Электролиз воды

Вообще, электролиз - это процесс, в котором постоянный электрический ток, пропускаемый через ионизированный раствор или расплав вещества (электролит), используется для инициирования химической реакции на электродах (положительно заряженном аноде⁺ и отрицательном катоде^-), приводящей к диссоциации вещества на положительные ионы-катионы на стороне катода и отрицательные ионы-анионы на стороне анода. При электролизе воды, при прохождении через нее постоянного электрического тока, на стороне анода происходит диссоциация воды с образованием молекул кислорода O₂ и выделением положительно заряженных ионов водорода H⁺ и имеющих отрицательный заряд электронов e^-. На катоде^-, ионы водорода H⁺ принимают электроны, образуя газообразный водород H₂:
Анод: 2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e^-
Катод: 4H⁺ + 4e^- → 2H₂

В целом, реакцию диссоциации при электролизе воды можно записать следующим образом:
2H₂O → 2H₂ + O₂

Электролит

Аппарат для электролиза воды XIX века
Нажмите для увеличения

Вышеописанный электролиз чистой воды без чрезмерных затрат энергии проходит очень медленно или не проходит совсем. Для того, чтобы эффективно проводить элетролиз воды, в нее добавляют электролит - или растворимый в воде, или твердый - увеличивающий электрическую проводимость воды.

При выборе электролита необходимо, чтобы между катионами (положительно заряженными ионами) электролита и катионами, которые может отдать вода, то есть H⁺, не было конкуренции - иначе, не будет произведен водород. Для этого, катион электролита должен иметь меньший электродный потенциал, чем катион H⁺ (стандартный электродный потенциал E°В=0); на роль катиона подходят Li⁺, Rb⁺, K⁺, Cs⁺, Ba²⁺, Sr²⁺, Ca²⁺, Na⁺, and Mg²⁺. Чаще всего, используются электролиты с катионами
Li⁺: -3,0401
K⁺: -2,931 и
Na⁺: -2,71

Также, в роли электролита можно рассматривать и кислоты, т.к. при их диссоциации образуется ион H⁺, как и при диссоциации воды - и конкуренции между ними нет.

Так же, для исключения конкуренции аниона (отрицательно заряженного иона) электролита и гидроксильного иона OH^- анион электролита должен иметь больший электродный потенциал, чем анион OH^-, E°(В) = . Обычно, в качестве электролита используется щелочь, то есть, анионом является тот же самый гидроксильный ион OH^-, но если используется кислота с катионом H⁺, то в качестве аниона обычно используется сульфатный ион SO₄^2-, имеющий при окислении до S₂O₈ стандартный электродный потенциал -2,01 В.

Обычно, в качестве электролита для электролиза воды используются сильные щелочи: гидроксид калия KOH и едкий натр NaOH. Иногда, используется сильная кислота, как правило, серная кислота H₂SO₄.

Протоннообменные мембраны

Кроме растворов электролитов, для элетролизного производства воды могут использоваться и твердые электролиты, например Nafion - фторполимерный материал, обладающий способностью проводить катионы, то есть, в данном случае ионы H⁺, иначе назваемые протонами. Электролитические мембраны на основе нафиона получили название протоннообменных мембран.

Еще одни способо электролиза воды является электролиз при помощи твердого оксида.