الکترولیز آب تحت فشار

مدیران انجمن: parse, javad123javad

ارسال پست
sohrab 4242

نام: سهراب نعمتی

عضویت : سه‌شنبه ۱۴۰۱/۹/۸ - ۲۱:۴۷


پست: 11



جنسیت:

الکترولیز آب تحت فشار

پست توسط sohrab 4242 »

سلام به اساتید محترم شیمی با عمل الکترولیز و انباشته شدن گازها به چه فشاری میتوان رسید ممنون

نمایه کاربر
Kiumars (G)

نام: Kiumars yasini

محل اقامت: میلان

عضویت : جمعه ۱۳۹۳/۱۰/۱۹ - ۱۴:۴۹


پست: 15

سپاس: 3

جنسیت:

تماس:

Re: الکترولیز آب تحت فشار

پست توسط Kiumars (G) »

sohrab 4242 نوشته شده:
سه‌شنبه ۱۴۰۱/۹/۲۲ - ۱۹:۳۴
سلام به اساتید محترم شیمی با عمل الکترولیز و انباشته شدن گازها به چه فشاری میتوان رسید ممنون
از نظر تیوری تا هر فشاری که بخوای میتونه ببریش بالا ولی نکته ای که هست مشکل نشت گازه. بسته به این که از چه واشر یا جوشی برای ایزوله کردن سیستم استفاده میکنی میتونی از فشار های بالاتر یا پایین تر استفاده کنی.

البته خیلی نمیشه فشار رو برد بالا چون امکانش هست مثل یه کپسولی که تحت فشار خیلی بالا قرار داره, سیستم منفجر بشه. smile189 .

معمولا تا حد کنترل شده ای فشار رو میبرن بالا تا بازدهی سیستم بره بالا. اگه میخوای در این مورد هم میتونم توضیح بدم.
smile122
Think diffrent
Beacuse the one who was crazy enough that thought he colud change the world...was the one who did.
Steve.Jobs

sohrab 4242

نام: سهراب نعمتی

عضویت : سه‌شنبه ۱۴۰۱/۹/۸ - ۲۱:۴۷


پست: 11



جنسیت:

Re: الکترولیز آب تحت فشار

پست توسط sohrab 4242 »

بله ممنونم اگر ممکنه توضیح بدین.همانطور که میدانید در اعماق دریا هرچه پایین میرویم فشار بالاتر میرود ما اگر بخواهیم عمل الکترولیز را در اعماق دریا انجام دهیم تا چه عمقی امکانش هست ؟

نمایه کاربر
Kiumars (G)

نام: Kiumars yasini

محل اقامت: میلان

عضویت : جمعه ۱۳۹۳/۱۰/۱۹ - ۱۴:۴۹


پست: 15

سپاس: 3

جنسیت:

تماس:

Re: الکترولیز آب تحت فشار

پست توسط Kiumars (G) »

sohrab 4242 نوشته شده:
پنج‌شنبه ۱۴۰۱/۹/۲۴ - ۱۹:۳۹
بله ممنونم اگر ممکنه توضیح بدین.همانطور که میدانید در اعماق دریا هرچه پایین میرویم فشار بالاتر میرود ما اگر بخواهیم عمل الکترولیز را در اعماق دریا انجام دهیم تا چه عمقی امکانش هست ؟
نظر اول:
نکته ای که هست اینه که هر چی فشار بیشتر باشه(تو این موردی که گفتی, چون الکترود ها مستقیم در تماس با آب تحت فشار هستن) آزاد سازی مولکول امسیژن و هیدروژن سخت تر انحام میشه چون فشار بالاست و گاز به آسونی نمیتونه جدا بشه. پس برای تولید گاز یکسان نسبت به فشار سطح به اختلاف پتانسیل بیشتری نیاز داری.

نظر دوم:
نکته دومی که هست اینه که فشار تو این مورد خاص ربطی به آزاد شدن گاز ما نداره.
یعنی گاز هایی که جدا میشن صرفا سایزشون تغییر میکنه و به خازر همین سرعت تولید حباب های ریز میره بالا ولی حجم یکسانی از گاز آزاد میشه (نسبت به سطح آب).

البته یه مورد دیگه رو هم مد نظر داشته باشین و اونم اینه که هر چی در شرایط یکسان به سطح آب نزدیک تر بشیم غلظت نمک بالاتر میره(اگه بخوایم ۲۰۰ متر اول که نور نفوذ میکنه رو بررسی کنیم) و این مورد باعث میشه الکترولیز در سطح آب سریع تر انجام بشه.


ولی در مورد فشار کاری باید بگم که اگه قراره این آزمایش در محفظه بسته انجام بشه شما مجددا باید رو ایزوله کردن سیستمتون تمرکز کنین تا گازی که داخل سیستم آزاد میشه از فشار خارج تاثیر نگیره.

اگه جایی از سوالت رو اشتباه متوجه شدم بهم بگو. smile133 .
smile122
Think diffrent
Beacuse the one who was crazy enough that thought he colud change the world...was the one who did.
Steve.Jobs

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 »

به طور کلی نسبت عکس با فشار داره اما منظورتون تحت فشار باشه اره الکترولیز فشار فوق‌العاده الکترولیز فشار بالاست . که در 340-690 بار کار می‌کنه در یک دستگاه الکترولیز بسته فشار میتونه بسیار زیاد بشه البته الکترولیز با دمای بالا HTE High-temperature electrolysis الکترولیز بخار یک فناوری برای تولید هیدروژن از آب در دماهای بالاست در دمای ۲۵۰۰ درجه سانتی گراد ورودی الکتریکی غیر ضروریه زیرا آب از طریق گرما به هیدروژن و اکسیژن تجزیه میشه. چنین دماهایی غیر عملیند. سیستم های HTE پیشنهادی بین 100 درجه سانتیگراد تا 850 درجه سانتیگراد کار می کنن اگر فرض کنیم که الکتریسیته مورد استفاده از یک موتور حرارتی استخراج میشه برای تولید یک کیلوگرم هیدروژن برای خود فرآیند HTE و برای الکتریسیته مورد نیاز، 141.86 مگاژول (MJ) انرژی گرمایی لازمه در دمای 100 درجه سانتیگراد، 350 مگا ژول انرژی حرارتی مورد نیازه. در دمای 850 درجه سانتیگراد، 225 مگا ژول مورد نیازه پس .HTE روشی برای الکترولیزه که در آن بخار در دمای بین 700 تا 1000 درجه سانتیگراد به H2 و O2 تفکیک میشه استفاده از دمای احتراق جت و تامین انرژِی جت بدون داشتن ژنراتور و گرفتن قدرت از موتور اینم یک ایده منم تو طراحی جت حتما با این نکات اشاره میکنم در الکترولیز، راندمان سیستم با افزایش دمای عملیاتی افزایش می یابد. بنابراین HTE کارآمدتر از الکترولیز معمولی در دمای اتاق شناخته شده است.مساحت سطح الکترود نیز یک ویژگی مهمه که بر سرعت واکنش تأثیر میزاره. تا جایی که افزایش انرژی جنبشی بر عملکرد الکترودها تأثیر مثبت بزاره، افزایش دما میتونه مثبت باشه. با این حال، با گذشت زمان، این می تواند با افزایش در زوال الکترود جبران شود.
در شرایط الکترولیز، سلول به دور از پتانسیل تعادل (بازگشت پذیر) تعیین شده از ترمودینامیک کار میکنه. برخی از واکنش های الکترود بسیار سریع هستند و بسیار کمی از پتانسیل تعادل فاصله می گیرند. چنین واکنش هایی اغلب به عنوان برگشت پذیر هستند سایر واکنش‌های الکترود ذاتاً آهسته هستند و برای دستیابی به چگالی جریان معقول به پتانسیل E نیاز دارن که به‌طور قابل‌توجهی بزرگ‌تر از پتانسیل تعادله. این پتانسیل اضافه پتانسیل، $η (=E–Ee) $و الکترود قطبی شده. چنین واکنش هایی به عنوان غیر قابل برگشتند. با افزایش بزرگی مازاد پتانسیل (برای فرآیندهای کاتدی منفی تر، برای فرآیندهای آندی مثبت تر) چگالی جریان افزایش میابه،
آیا دمای آب در طول الکترولیز تغییر می کنه؟از آنجایی که شما ولتاژی را که به سیستم اعمال می‌کنید، من فرض می‌کنم که ولتاژ اضافی به معنای نیاز به آب ریخته شده در حدود 1.23 ولت است آند،
$\ce{ 2H2O(l) → O2(g) + 4H+(aq) + 4e- -1.23 V}$
کاتد،
$\ce{2H+(aq) + 2e- → H2(g) 0.00 V}$
برای اینکه جریان بیشتری به جریان بیفته تا محصولات بیشتری به دست آورید، باید ولتاژ بیشتری را تامین کنید، بنابراین ولتاژ و جریان اضافی برای آن ولتاژ طبق قانون اساسی طبیعت، قانون بقای انرژی، به گرما تبدیل میشه
کل ورودی انرژی الکتریکی به انرژی شیمیایی + گرما تبدیل می شود (اگر ولتاژ بیش از حد اعمال شود)
$\ce{V_{input} * I = (1.23 V) * I + Heat}$
اگر انرژی گرمایی اضافی را از سیستم خارج کنید دمای سیستم را ثابت نگه دارید، 1.23 ولت ثابت می ماند در غیر این صورت پتانسیل طبق معادله نرنست تغییر می کند.
لطفاً همچنین توجه داشته باشید که 1.23 ولت به دلیل وضعیت استاندارد T=298.15K هستش ببین ضریب واکنش (Qr) که اغلب محصول فعالیت یونی (IAP) نسبت بین فعالیت های شیمیایی (a) شکل احیا شده (کاهنده aRed) و فرم اکسید شده (اکسنده aOx) . فعالیت شیمیایی یک گونه محلول با غلظت ترمودینامیکی واقعی آن با در نظر گرفتن برهمکنش های الکتریکی بین تمام یون های موجود در محلول در غلظت های بالا مطابقت داره. برای یک گونه محلول معین، فعالیت شیمیایی آن (a) حاصل ضرب ضریب فعالیت آن (γ) توسط مولی آن (محلول mol/L)، یا مولال (mol/kg آب)، غلظت (C): a = γ C است. بنابراین، اگر غلظت همه گونه های محلول مورد علاقه به اندازه کافی کم باشد و ضرایب فعالیت آنها نزدیک به واحد باشد، فعالیت های شیمیایی آنها را می توان با غلظت آنها به طور معمول تقریب زد.
${\displaystyle Q_{r}={\frac {a_{\text{Red}}}{a_{\text{Ox}}}}={\frac {[Red]}{[Ox]}}}$
در تعادل شیمیایی، نسبت Qr فعالیت محصول واکنش (aRed) توسط فعالیت معرف (aOx) برابر با ثابت تعادل K نیمه واکنشه
${\displaystyle K={\frac {a_{\text{Red}}}{a_{\text{Ox}}}}}$
طبق ترمودینامیک استاندارد انرژی آزاد واقعی گیبس ΔG مربوط به تغییر انرژی آزاد در حالت استاندارد ΔGo
توسط رابطه:${\displaystyle \Delta G=\Delta G^{\ominus }+RT\ln Q_{r}}$
که در آن Qr ضریب واکنش است. پتانسیل سلول E مرتبط با واکنش الکتروشیمیایی به عنوان کاهش انرژی آزاد گیبس به ازای هر کولن بار منتقل شده تعریف میشه که منجر به رابطه می شود.
${\displaystyle \Delta G=-zFE.}$
ثابت F (ثابت فارادی) یک ضریب تبدیل واحد $F = NAq$ است که در آن NA ثابت آووگادرو و q بار اصلی الکترون است. این بلافاصله منجر به معادله نرنست می شود
${\displaystyle E_{\text{red}}=E_{\text{red}}^{\ominus }-{\frac {RT}{zF}}\ln Q_{r}=E_{\text{red}}^{\ominus }-{\frac {RT}{zF}}\ln {\frac {a_{\text{Red}}}{a_{\text{Ox}}}}.}$
برای یک واکنش الکتروشیمیایی کامل (سلول کامل)، معادله را می توان به صورت زیر نوشت
${\displaystyle E_{\text{cell}}=E_{\text{cell}}^{\ominus }-{\frac {RT}{zF}}\ln Q_{r}}$
جایی که:
Ered پتانسیل کاهش نیمه سلولی در دمای مورد نظر است،
Eoقرمز پتانسیل کاهش نیم سلول استاندارد است،
Ecell پتانسیل سلولی (نیروی محرکه الکتریکی) در دمای مورد نظر است،
Eoسلول پتانسیل سلول استاندارد است،
R ثابت گاز جهانی است: R = 8.31446261815324 J K-1 mol-1،
T دما بر حسب کلوین است،
z تعداد الکترون های منتقل شده در واکنش سلولی یا نیمه واکنش است.
F ثابت فارادی است، مقدار بار (بر حسب کولن) در هر مول الکترون: F = 96485.3321233100184 C mol-1،
Qr ضریب واکنش واکنش سلولی است و
a فعالیت شیمیایی برای گونه مربوطه است، که در آن aRed فعالیت شکل کاهش یافته و aOx فعالیت شکل اکسید شده است.
ولتاژ حرارتی
در دمای اتاق (25 درجه سانتیگراد)، ولتاژ حرارتی ${\displaystyle V_{T}={\frac {RT}{F}}}$ تقریبا 25.693 میلی ولته معادله نرنست
${\displaystyle E=E^{\ominus }-{\frac {V_{T}}{z}}\ln {\frac {a_{\text{Red}}}{a_{\text{Ox}}}}=E^{\ominus }-{\frac {\lambda V_{T}}{z}}\log _{10}{\frac {a_{\text{Red}}}{a_{\text{Ox}}}}.}$ که$λ = ln(10) ≈ 2.3026 and λVT ≈ 0.05916 Volt.$پتانسیل سلول استاندارد معادله نرنست چگونه کار می کند؟$E = E^\circ - \dfrac{RT}{nF} \ln Q$تحت شرایط استاندارد، دما برابر با 298 کلوین است و عبارت $\frac{RT}{F}$ را می‌توان برابر با 25.693 mV در نظر گرفت که با جایگذاری آن در بخش مربوط به دما، $E=E^{o}-\frac{0.0592 V}{n} \log _{10} Q$پتانسیل الکتریکی یک سلول، تابعی از خارج قسمت واکنش (Q) است. با پیشرفت یک واکنش اکسایش کاهش (ردوکس)، واکنش‌دهنده‌ها مصرفه و غلظت واکنش‌دهنده‌ها کاهش می‌یابه. در مقابل نیز غلظت فرآورده‌ها افزایش پیدا می‌کند. به همین صورت، با پیشرفت واکنش،‌ پتانسیل سلول به مرور کاهش می‌یابد تا اینکه واکنش به تعادل برسه. در این حالت، ΔG=0 و درنتیجه$\Delta{G} = -nFE\ \Rightarrow E = 0$با جایگذاری $Q=K_{e q}$ و E=0 در رابطه نرنست به رابطه زیر می‌رسیم:$0=E^{o}-\frac{R T}{n F} \ln K_{e q}$و$0=E^{o}-\frac{0.0592 V}{n} \log _{10} K_{e q}$: واکنش الکترولیز به انرژی نیاز دارد با افزودن انرژی الکتریکی به انرژی گرمایی سرعت واکنش افزایش می یابد. بنابراین افزودن انرژی گرمایی به انرژی الکتریکی سرعت واکنش را افزایش می دهد.
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 استاد ضمن تشکر از اینکه وقت گذاشتید سوالی که مطرحه اینکه اگرظرفی را که عمل الکترولیز دران انجام می‌شود را ببندیم گازهای حاصله انباشته می‌شود و فشار بالا میرود آیا میتوان گفت در اثر ازدیاد فشار در جایی عمل الکترولیز متوقف می‌شود اگر فشار سنج به ظرف وصل کنیم چه عددی را نشان می دهد آیا احتمال منفجر شده ظرف وجود دارد.

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 »

بالاترین فشار آبی که می توان در آن الکترولیز انجام داد چیست؟یک محیط پرفشار تمایل دارد مایعات را بر گازها ترجیح دهد، تا جایی که مایعات چگالی بالاتری دارند. بنابراین هر چه فشار بیشتر باشد، ولتاژ بیشتری باید اعمال کنیم تا واکنش H2O --> H2+O2 رخ بده
اما، با ولتاژ به اندازه کافی بالا همیشه باید امکان پذیر باشه. اگر ولتاژ را به اندازه کافی بالا ببریم در نهایت هر واکنش الکترولیتی انجام میشه. الکترولیز فقط در صورتی غیرممکن می شود (در عمل) (در هر ولتاژی غیرممکن است)، اگر واکنش های رقیب مورد علاقه باشد. من مطمئن نیستم که واکنش های رقابتی برای الکترولیز آب خالص در یک محیط پرفشار چیست. مثال من فکر میکنم احتمالاً H2O --> H2 + O3 (گاز ازن) در فشار کافی بالا بر H2O --> H2 + O2 ترجیح داده بشه
در اینجا غیرممکن است که کمی باشد، زیرا مکانیسم کاتالیزور و واکنش نیز تفاوت بزرگی برای برتری یک واکنش بر واکنش دیگر ایجاد می کند. فقط محاسبه انرژی های آزاد کافی نیست.برای هر گاز حداکثر ضریب تراکم پذیری (Q) وجود داره. و از آنجایی که ما دو محصول هیدروژن و اکسیژن داریم، کمترین (Q) که برای اکسیژن است پیش می‌رویم، بنابراین در صورت الکترولیز آب تحت فشار بالا، انتظار دارید واکنش شما با رسیدن فشار داخل (Q) متوقف بشه. اکنون (Q) را پیدا کنید. چگونه این کار را انجام دهیم؟ برای یک گاز باید ببینید چگالی آن در حالت مایع چقدر است (به عنوان مثال لیتر در کیلوگرم) سپس باید حداکثر چگالی باشه که می توانید با هر فشاری محاسبه کنیم زیرا پس از آن فشار باعث ایجاد اتم ها می شود.در الکترولیز آب چه مقدار هیدروژن یا اکسیژن تولید می شود؟من مطمئن نیستم که مناسب باشد رابطه بین همه متغیرهای بالا را در اینجا توضیح دهم زیرا مفاهیم زیادی وجود دارد که باید بررسی بشن هم رابطه اونو نمیدونم فقط تو ترمودینامیک و احتراق چیزهایی خوندم بعدش شیمی هم جز روس ما نیست با این حال، اساساً (با فرض اینکه هیچ واکنش دیگری به غیر از الکترولیز وجود نداشته باشد) بار عبوری از سلول متناسب با مقدار محصولات تشکیل شده است که توسط قوانین الکترولیز فارادی توضیح داده شده است.
$n=1 C (96.485 kC/mol) (2) = 5.18$
در جایی که Q بار عبور داده شده است، F ثابت فارادی و z تعداد الکترون های منتقل شده در هر واکنش ردوکس است. به عنوان مثال z=2 برای هیدروژن زیرا برای تبدیل H+ به H2 به دو الکترون نیاز است تا 2H++2e−↽−−⇀H2. بنابراین، به ازای هر کولن شارژ دریافت می کنیم:
گاز هیدروژن تولید شده بنابراین اگر بتوانیم شارژ (یا جریان یکپارچه در طول زمان) را اندازه گیری کنیم میتونیم مقدار محصول تولید شده را محاسبه کنیم. این بدون توجه به ولتاژ اعمال شده یا محتوای الکترولیت محلول درسته اما اگر بیش از یک واکنش در یک الکترود رخ دهد نمی‌توانید سهم هر واکنش را تنها با شارژ به عنوان اطلاعات جدا کنید. .
جایی که همه چیز ساده تر می شود، درک این است که چگونه تغییر پتانسیل یا مقاومت محلول بر مقدار باری که جریان می یابد تأثیر می گذاره اما خود بار مستقیماً به مقدار محصول تولید شده مرتبط است.من سعی می کنم حجم اکسیژنی را که از الکترولیز آب در دما و فشار معمولی با جریان 50 آمپر تولید می شود تخمین بزنم. محاسبه من به شرح زیر است:
واکنش این است
$\ce{2H2O -> O2 + 4H+ + 4e-}$
بنابراین، برای تولید 1 مول O2 (24 L)، باید 4 مول الکترون را در مدار جابجا کنیم که این بار $4F = 4 \times 9.65 \times 10^4 = \pu{3.86 \times 10^5 C}$ درجه سانتی گراد است. با جریان 50 آمپر در هر دقیقه $50 \times 60 = \pu{3000 C}$ درجه سانتی گراد شارژ می کنیم. بنابراین، ما $\frac{24}{3.86 \times 10^5} \times 3000 = \pu{0.186 L}$ در دقیقه تولید می کنیم.
تصویر

ارسال پست