuk gas.

Teknik

Teknik elektrolisis air berbeda-beda tergantung jumlah H ₂ dan O _{2 yang} akan dihasilkan. Kedua gas sangat berbahaya jika dicampur bersama, itulah sebabnya sel elektrolitik melibatkan desain yang rumit untuk meminimalkan peningkatan tekanan gas dan difusinya melalui media berair.

Juga, teknik bervariasi tergantung pada sel, elektrolit yang ditambahkan ke air, dan elektroda itu sendiri. Di sisi lain, beberapa menyiratkan bahwa reaksi dilakukan pada suhu yang lebih tinggi, mengurangi konsumsi listrik, dan lain-lain menggunakan tekanan yang sangat besar untuk menjaga H ₂ disimpan.

Di antara semua teknik, tiga teknik berikut dapat disebutkan:

Elektrolisis dengan air alkali

Elektrolisis dilakukan dengan larutan basa logam alkali (KOH atau NaOH). Dengan teknik ini reaksi terjadi:

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

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

Seperti dapat dilihat, baik di katoda maupun di anoda, air memiliki pH basa; dan sebagai tambahan, OH ^- bermigrasi menuju anoda dimana mereka teroksidasi menjadi O ₂ .

Elektrolisis dengan membran elektrolitik polimer

Dalam teknik ini digunakan polimer padat yang berfungsi sebagai membran yang permeabel untuk H ⁺ , tetapi kedap untuk gas. Ini memastikan keamanan yang lebih baik selama elektrolisis.

Reaksi setengah sel untuk kasus ini adalah:

4H ⁺ (aq) + 4e ^- => 2H ₂ (g)

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

Ion H ⁺ bermigrasi dari anoda ke katoda, di mana mereka direduksi menjadi H ₂ .

Elektrolisis dengan oksida padat

Sangat berbeda dengan teknik lainnya, teknik yang satu ini menggunakan oksida sebagai elektrolit, yang pada suhu tinggi (600-900ºC) berfungsi sebagai alat pengangkut anion O ^2- .

Reaksinya adalah:

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

2O ^2- => O ₂ (g) + 4e ^-

Perhatikan bahwa kali ini anion oksida, O ^2- , yang berjalan ke anoda.

Untuk apa elektrolisis air?

Elektrolisis air menghasilkan H ₂ (g) dan O ₂ (g). Sekitar 5% dari gas hidrogen yang diproduksi di dunia dibuat melalui elektrolisis air.

H ₂ adalah produk sampingan dari elektrolisis larutan NaCl berair. Kehadiran garam memfasilitasi elektrolisis dengan meningkatkan konduktivitas listrik air.

Reaksi keseluruhan yang terjadi adalah:

2NaCl + 2H ₂ O => Cl ₂ + H ₂ + 2NaOH

Untuk memahami betapa pentingnya reaksi ini, beberapa kegunaan produk gas akan disebutkan; Karena pada akhirnya, inilah yang mendorong pengembangan metode baru untuk mencapai elektrolisis air dengan cara yang lebih efisien dan ramah lingkungan.

Dari semuanya, yang paling diinginkan adalah berfungsi sebagai sel yang secara energik menggantikan penggunaan bahan bakar fosil yang terbakar.

Produksi hidrogen dan kegunaannya

-Hidrogen yang diproduksi dalam elektrolisis dapat digunakan dalam industri kimia yang bertindak dalam reaksi kecanduan, dalam proses hidrogenasi, atau sebagai agen pereduksi dalam proses reduksi.

-Ini juga penting dalam beberapa tindakan yang penting secara komersial, seperti: produksi asam klorida, hidrogen peroksida, hidroksilamina, dll. Ini terlibat dalam sintesis amonia melalui reaksi katalitik dengan nitrogen.

-Dalam kombinasi dengan oksigen, menghasilkan api dengan kandungan kalori tinggi, dengan suhu berkisar antara 3.000 dan 3.500 K. Temperatur ini dapat digunakan untuk pemotongan dan pengelasan di industri logam, untuk pertumbuhan kristal sintetis, produksi kuarsa, dll. .

-Perawatan air: kandungan nitrat yang terlalu tinggi dalam air dapat dikurangi dengan eliminasi dalam bioreaktor, di mana bakteri menggunakan hidrogen sebagai sumber energi

-Hidrogen terlibat dalam sintesis plastik, poliester dan nilon. Selain itu, ini adalah bagian dari produksi kaca, meningkatkan pembakaran selama pemanggangan.

-Bereaksi dengan oksida dan klorida dari banyak logam, di antaranya: perak, tembaga, timbal, bismut dan merkuri untuk menghasilkan logam murni.

-Dan Selain itu, digunakan sebagai bahan bakar dalam analisis kromatografi dengan detektor api.

Sebagai metode debugging

Elektrolisis larutan natrium klorida digunakan untuk pemurnian air kolam renang. Selama elektrolisis, hidrogen diproduksi di katoda dan klorin (Cl ₂ ) di anoda. Elektrolisis dalam hal ini disebut sebagai klorinator garam.

Klorin larut dalam air membentuk asam hipoklorit dan natrium hipoklorit. Asam hipoklorit dan natrium hipoklorit mensterilkan air.

Sebagai penyuplai oksigen

Elektrolisis air juga digunakan untuk menghasilkan oksigen di Stasiun Luar Angkasa Internasional, yang berfungsi untuk menjaga atmosfer oksigen di stasiun tersebut.

Hidrogen dapat digunakan dalam sel bahan bakar, metode penyimpanan energi, dan menggunakan air yang dihasilkan dalam sel untuk dikonsumsi oleh astronot.

Eksperimen rumah

Eksperimen elektrolisis air telah dilakukan pada timbangan laboratorium dengan voltmeter Hoffman, atau rakitan lain yang memungkinkan untuk mengandung semua elemen yang diperlukan dari sel elektrokimia.

Dari semua rakitan dan peralatan yang mungkin, yang paling sederhana adalah wadah air transparan besar, yang akan berfungsi sebagai sel. Selain itu, semua logam atau permukaan penghantar listrik juga harus tersedia untuk berfungsi sebagai elektroda; satu untuk katoda, dan yang lainnya untuk anoda.

Untuk tujuan ini, bahkan pensil dengan ujung grafit yang tajam di kedua ujungnya dapat berguna. Dan terakhir, baterai kecil dan beberapa kabel yang menghubungkannya ke elektroda improvisasi.

Jika tidak dilakukan dalam wadah transparan, pembentukan gelembung gas tidak akan dihargai.

Variabel rumah

Meskipun elektrolisis air adalah subjek yang mengandung banyak aspek yang menarik dan penuh harapan bagi mereka yang mencari sumber energi alternatif, percobaan di rumah dapat menjadi membosankan bagi anak-anak dan pengamat lainnya.

Oleh karena itu, tegangan yang cukup dapat diterapkan untuk menghasilkan pembentukan H ₂ dan O _{2 dengan} mengganti variabel tertentu dan mencatat perubahannya.

Yang pertama adalah variasi pH air, menggunakan cuka untuk mengasamkan air, atau Na ₂ CO ₃ untuk sedikit membasakannya. Perubahan jumlah gelembung yang diamati harus terjadi.

Selain itu, percobaan yang sama dapat diulangi dengan air panas dan dingin. Dengan cara ini, pengaruh temperatur pada reaksi akan dipertimbangkan.

Terakhir, untuk membuat pengumpulan data menjadi tidak terlalu berwarna, Anda dapat menggunakan larutan jus kubis ungu yang sangat encer. Jus ini merupakan indikator asam basa yang berasal dari alam.

Menambahkannya ke dalam wadah dengan memasukkan elektroda, akan diketahui bahwa pada anoda air akan berubah menjadi merah muda (asam), sedangkan pada katoda, warnanya menjadi kuning (dasar).

Referensi

1. Wikipedia. (2018). Elektrolisis air. Dipulihkan dari: en.wikipedia.org
2. Chaplin M. (16 November 2018). Elektrolisis air. Struktur dan ilmu air. Diperoleh dari: 1.lsbu.ac.uk
3. Efisiensi Energi & Energi Terbarukan. (sf). Produksi hidrogen: elektrolisis. Diperoleh dari: energy.gov
4. Phys.org. (14 Februari 2018). Katalis berefisiensi tinggi dan berbiaya rendah untuk elektrolisis air. Diperoleh dari: phys.org
5. Kimia LibreTexts. (18 Juni 2015). Elektrolisis air. Diperoleh dari: chem.libretexts.org
6. Xiang C., M. Papadantonakisab K., dan S. Lewis N. (2016). Prinsip dan implementasi sistem elektrolisis untuk pemisahan air. Royal Society of Chemistry.
7. Bupati Universitas Minnesota. (2018). Elektrolisis Air 2. University of Minnesota. Diperoleh dari: chem.umn.edu