الکترولیز آب تحت فشار

مدیران انجمن: parse, javad123javad

نمایه کاربر
rohamavation

نام: roham hesami radرهام حسامی راد

محل اقامت: فعلا تهران قیطریه بلوار کتابی 8 متری صبا City of Leicester Area of Leicestershire LE7

عضویت : سه‌شنبه ۱۳۹۹/۸/۲۰ - ۰۸:۳۴


پست: 2469

سپاس: 4615

جنسیت:

تماس:

Re: الکترولیز آب تحت فشار

پست توسط rohamavation »

$\text{cathode:} \,\,\,\, 2\text{H}^+ (aq) + 2\text{e}^- \longrightarrow \text{H}_2(g) \,\,\,\,\, \text{E}^{\circ}_\text{cathode} = 0\text{V}$
$\text{anode:} \,\,\,\, 2\text{H}_2\text{O} (l) \longrightarrow \text{O}_2 (g)+ 4\text{H}^+ (aq) + 4\text{e}^- \,\,\,\,\, \text{E}^{\circ}_\text{anode} = +1.229\text{V}$
$\text{cell:} \,\,\,\, 2\text{H}_2\text{O} (l) \longrightarrow 2\text{H}_2 (g) + \text{O}_2 (g) \,\,\,\,\, \text{E}^{\circ}_\text{cell} = -1.229\text{V}$ پتانسیل سلول همانطور که نوشته شده منفی است، نشان دهنده یک واکنش سلولی غیر خود به خودیه که باید با اعمال ولتاژ سلولی بیشتر از 1.229 ولت انجام شود
محاسبه انرژی مصرفی در طول الکترولیز NaCl
فرض کنید سدیم لازم برای HCl را از NaCl خارج می کنیم. در شرایط استاندارد باید $V = 100~\mathrm{m^3}$ HCl داشته باشیم. با فرض اینکه HCl یک گاز ایده آل است، و با استفاده از قانون گاز ایده آل، متوجه شدم $n = 4272~\mathrm{mol}$
ماده در آن 100 متر مکعب. ولتاژ اعمال شده به سلول است $U = 3.6~\mathrm{V}$
و ضریب استفاده فعلی μ=88٪ است. سپس قانون الکترولیز فارادی را نیز داریم $\frac{m}{M}=\frac{q}{F}$
(وضعیت اکسیداسیون کلر z=1 است). از آنجایی که یک ولتاژ ثابت به سلول اعمال می شود، انرژی مورد استفاده در این واکنش است
$E = \frac{UI \Delta t}{0.88} = \frac{Uq}{0.88} = 470~\mathrm{kWh}$ کیلووات ساعت
با این حال پاسخ صحیح است
E=48.9 کیلووات ساعت.
کجا اشتباه کردم؟ شاید این چیزی آشکارا آشکار است.بیایید کمی معادلات خود را دوباره فرموله کنم. قانون گاز ایده آل $n = \frac{p V}{RT}$
یک مشکل در فرمول بندی من از قانون فارادی است. ما به جرم علاقه نداریم، . البته با استفاده از جرم مولی قابل تعویضه اما چرا همه چیز را پیچیده می کند. به عنوان یک قانون سرانگشتی می توانید برای چنین کارهایی به خاطر بسپارید: در ابتدا از جرم تبدیل کنید و در پایان به جرم تبدیل کنید (در صورت نیاز). تقریباً تمام معادلات در "وسط" بر اساس مفهوم روابط ثابت بین تعداد ذرات درگیر هستند و درک همه معادلات با استفاده از n بسیار آسان تر است.
قانون فارادی به این معنی است که بار کلی فقط حاصل ضرب بار هر ذره ضربدر تعداد ذراته
$Q = nzF$
انرژی فقط حاصل ضرب Q و U بر μ است. من به زمان و آمپر نیاز ندارم
$E = \frac{QU}{\mu} = \frac{zFpVU}{RT\mu}$
متأسفانه هنگام قرار دادن مقادیر در این معادلات نتیجه دیگری دریافت میکنم . تو پایتون در نتیجه 448.4 کیلووات ساعت خواهد بود. من فکر می کنم که نتیجه من درست است و تفاوت ما ناشی از ثابت های متفاوت استفاده شده است
معادله نرنست برای یک پیل سوختی زمانی که گازها به طور جداگانه ذخیره می شوند
در ابتدا ما به پیل سوختی نیرو می دهیم تا بتواند اکسیژن و هیدروژن را در ظروف جداگانه تولید کند. این ظروف در آب غوطه ور هستند بنابراین فشار آب وجود دارد که آنها را در خود نگه می دارد.
همه اندازه‌گیری‌ها در شرایط استاندارد انجام شد، با این تفاوت که فشار هر ظرف کمی متفاوت است (هیدروژن دو برابر مقدار آب جابجا می‌شود، زیرا دو برابر مول اتم‌های موجود در آن وجود دارد).
من مطمئن نیستم که چگونه این را با استفاده از معادله نرنست محاسبه کنم زیرا شرایط اکسیژن و هیدروژن کمی متفاوت است (هر گاز در ظرف مربوطه خود غلظت متفاوتی دارد زیرا فشار آب و فشار بخار آب متفاوت است).
معادله من این است:
$E_\text{cell} = 1.229\ \mathrm{V} - \frac{RT}{2F}\cdot\ln\left(\frac{[\ce{H2O}]}{[\ce{H2}][\ce{O2}]^{0.5}}\right)$
برای [H2] من از غلظت مولی گاز در سیلندر حاوی آن استفاده می کنم (من معتقدم که این به دلیل بخار آب است).
من هم همین کار را برای [O2] انجام می دهم.
من مطمئن نیستم از چه چیزی برای [H2O] استفاده کنم
پاسخی که می گیرم 1.24 V است. نمیدونم صحیح هست یا نه
حجم گازهای تولید شده در الکترولیز آب چقدر است
این واکنش است:
$\ce{H_2O(l)->H_2(g) + 1/2 O_2(g)}$
به عنوان یک قانون کلی تو شرایط آزمایشگاهی معمولی (دمای اتاق، فشار 1 اتمسفر)، گازها 1000 برابر حجم مایعات را اشغال می کنند. و از آنجایی که ما در حال ایجاد 1.5 مولکول گاز برای هر مولکول مایع هستیم، افزایش حجم مورد انتظار ما 1500 x است.
حالا بیایید محاسبه رسمی را برای تعیین افزایش واقعی انجام دهیم:
آب مایع چگالی $1 g/mL$ => حجم ویژه آب مایع =$ 1 ml/g.$
1 مول آب = 18 گرم => حجم 1 مول آب مایع = 18 میلی لیتر = 0.018 لیتر.
حجم 1 مول گاز در 1 اتمسفر، 23 درجه سانتیگراد:
$V = \frac{n R T}{p} = \frac{1 mole \circ 0.082 \frac{L atm}{mol K} \circ (23+273) K}{1 atm} = 24.3 L$
از آنجایی که 1 مول آب مایع به 1.5 مول گاز تجزیه می شود:
حجم 1.5 مول گاز در 1 اتمسفر، $C = 24.3 L x 1.5 = 36.5 L$
در نهایت، نسبت حجم برابربا $\frac{36.5 L}{0.018 L } = 2030 \simeq 2000$
بنابراین الکترولیز کامل آب مایع در 1 اتمسفر و 23 درجه سانتیگراد حجم آن را 2000 برابر می کند.
من اصل لوشاتلیه رو تو ترودینامیک خوندم اینطوریه البته تو اصل لو شاتلیه بیان می کند که اگر یک سیستم در حالت تعادل به دلیل تغییر دما، فشار یا غلظت یک جزء مختل بشه سیستم تعادل خود را برای خنثی کردن این اختلال تغییر میده. وقتی یک معادله واکنشی را تعریف می کنید: $aA+bB↽−−⇀cC+dD$، به صراحت A و B را به عنوان «واکنش دهنده» و C و D را به عنوان «محصولات» تعریف می کنید. در سناریویی که توضیح دادید، فقط به این دلیل که واکنش دهنده های اضافی دارید زیرا غلظت محدودی از A یا B دارید، به این معنی نیست که غلظت محصولات افزایش می یابد. این به این دلیل است که می‌توانیم غلظت محصولات را به صورت [محصولات](t)=[C](t)+[D](t) و نه [محصولات](t)=[C](t)+[D] در نظر بگیریم. (t)+[A](t)+(t).
یک تعریف از اصل Le Chatlier بدم ببین "تغییر در یکی از متغیرهایی که یک سیستم را در حالت تعادل توصیف میکنه تغییری در موقعیت تعادل ایجاد میکنه که اثر این تغییر را خنثی میکنه
اگر بخوام با این موضوع کمیبیشتر نگاه کنم و ریزتر تعادل تابعی از عوامل بسیاریه در درجه اول دما (T)، فشار (P) و گونه های مخلوط (n). این معمولاً توسط ترمودینامیک با ویژگی حالت، انرژی آزاد گیبس یا ΔG توصیف میشه
برای مثالی برای کمی کردن اصل لو شاتلیه، به شکل دیفرانسیل انرژی آزاد گیبس نگاه میکنم: $dG = -SdT +VdP + \sum^{n}_{i=1}\mu_idn_i$. اگر موردی را در نظر بگیرم که در آن دما تغییر نمی کنه (همدما)، و در آن فشار تغییر نمیکنه (ایزوباریک)، معادله انرژی آزاد گیبس تحت تأثیر تغییرات ترکیب سیستم قرار می گیرد:$dG = \sum^{n}_{i=1}\mu_idn_i$ برای یک حالت تعادلی، به این معنی که ΔG=0، می توان نشان داد که اگر این عبارت را برای مکانیسم واکنش (مانند موردی که در بالا اوردم) گسترش میدم، به عبارتی مانند: $\frac{\Delta G^o_{T_o}}{RT_o} = -ln(K_{eq})$ میشه. . این معادله خاص برای شرایط استاندارد (0 degC، 1 atm) تعریف شده است.
از یک سیستم فاز گاز$aA+bB↽−−⇀cC+dD$ به عنوان مثال استفاده کنم. اگر مشتق$\frac{\Delta G^o_{T_o}}{RT_o} = -ln(K_{eq})$ را ترمودینامیک جستجو میکنم، میبینم که Keq در واقع برابره با با نسبت کسرهای مول هر گونه ضرب در فشار سیستم: $K_{eq} = \frac{y_C^c y_D^d}{y_A^a y_B^b} P^{c + d - a - b}$. اگر فرض کنیم که فشار ثابت است و a=b=c=d=1، این عبارت به$K_{eq} = \frac{y_C y_D}{y_A y_B}$ در میاد
من می تونم با تعریف کسر مولی بر حسب میزان واکنش ξ برای یک سیستم واکنش، جزئیات بیشتری به این عبارت اضافه کنم. جایی که$n_i = n_{io} + v_in_{io}\xi$ که اساساً بیان داره که مول‌های یک گونه معین برابره با مول‌های اولیه +/- میزان تولید یا واکنش آن ماده شیمیایی بر اساس ماده شیمیایی مشخص شده اگر این را به عبارت $K_{eq}$ وصل کنید کل مول$N_{total}$ از عبارت خارج می شود:میشه $K_{eq} = \frac{(n_{Ao} + v_An_{io})(n_{Bo} + v_Bn_{io})}{(n_{Co} + v_CN_{io})(n_{Do} + v_Dn_{io})} = exp(-\frac{\Delta G^o_{T_o}}{RT_o})$
برای یک دما و فشار معین، انرژی آزاد گیبس (ΔG) یک مقدار ثابته. بنابراین شرایط موجود در معادله (ترکیب مخلوط سیستم واکنش) باید به گونه ای متعادل شود که تبدیل تعادل ξ شرط را برآورده کنه.
توجیه ریاضی اصل لو شاتلیه
در حالت تعادل
$\begin{align}
K &= \exp\left(\cfrac{TΔS^\circ - ΔH^\circ}{RT}\right)\\
⇒ \frac{\mathrm d \ln K}{\mathrm dT} &= \frac{ΔH^\circ}{RT^2}
\end{align}$
اگر تغییر آنتالپی مثبت باشه، تغییر در lnK T مثبته. بنابراین، lnK و بنابراین K افزایش می یابه (موقعیت تعادل به سمت راست تغییر می کند) با افزایش T. و lnK و بنابراین K کاهش می یابه (موقعیت تعادل به سمت چپ تغییر می کند) با کاهش T.
فکر می کنم ممکن است برای سوال خودم پاسخی داشته باشم:$K=exp \left( \frac{TΔS^o-ΔH^o}{RT} \right)$
به این معنی است که K به T وابسته است، اما نه به فشار کل سیستم، p (و نه غلظت).
برای
$A_{(g)}⇌2B_{(g)}$و$K= \frac{{p_{B}}^2}{p_{A}}$
فشار جزئی یک گاز = کسر مول (mf) x فشار کل سیستم
اگر p افزایش یابد، K ابتدا افزایش می یابد:
$K=\frac{(mf_B.p)^2}{mf_A.p}$
$⇒ K=\frac{{mf_B}^2.p}{mf_A}$
اما p بر K تأثیر نمی گذاره، با این حال K افزایش یافته است. بنابراین کسر مولی A باید با جابجایی موقعیت تعادل به چپ افزایش یابد (در نتیجه کسر مولی B کاهش می‌یابد)، تا مقدار K به قبل از افزایش p دوباره برقرار شود.
اگر تغییر آنتالپی منفی است، تغییر در lnK با توجه به _)w.r.t(. اینجا T منفی است. بنابراین، lnK و بنابراین K افزایش می یابد (موقعیت تعادل به سمت راست تغییر می کند) با کاهش T. و lnK و بنابراین K کاهش می یابد (موقعیت تعادل به سمت چپ تغییر می کند) با افزایش T.
آیا می توانید یک دلیل ریاضی مشابه برای چرایی یک واکنش ارائه دهید$\ce{A(g) <=> 2 B(g)}$
آیا با افزایش فشار محیط، موقعیت تعادل آن به چپ تغییر کرده است؟فکر می کنم ممکن است برای سوال خودم پاسخی داشته باشم:
$K=exp \left( \frac{TΔS^o-ΔH^o}{RT} \right)$
به این معنی است که K به T وابسته است، اما نه به فشار کل سیستم، p (و نه غلظت).
برایA(g)⇌2B(g)
$K= \frac{{p_{B}}^2}{p_{A}}$
فشار جزئی یک گاز = کسر مول (mf) x فشار کل سیستم
اگر p افزایش یابد، K ابتدا افزایش می یابد:
$K=\frac{(mf_B.p)^2}{mf_A.p}$
$⇒ K=\frac{{mf_B}^2.p}{mf_A}$
اما p بر K تأثیر نمی گذارد، با این حال K افزایش یافته است. بنابراین کسر مولی A باید با جابجایی موقعیت تعادل به چپ افزایش یابد (در نتیجه کسر مولی B کاهش می‌یابد)، تا مقدار K به قبل از افزایش p دوباره برقرار بشه
تصویر

sohrab 4242

نام: سهراب نعمتی

عضویت : سه‌شنبه ۱۴۰۱/۹/۸ - ۲۱:۴۷


پست: 11



جنسیت:

Re: الکترولیز آب تحت فشار

پست توسط sohrab 4242 »

سلام پس من این سوال را از اساتید محترم شیمی و دانشجویان ارشد این رشته میپرسم اگر امکانش هست جواب دهند که با ا نباشه شدن گازهای هیدروژن و اکسیژن در نتیجه عمل الکترولیز حداکثر فشاری که بدست میآید چقدر است ممنون

ارسال پست