간편한 전기 분해 (ish)

간편한 전기 분해 (ish)

 

작년 11 월 (정말 그렇게 오래 전 이었나요 ??) 저는 물에 대한 블로그 게시물을 작성 했습니다. 여기에서 간단한 가정에서의 전기 분해 버전을 설명했습니다. 그 당시에는 9V 배터리, tic tac 만 사용하는이 실험 (보통 전원 팩과 전선 및 모든 종류의 기타 실험실 재료가 포함됨)을 수행하는 것이 이상 할 정도로 흥미로웠다는 사실을 넘어서 그다지 많이 생각하지 않았습니다. 상자 및 일부 드로잉 핀 .

 

그럼, 이봐, 뭘 알고 있니, 누군가가 실제로 내 말을 읽었다! 그뿐만 아니라 그것을 읽고 생각했습니다. 이것을 시도해 봅시다. 그리고 그것은이었다 그래서 루이스 허버트 에서, STEM 교육 (자신의 트위터에있어, 여기에 자신의 웹 사이트이다 ), 지난 달 내게 연락을하고 난 상관 원하는 경우가 실제 업무에 물론 학습 STEM에 대한 소스로 크로니클 플라스크를 사용하는 경우 물었다.

 

물론 아니고, 사진 좀 보내주세요!

 

그리고 그들은이 포스트를 통해 흩어져있는 것을 볼 수 있습니다. 하지만 화학에 대해 간단히 살펴 보겠습니다.

 

전기 분해 는 화합물을 전기로 분리하는 과정입니다. 구체적으로 이온 성 화합물 : 화합물 의 양전하 이온은 음극으로 이동하고 음전하 이온은 양극으로 이동합니다.

 

 

물은 화학식 H 2 O를 갖는 공유 화합물 이지만 이온으로 분리됩니다.

 

단지… 잠깐만… 물은 이온 성이 아니죠? 그래서… 왜 물에서 작동합니까? 어. 잘. 물은 약간의 이온으로 나뉩니다 . 표준 조건에서는 그다지 많지는 않지만 약간의 물에 OH – 및 H + 이온이 매우 소량 포함되어 있습니다 . (사실, 상온에서 H + 이온이 얼마나 많은지 정확히 말해 줄 수 있습니다. 1 × 10 -7 mol dm -3 이고, 놀라운 화학 플롯 트위스트에서 7은 순수한 물이 pH, 예, 7.)

 

그래서 이론적으로 물은 이온을 포함하고 있기 때문에 전기 분해 할 수 있습니다. 그리고 저는 한 번 이상 손을 흔들어 그 상태로 두었습니다. 특히 GCSE 수준 (영국의 경우 16 세) 까지 두었습니다. 왜냐하면 약간 의문스러운 설명이기는하지만 (1 분에 더) 전기 분해는 까다 롭고 때때로 학생들의 뇌가 귀에서 흘러 내리기 시작하도록 지금까지 학생들을 밀어 붙이지 않는다는 말이 있습니다. ( 말 그대로 "모든 모델이 잘못되었지만 일부는 유용합니다.")

 

화학자들은 이러한 종류의 반응에서 전자가하는 일을 보여주기 위해 반 방정식 을 작성합니다 . 아주 간단한 용어로 우리는 양극 (양극이라고도 함)에서 OH – 이온이 전자를 잃어 산소와 물을 형성 한다고 상상할 수 있습니다. 그래서:

 

4OH – —> 2H 2 O + O 2 + 4e –

 

반대로 음극 (음극이라고도 함)에서 H + 이온은 전자를 얻어 수소 가스를 형성합니다.

 

2H + + 2e – —> H 2

 

이 방정식은 종과 전하의 측면에서 균형을 이룹니다. 그들은 음이온이 양극으로 이동하고 양이온이 음극으로 이동한다는 점을 지적합니다. 그들은 산소와 수소 가스가 형성된다는 우리의 관찰과 일치합니다. 좋아.

 

순수한 물은 전기 전도체 가 좋지 않기 때문에 이와 같은 실험이 잘 작동하지 않는다는 점을 제외하면 ( 어쨌든 간단한 장비로는 불가능합니다 ) . 예, 대중 매체는 욕조에 있는 토스터 가 감전사로 인한 확실한 죽음 이라고 주장 하지만 이는 목욕물이 순수한 물이 아니기 때문입니다. 물속 의 모든 염분 , 땀이나 목욕 제품 또는… 무엇이든…

 

 

소량의 탄산 수소 나트륨이 포함 된 물을 사용한 나의 원래 실험.

 

공정이 작동하도록하기 위해 약간의 산 (H + 이온 소스 ) 또는 알칼리 (OH – 이온 소스 )를 투입 하여 전도도를 향상시킬 수 있으며 , 음극에서 수소 가스가 형성되고 산소 가스가 형성됩니다. 양극에서. 아름다운. 원래 9V 배터리 실험을 설정했을 때 베이킹 소다 ( 탄산 수소 나트륨 )를 추가 했는데 멋지게 작동했습니다.

 

그러나 이제 우리는 이러한 방정식에 문제가 발생하기 시작합니다. 예를 들어 과량의 H + 이온을 물에 던지면 사용 가능한 OH – 이온의 대부분을 "걸레질"합니다 .

 

H + + OH – —> H 2 O

 

… 그러면 우리는 어디 에서 4OH를 얻을 수 있습니까? - 양극 반 방정식에서? 과량의 알칼리를 추가하면 약간 덜 극단적 인 경우에도 비슷한 문제입니다. 이제 H +가 거의 없습니다 .

 

음. 그래서. 간단한 반 방정식은 ... 약간의 식입니다 ( STEM 학습 팀이 사용했던 것처럼 황산나트륨과 같은 pH 중성 이온 공급원을 사용하는 경우에도 아마도 아래 참조).

 

진실은 무엇입니까? H + 가 많이 존재할 때 , 양극에서 거의 확실하게 일어나는 일은 물이 산소와 더 많은 수소 이온으로 분할되는 것입니다.

2H 2 O —> + O 2 + 4H + + 4e –

 

음극 반응은 이전과 동일합니다.

2H + + 2e – —> H 2

 

정말 간단하지만, 우리는 "음이온이 양극으로 가고있다"라는 것을 사용한다는 것을 의미합니다. 이것은 아직 표준 전극 전위를 경험하지 않은 GCSE 학생들 이 머리 를 돌리기 위해 까다로울 수 있습니다. 제 생각에) 교과서는 종종 OH – -reacts-at-the-anode 설명 과 함께갑니다 .

 

마찬가지로 과도한 알칼리가있는 경우 반 방정식은 다음과 같습니다.

 

양극 : 4OH – —> 2H 2 O + O 2 + 4e –

음극 : 2H 2 O + 2e – —> H 2 + OH –

 

이 시간이 있다 OH 많이 - 하지만 거의 H +는 이 다르다 캐소드 반 식 그래서.

 

잠시 방정식에서 벗어나이 실험에는 몇 가지 실용적인 문제가 있습니다. 하나는 드로잉 핀입니다. 화학자들은 불활성 이기 때문에 일반적으로 전기 분해 실험에서 흑연 또는 백금 전극을 사용 합니다. 그러나 두 가지 모두의 좋은 품질의 샘플은 (a) 확보하기가 더 어렵고 비용이 많이 들고 (b) tic tac box를 통과하는 것이 더 까다 롭습니다 . (이것 과 같이 온라인에서 연필 "납"으로 전기 분해를하는 사람들의 예가 있습니다. 그러나 연필의 흑연은 다른 화합물, 특히 점토 와 혼합되어 있으며 균열이 생기기 쉬우므로 이것이 덜 자주 작동한다고 생각합니다. 이 사진이 제안하는 것보다.)

 

 

다른 버전의 실험…

 

반면 드로잉 핀은 금속으로 만들어지며 아연, 구리 또는 철 중 하나 이상이 포함되어 있으며,이 모두는 실험 중에 화학 반응에 관여 할 수 있습니다.

 

내가 할 때, 나는 아마도 그 화합물의 상당히 전형적인 것처럼 보이는 갈색 침전물을 기반으로 철 (III) 수산화물이 형성되는 것을보고 있다고 생각했습니다. Louise의 팀 중 한 사람은 아연 치환 반응이 발생할 수 있다고 제안했는데, 이는 드로잉 핀이 아연 도금 된 경우 의미가 있습니다. 수산화 아연은 매우 불용성이므로 흰색 침전물이 나타날 것입니다. 어느 쪽이든 양극 주변의 고체 형성은 빠르게 산소 가스 생성을 방해하기 시작하므로 빠르게 관찰하고 싶고 신뢰할 수있는 가스 테스트 를 수행하기에 충분한 산소를 수집하지 못할 수 있습니다.

 

실험 중 하나에서 STEM 학습 팀은 브로 모티 몰 블루 지시약 (편집 : 아니요, 그렇지 않습니다, 아래 참조) 을 물에 추가하고 황산나트륨을 이온 공급원으로 사용했습니다. 브로 모티 몰 블루는 pH 7 주변의 약간의 pH 변화에 민감합니다. pH 6 이하에서는 노란색이고 pH 7.6 이상에서는 파란색입니다. 사진을 자세히 보면 양극 주변의 용액 (위 사진 오른쪽에 * squint *)이 약간 황록색으로 보이는 것을 알 수 있습니다. 이는 약간 낮은 pH를 의미합니다…하지만… 그것에. 이것은 말이 될 수 있습니다. 균형 잡힌 H + 반 방정식은 실제로 H + 두 전극 주변에서 슬로 싱 (한 쪽에서 형성되고 다른 쪽에서 소모 됨)하지만 양극 주변에서 더 많이 형성되므로 pH가 약간 낮을 것으로 예상됩니다.

 

파란색은 불행히도 황산구리 용액과 비슷해 보이며,이 실험을 최선의 시간에 머리 속에 똑바로 유지하는 데 어려움을 겪는 학생들에게는 혼란 스러울 수 있습니다. 아마도 A 레벨 클래스를 위해 저장해야 할 것입니다.

 

이 때문에이 발표 한 (루이스는 사진에서 실험, 황산 구리, 인 사실에있는 것이 분명. 어머. 네, 여러분, 그것은 구리 황산과 같은 것입니다 황산구리. 그러나 나는 위의 단락을 떠날 거라고 생각 지금은 여전히 ​​흥미로운 토론이기 때문에!)

 

또 다른 실질적인 문제는 틱택 박스가 많이 필요하다는 것인데, 이는 누군가가 틱택을 많이 먹어야한다는 것을 의미합니다. 더 나쁜 문제가있을 수 있습니다. 나는 "당신의 숙제는 tic tacs 한 상자를 먹고 빈 상자를 가져 오는 것"이라고 감히 말합니다. 실제로 꽤 인기가있을 것입니다.

 

그래서 우리가 있습니다. 여기에는 많은 잠재력이 있습니다 (하하, 죄송합니다). 몇 파운드에 여러 클래스 세트를 쉽게 조립할 수 있습니다. 가장 큰 비용은 1 파운드 미만으로 구입할 수 있는 9V 배터리를 대량 주문하는 것입니다. 각각 -소량의 무해한 화학 물질을 사용하므로 매우 안전합니다. 학생들은 자신의 실험을 할 수도 있고 3 명 이상의 그룹으로 작업 할 필요없이 엉뚱한 전선과 삼중 파워팩으로 싸울 필요가 없습니다 (우리 모두 거기에있었습니다).