suyun elektrolizi

Suyun elektrolizi

Suyun bileşimi 2 hidrojen ve 1 oksijenden meydana gelir. Suyun doğru akım kullanılarak hidrojen ve oksijenlerine ayrılması işlemine elektroliz denir. Elektroliz, elektrik enerjisi ile ayrıştırma (analiz) işlemidir. Hidrojen üretimi için en basit yöntemdir. Prensip olarak bir elektroliz hücresi içinde, genelde düzlem bir metal ya da karbon plakalar olan, iki elektrot ve bunların içine daldırıldığı, elektrolit adı verilen iletken bir sıvı bulunmaktadır.

Doğru akım kaynağı bu elektrotlara bağlandığı zaman akım iletken sıvı içinde, pozitif elektrottan negatif elektroda doğru akar. Bundan dolayı elektrolit içindeki su, katottan çıkan hidrojen ve anottan çıkan oksijene ayrışır. Burada sadece suyun ayrışmasına karşılık, su iyi bir iletken olmadığından elektrolitin içerisine iletkenliği arttıran potasyum oksit ilave edilir.

Suyun elektrolizi için, normal basınç ve sıcaklıkta, ideal olarak 1,23 volt kafidir. Tepkimenin yavaş olması ve başka sebeplerle elektroliz işleminde daha yüksek gerilimlerde kullanılır.

Hidrojen üretim hızı, gerçek akım şiddeti ile orantılı olduğu için, ekonomik sebeplerle yüksek akım yoğunlukları tercih edilmektedir. Bun dan dolayı pratikte suyun ayrıştırılması için hücre başına uygulanan gerilim genelde 2 volt civarındadır.

Sudan bir miktar akım geçtiği zaman, açığa çıkan hidrojenin hacmi, oksijenin iki katıdır. Su iki hidrojen bir oksijen atomundan oluşur. Suyun elektrolizinde anotta (+) oksijen, katotda (-) hidrojen gazı birikir. Çünkü hidrojen iyonu (H +) artı yüklü, oksijen (O -2) eksi yüklü olduğundan, eksi elektrot artı yüklü iyonu çekerler.

Önemlidir:

Elektroliz kabından 1 C yük geçtiği zaman, anotta 0,06 cm³ O2, katotta 0,12 cm³ H2 açığa çıkar.

Teorik olarak, her metreküp oksijen elementi için 2.8kW-saat elektrik enerjisi yeterlidir. Pratikte kullanılan elektrik enerjisi miktarı bir metreküp hidrojen üretimi için 3.9-4.6 kW-saat arasında değişir. Bundan dolayı elektroliz işleminin verimi %70 dolayındadır. Günümüzde bu alanda yapılan çalışmalar ve gelişen teknoloji ile %90 verim sağlanmıştır. Elektroliz hücrelerinde, nikel kaplı çelik elektrotlar kullanılmaktadır.

Nükleer yakıtlar veya fosillerden sağlanan birincil enerjilerin elektroliz yolu suyun hidrojene dönüştürülmesinin verimi bu yakıtlardan sağlanacak elektrik enerjisinin verimine bağlıdır.

Elektrik üretim verimi, modern fosil yakıt santralleri için %38 ve nükleer tesisler için %32 civarındadır. Suyun elektroliz hücresinin ticari olarak %80 verim de çalıştığı düşünüldüğü zaman, fosil yakıtlardan elektroliz yolu ile hidrojen elde etmede toplam verim %25-30 olmaktadır.

Elektrik üretiminde meydana gelen ısı enerjisi, suyun ayrıştırılması için kullanıldığı zaman, daha yüksek verim sağlanabilir. Ancak, suyun ısı enerjisi ile ayrıştırılması için en az 25000C lik bir sıcaklık gerekir.

Suyun Elektrolizinden Hidrojen Elde Edilmesi

Çeşme suyunun %10’luk H2SO4 (sülfirik asit) yada Ba (OH)2 (baryum) çözeltisi ile iletkenlik elde edilir. Daha sonra içerisinden direkt olarak elektrik akımının geçirilmesiyle platin elektrotlardan iki hacim elde edilir. Bir hacim sudan saf olarak H2 gazı ve bir hacim de O2 gazı elde edilmiş olur.

Maliyet açısından bu metot pahalıdır. 1 ton suyun elektrolizi için bir saatte 4480 kilowatt elektrik harcanmaktadır.

Suyun Elektrolizinden Oksijen Elde Edilmesi

Elektrolit eklenmiş suyun içerisinden elektrik akımı geçirilmesi ile saf olarak katotta hidrojen gazı, anotta ise oksijen gazı toplanır.

2H₂O → 2H₂ + O₂

Örneğin: 100 ml suyun elektrolizinden %20 kayıpla normal şartlar altında kaç litre oksijen gazı elde edilebilir? ( H=1, O=16)

Çözüm: Tepkime denklemi;

H₂O → H₂ + ½ O₂

18 ml 22,4/2 L

100 ml X L oksijen

______________________

X= 62,2 L oksijen ( % 20’si kayıp olduğunda )

%100’ ü 62,2 litre ise

%80 ‘i X litre Oksijen

________________________

X= 49,78 L oksijen gazı elde edilir.

Elektroliz Deneyi

Bu deneyin yapılmasının amacı suyun, elektrolizle hidrojen ve oksijene ayrılmasıdır. Deney malzemeleri;

Güç kaynağı veya 12 V’ luk pil
Krokodil kablo
Bunzen kıskacı
3 beherglas (250 cm3)
2 adet deney tüpü
2 adet çelik elektrot
Sodyum karbonat veya sülfirik asit
Saf su
Cam çubuk

Deneyin yapılışı:

Bir beherglas içine 500 ml su koyunuz. içerisine 60 gr çamaşır sodası (Na2CO3) veya sülfirik asit (H2SO4) koyarak cam çubukla karıştırınız ve çözeltiyi hazırlayın.
Sonra iki tane deney tüpünü hazırlanan çözelti ile tamamen doldurun. Sonra tüpleri hava almayacak şekilde parmağınızla kapatarak ters çeviriniz ve beherglas içerisindeki çözeltiye daldırınız. Tüpleri bunzen kıskacı ile sıkıca bağlayınız. Bu durumda tüpün içine hava girmemiş olur.
İki çelik elektrodu alınız ve elektrotların uçlarını tüplerin içerisine yerleştiriniz. Krokodil kabloları elektrotlara bağlayarak, diğer uçlarını güç kaynağının doğru akım çıkışına bağlayıp saate bakınız.
Her 5, 10, 15 dakikada tüplerde toplanan gaz miktarlarını tüplerin üzerine işaretleyiniz ve devreyi kesiniz.
Tüplerdeki gaz birikmesi sona erdikten sonra yine hava almayacak şekilde sudan çıkarın. Tüplere kibrit alevi yaklaştırdığınız zaman patlayarak yanan hidrojen gazı, alevi daha parlak yakan ise oksijen (yakıcı gaz) gazıdır.

Deneyin sonucu:

Suyun elektrolizinde; ( – ) kutba bağlantılı olan tüpte iki hacim hidrojen , ( + ) kutba bağlı olan tüpte bir hacim oksijen gazı toplanır. Su, kendini oluşturan hidrojen ve oksijene ayrışmıştır.

Teorik bilgi;

Bir bileşiğin elektrik yardımıyla bileşenlerine ayrılma olayına elektroliz denir. Herhangi bir bileşiğin elektrolizinde bileşiğin anyonu anottan, katyonu ise katottan açığa çıkar.

Elektroliz düzeneğinde pozitif ve negatif kutuplara elektrot adı verilir. Güç kaynağının pozitif kutbuna bağlanan elektrot anot , negatif kutbuna bağlanan ise katottur. İki kutup arasında elektrik taşınmasını sağlayan iletken çözeltiye elektrolit denir.

Suyun elektrolizinde katotta ( – ) hidrojen, anottan ( + ) ise oksijen gazı toplanır. Deney sırasında bir süre sonraları tüplerde toplanan hidrojen gazı, oksijen gazının iki katı olur. Yapılan deneyde ortalama bir şekilde 1 coulomb’ luk yükün devreden geçmesi halinde yaklaşık olarak 0,12 cm³ hidrojen, 0,06 cm³ oksijen gazı açığa çıkar.

Suyun elektrolizi

Ayrışan oksijen ve hidrojen gazları biriktirildiğinde basınç artışı olur. Şeklimizde görüldüğü gibi, sağdaki katot ve soldaki anot kaplarında, hidrojen ve oksijen gazı meydana gelmekte, elektroliz kabının içindeki basınç arttığında, tek yönlü birer vanadan geçerek yukarı çıkmaktadır. Ayrışma sonucunda azalan suya ilave ortadaki kaptan yapılıyor.

Bu düzenekte oksijen ve hidrojen gazlarının toplandığı kapları kapalı duruma getirerek, gazlar biriktikçe basıncın artması sağlanabilir. Fakat, tek yönlü vanalardan geçişin sürebilmesi için, yükselen basıncı elektroliz kabının da görmelidir. Halbuki yüksek basınç düzeneği zorladığı için dayanıklı ve maliyeti yüksek bir düzeneğin tasarımını gerektirir. Ayrıca bu halde, ortadaki kaptan su takviyesi için, bu yüksek basınca karşı iş yapılmalıdır. Yani, ayrıştırılan hidrojen ve oksijen gazlarını daha sonra basınçlamak eziyetinin olmaması istendiği zaman, bu sefer, sıkıştırılması daha da zor olan suyun basıncına karşı iş yapma mecburiyeti ile karşılaşılır. Hem de, hidrojenin indirgenmesi ve oksijenin yükseltgenmesi için yukarıda verilen potansiyel değerleri, standart basınç ve sıcaklık şartları için geçerlidir. Basınç arttıkça bu değerler, mutlak değer olarak artar ve elektroliz işlemi için harcanması gereken enerji miktarını yükseltir. Ayrıca, yüksek basınç altındaki suyun elektrolizi sırasında uğranılan ısınma kayıpları da daha yüksektir.

Bundan dolayı, ayrışma ürünlerini meydana getiren hidrojen ve oksijen gazlarını, kullanılacakları yüksek basınca elektroliz kabının içindeyken çıkarmaya çalışmak, enerji verimliliğini azaltabilir. Suyun ayrıştırılması işlemi boyunca enerji verimliliğini arttırmanın bir metodu vardır. Su buharı moleküllerini parçalamak için 2500-3000 °C (5000-6000 T) gibi yüksek sıcaklıklara çıkmak zorunda değiliz. Su 2500°C’ ye kadar ısıtıldığı zaman, molekülleri elektroliz olmadan da parçalanır. Buna ısıl parçalanma denir.

Eğer 300-1000 °C (600-2000 °F) sıcaklıklarda çok daha soğuk bir su buharı toz haline getirilmiş demirin üzerinden geçirilse, demir oksijeni tutarak demir oksit oluşturur ve hidrojeni bırakır. Daha sonra demir oksit oksijeni serbestleyecek ve bize yeniden oksitsiz toz halde demir bırakacak şekilde ısıtılabilir. Bu işlemi çok büyük miktarlarda toz demir ile tekrarlayarak yeterince hidrojen gazı elde edebiliriz. Bu termokimyasal metoda bir örnektir.

Ama bu kadar aşırı sıcaklıklara çıkmak zor olduğu için, suyun örneğin 100-850°C’ ye kadar ısıtılıp, sonra elektrolize yapılması hedeflenmektedir. Böylece, ayrıştırma işlemi biraz ısı, birazda elektrolizle gerçekleştirilir. Isıtma işlemi, tek enerji kaybı ısı kaçaklarından olduğu için, verimi yüksektir. Halbuki elektriğin buhar döngüsüyle eldesi, yaklaşık 1/3 termodinamik verim ile gerçekleşmektedir. Bundan dolayı ayrıştırma işlemi elektroliz yerine, biraz ısı, biraz da elektrolizle gerçekleştirildiğinde, toplam enerji verimi arttırılabilir.