docלקטרוליזה חוקי א
download 
Report Transcription
לקטרוליזה חוקי א
חוקי אלקטרוליזה חישוב נפח גז ה -HHOהמופק במחולל HHOבעל Nתאים כתב :טדי .א .מ 3102 IsraelHHO עמוד 1 תוכן עניינים .1 מבוא 3.......................................................................................................... .2 מושגים 4....................................................................................................... 3. החוק הראשון של פאראדיי 4............................................................................ 4. החוק השני של פאראדיי 5............................................................................... 5. סיכום שני החוקים של פאראדיי 5..................................................................... .6 גז אידיאלי 6.................................................................................................. 7. חישוב נפח המימן ונפח החמצן 7...................................................................... .8 דוגמא לחישובי נפחים הגזים מימן וחמצן שנוצרים בתהליך אלקטרוליזה של מים8 : 9. חישוב נפח גז ה HHO-במחולל בעל Nתאים8................................................... 10. סיכום 9......................................................................................................... IsraelHHO עמוד 2 .1מבוא בשנת 0871התגלה ,כי ניתן לפרק מים ליסודותיהם בעזרת זרם חשמלי .התופעה של פירוק תרכובת ליסודותיה באמצעות זרם חשמלי מכונה בשם אלקטרוליזה .הנוזל שאותו מפרקים מכונה אלקרוליט (במקרה שלנו זה המים). איור :1מכל עם מים (האלקטרוליט) ואלקטרודות. ב 0723-ניסח פאראדיי שני חוקים בסיסיים של האלקטרוליזה .הם התבססו על מדידות כמותיות רבות ,שפאראדיי ערך בחומרים שונים. איור : 2תא אלקטרוליטי המאה תשע עשרה לייצור מימן-חמצן IsraelHHO עמוד 3 .3מושגים הבהרת מושגים שנשתמש בהם בהמשך: .3.0 .3.3 .3.2 .3.2 מחולל –HHOמערכת של אלקטרוליזה הבנויה בצורה אפקטיבית להפקת גז HHO (גז מימן-חמצן) ממים. מערכת של תא אחד – מחולל HHOשמכיל רק אנודה וקטודה אחד. מערכת של Nתאים -מחולל HHOשמכיל Nתאים. קבוע פארדיי – F ,הינו גודל המטען למול ( )moleוהוא שווה ל: )F = 96,485 (C/mol .3.2 .3.2 .3.8 מול ( – )moleיחידת כמות חומר ערכיות של יסוד – k ,מספר הקשרים שיוצר אטום של יסוד מסוים עם אטומים של יסודות אחרים .מספר זה תלוי במבנה קליפות האלקטרונים באטום של כל יסוד .באופן כללי הערכיות של יסוד יכול להיות חיובי או שלילי. מסה אטומית של חומר – mמסה של אטום נמדד ביחידות שנקרה ימ"א – יחידת מסה אטומית ( unified Atomic Mass Unitאו בקיצור .) AMU 1 amu = 1.66053886 × 10−27 kg .3החוק הראשון של פאראדיי החוק הראשון של פאראדיי לאלקטרוליזה אומר כי המסה של היסוד הנוצר ליד אחת האלקטרודות פרופורציונאלי לכמות המטען שמושקע במיכל .וניתן לתאר אותה בצורה הבאה: 0.0 כאשר -M :המסה בגרמים של היסוד הנוצר ליד אחת האלקטרודות. - Qהמטען בקולון ,המושקע באלקטרודות. - zקבוע שתלוי במסה האטומית של היסוד הנוצר ,m קבוע פאראדיי Fובערכיות של היסוד kוהוא שווה ל: 0.3 ניתן לנסח את החוק הראשון גם בצורה הבאה: ידוע שמטען חשמלי מחושב לפי הנוסחה הבאה: 0.2 כאשר -I :הזרם החשמלי באמפר. - tהזמן שהזרם עבר באלקטרודות ,בשניות. IsraelHHO עמוד 4 מהמשוואות 0.0ו 0.2-מתקבל: 0.2 .4החוק השני של פאראדיי החוק השני של פאראדיי לאלקטרוליזה אומר כי המסה של היסוד הנוצר ליד אחת האלקטרודות פרופורציונאלי ליחס ביו מסת היסוד לערכיות שלו ( ) . .וניתן לתאר אותה בצורה הבאה: 0.2 במקרה זה הקבוע zיהיה שווה ל: 0.2 לא נתעמק בחוק השני ,אלא יותר בחוק הראשון כי אנחנו נתעסק בפירוק של חומר אחד והוא המים. .5סיכום שני החוקים של פאראדיי ניתן לנסח את שני החוקים הנ"ל במשוואה אחת: 0.8 הערה :כאמור ,בסעיף ,3.3הערכיות של יסוד יכולה להיות חיובי או שלילי ,אבל בנוסחה שלנו ,הערכיות kשווה לערך מוחלט של הערכיות ,כלומר הוא תמיד חיובי. נתונים של היסודות המרכיבים את המים : שם היסוד סימון mמסה האטומית ()amu kהערכיות מימן 0.11818 3 חמצן 02.1112 2 IsraelHHO עמוד 5 .6גז אידיאלי גז אידאלי הוא מודל פיזיקלי עבור התנהגות חומר במצב צבירה של גז .המודל מניח שאין שום אינטראקציה בין מולקולות הגז ושהמולקולות הן נקודתיות (חסרות נפח). משוואת הגז האידיאלי הינו : 0.7 כאשר (יחדות :)S.I - Pלחץ הגז []atm - Vנפח שהגז תופס []m3[ ]liter - nכמות המולים []mol - Rקבוע הגזים האוניברסאלי [8.314472 ]J·K-1·mol-1 - Tטמפרטורת הגז []K היחידות ב S.I. -הן במשוואה.(atm)(m3(=(mol)(J/mol.K)(K) : כמות המולים ניתן לחשב לפי הנוסחה הבאה: 0.1 כאשר: – Mהמסה של הגז. - mהמסה המולרית של הגז (כמה כל מול גז שוקל). נציב משווה 0.1לתוך 0.7ונקבל : 0.01 0.00 נציב בנוסחה 0.00את נוסחה 0.8של חוק פארדיי ,ונקבל: 0.03 IsraelHHO עמוד 6 זה אומר שבמצב אידיאלי ,ניתן לחשב את נפח הגז שנוצר בתהליך אלקטרוליזה ,בתא אחד, לפי הנוסחה : כאשר: - Pלחץ הגז []atm - Vנפח שהגז תופס []m3[ ]liter – kערכיות של היסוד . - Rקבוע הגזים האוניברסאלי ])0.0820577[ L*atm/(mol*K - Tטמפרטורת הגז [.]K - Iהזרם [.]A -tהזמן שהזרם מופעל []sec - Fקבוע פארדייF = 96,485 (C/mol) , .7חישוב נפח המימן ונפח החמצן ההבדל בפרמטרים של חישוב הנפחים הוא רק בערכיות .k .8.0נפח המימן k=2 , .8.3נפח החמצן k=4 , .8.2יחס הנפחים זה אומר שבתהליך נוצר נפח כפול של מימן מנפח של חמצן (.)HHO IsraelHHO עמוד 7 .8.2הנפח בתא בודד .8דוגמא לחישובי נפחים הגזים מימן וחמצן שנוצרים בתהליך אלקטרוליזה של מים: נניח : T = 0 °C = 273.15 K p = 1 atm t = 3600 s I=1A זה אומר אם נפעיל תא אחד של מערכת אלקטרוליזה ,ב , 0 °C-בלחץ 0אטמוספרה ,בזרם 0אמפר במשך שעה ,נקבל 1.22ליטר של גז חמצן ומימן. ואם ניקח פרמטרים יותר מציאותיים ,למשל טמפרטורת החדר או אפילו גבוהה מזה ,ועם זרם יותר גבוה ,נקבל תוצאות יותר גבוהות. .9 חישוב נפח גז ה HHO-במחולל בעל Nתאים נסמן נפח הגז ה HHO-שנוצר בתא הראשון , V1ובתא השני , V2ובשלישי , V3וכך הלאה הלאה עד .הנפח הכללי של המערכת Vt -יהיה סכום הנפחים של כל תא ותא: 1.17 Vt = V1 + V2 + V3 + ....+ אבל במחולל HHOכל התאים נמצאים באותה סביבה ובאותם תנאים ,לכן כל הפרמטרים יהיו זהים בכל אחד מהתאים ,ולכן כל הנפחים שווים אחד לשני . = .... = V1 = V2 = V3 לכן הנפח הכללי יהיה: 1.18 Vt = N*V1 הערה V1 -הינו סכום הנפח בין המימן לחמצן ,כמו שמופיע בנוסחה 1.16 נציב את המשוואה 1.16במשוואה 1.18ונקבל: IsraelHHO עמוד 8 0.01 נאחד את כל הקבועים לפרמטר אחד ,שסימנו יהיה Dונקבל: 1.21 כאשר : - Vtהנפח הכללי שהמחולל מייצר. - Nמספר התאים שקיים במחולל ה.HHO- -Dקבוע שמחושב לפי: 1.21 1.21 6 37853 .01סיכום ניתן לחשב את נפח הגז מימן חמצן שמיוצר ממים במחולל HHOהמבוסס על תהליך הכימי אלקטרוליזה, באמצעות הפרמטרים הבאים: - Tטמפרטורת הגז [.]K - Iהזרם [.]A -tהזמן שהזרם מופעל []sec - Pלחץ הגז []atm – Dקבוע שערכו מחושב במשוואה .0.30 IsraelHHO עמוד 9
