Электролиз воды: формула, что образуется и сколько нужно энергии

Электролиз воды — это разложение воды постоянным электрическим током на водород и кислород по уравнению 2H₂O → 2H₂ + O₂. Водород выделяется на катоде, отрицательном электроде, кислород — на аноде, положительном. Водорода по объёму получается вдвое больше. Чистая вода почти не проводит ток, поэтому в неё добавляют электролит, чаще всего щёлочь NaOH или KOH. Сама щёлочь в реакции не участвует: в реакции расходуется только вода. Минимальное напряжение разложения при 25 °C — 1,23 В. Промышленные щелочные электролизёры тратят 4,1–4,5 кВт·ч электроэнергии на кубометр водорода. Это больше, чем тот же кубометр вернёт при сгорании: электролиз энергию только расходует.

Формула электролиза воды: что происходит на катоде и аноде

Суммарное уравнение при любых условиях одно: из двух молекул воды получаются две молекулы водорода и одна молекула кислорода. На каждом электроде при этом идёт своя полуреакция, и её запись зависит от среды, в которой ведут электролиз.

Если сложить обе полуреакции любой строки, одинаковые частицы слева и справа сократятся и останется 2H₂O → 2H₂ + O₂. Полуреакции кислого варианта приведены на странице Министерства энергетики США об электролизе. Там же описан щелочной электролизёр: гидроксид-ионы OH⁻ движутся через электролит от катода к аноду, водород образуется на стороне катода, а электролитом служит жидкий раствор гидроксида натрия или калия.

Отношение объёмов 2:1 следует из подсчёта электронов. Чтобы получить одну молекулу кислорода, анод забирает четыре электрона, а катод за те же четыре электрона выдаёт две молекулы водорода. При одинаковых давлении и температуре одинаковое число молекул газа занимает одинаковый объём, поэтому водорода по объёму вдвое больше. В школьном опыте это видно без приборов: в пробирке над катодом газа набирается в два раза больше, чем над анодом.

Посторонние продукты дают соли, растворённые в воде. Самый частый случай — поваренная соль: в растворе NaCl на аноде окисляется хлорид, и вместе с кислородом или вместо него выделяется хлор. На этой реакции построено промышленное получение хлора, к электролизу воды она отношения не имеет.

Зачем нужен электролит и почему берут щёлочь

Чистая вода распадается на ионы очень слабо, и переносить заряд между пластинами почти нечему. В учебнике химии LibreTexts об этом сказано прямо: электролит необходим, потому что из-за нехватки ионов чистая вода не переносит достаточного заряда. Там же на примере серной кислоты отмечено то, что для практики важнее всего: электролит в реакции не расходуется.

Это видно и по таблице. В щелочной среде катод производит четыре гидроксид-иона, анод столько же потребляет, и в итоговое уравнение щёлочь не входит. В реакции расходуется только вода. Отсюда правило для любого щелочного электролизёра: по ходу работы доливают воду, а не раствор. Если доливать раствор, концентрация щёлочи будет расти с каждым разом.

Щёлочь выбирают из-за материалов. В электролизёре с кислой протонообменной мембраной кислая среда, высокое напряжение и выделение кислорода на аноде вместе создают жёсткие окислительные условия. Выдерживают их титан, катализаторы из благородных металлов (оксид иридия на аноде, платина на катоде) и защитные покрытия. В щелочном электролизёре электроды делают из перфорированной нержавеющей стали с никелевым покрытием. Материалы обоих типов сравниваются в отчёте Международного агентства по возобновляемой энергетике Green Hydrogen Cost Reduction (IRENA, 2020).

Промышленный водно-щелочной электролиз идёт на растворах KOH или NaOH. Концентрация электролита, как правило, до 40 %: так обеспечивают максимум электропроводности при рабочих температурах до 90 °C. Так это описано в обзоре «Получение водорода электролизом воды: современное состояние, проблемы и перспективы» (Григорьев С. А., Порембский В. И., Фатеев В. Н. и др., 2008).

Воду для щелочного раствора берут дистиллированную. Соли жёсткости из водопровода, кальций и магний, в щелочной среде выпадают в осадок и садятся на пластины, а хлориды дают на аноде хлор. В дистилляте этих примесей нет.

Сколько энергии нужно на электролиз воды

У электролиза два характерных напряжения. Равновесное составляет 1,229 В при 25 °C, и ниже него вода не разлагается. Термонейтральное, около 1,48 В при температуре ниже 100 °C, соответствует режиму, в котором электричество покрывает всю энергию разложения, а ячейка не греется и не остывает. Оба значения взяты из того же обзора. Реальная ячейка работает при напряжении выше 1,48 В, потому что часть напряжения теряется на перенапряжении электродов и на сопротивлении раствора. Эта часть уходит в тепло, поэтому работающий электролизёр всегда тёплый.

Пересчитать напряжение в киловатт-часы несложно. На одну молекулу водорода нужны два электрона, то есть при постоянной Фарадея 96 485 Кл/моль на моль водорода приходится 192 970 Кл. В нормальном кубометре — 44,6 моля газа.

Сравнивать эти числа нужно с тем, что водород отдаст обратно. Энтальпия образования жидкой воды по справочнику NIST равна −285,83 кДж/моль: столько тепла выделится, если водород снова сгорит в воду. На кубометр водорода это 12,75 МДж, или 3,54 кВт·ч, и это потолок. В двигателе вода выходит паром и уносит часть тепла с собой. Любая ячейка, работающая выше термонейтрального напряжения, тратит на кубометр больше, чем получит назад: промышленная — 4,1–4,5 кВт·ч против 3,54.

Воды при этом расходуется очень мало. На кубометр водорода разлагается около 0,8 литра. Литр воды содержит 55,5 моля и при нормальных условиях даёт около 1244 литров водорода и 622 литров кислорода, в сумме почти 1,9 кубометра газа.

Электролиз в водородном генераторе на машине

Автомобильный водородный генератор устроен как малый щелочной электролизёр. Раствор в нём готовят из дистиллированной воды и каустической соды, то есть NaOH: щёлочь в чешуях входит в комплект поставки. Объём раствора у VGA-120 — 2,8 литра. Водород и кислород уходят из генератора вместе, смесью, которую называют газом Брауна, и через баблер поступают во впускной коллектор. Баблер — это ёмкость с водой между генератором и впуском. Он работает гидрозатвором и задерживает пары щёлочи, которые газ уносит с собой.

Электрическая часть подчиняется тому же закону Фарадея: газа выделяется столько, сколько заряда прошло через раствор. Поэтому подачу дозируют током, и этим занят ШИМ-контроллер из комплекта. Нагрузка на бортовую сеть у VGA-90, VGA-120 и VGA-240 составляет 65–85 Вт на легковых машинах и 175–190 Вт на грузовых, паспортное значение VGA-120 — 75 Вт. При 12 вольтах легковой нагрузке соответствует ток примерно 5–7 ампер. Эту мощность вырабатывает штатный генератор автомобиля, а его вращает двигатель.

Регламент обслуживания сводится к трём операциям.

Доливают именно воду, потому что в реакции расходуется только она. Литр воды превращается почти в 1,9 кубометра газовой смеси, а во впуск она подаётся малыми порциями, поэтому легковой машине литра хватает на 5000 км. Спирт зимой добавляют в обе ёмкости по одной причине: в мороз и раствор в генераторе, и вода в баблере должны оставаться жидкими.

Требования к безопасности таких установок задаёт ГОСТ Р ИСО 22734-1-2013 «Генераторы водородные на основе процесса электролиза воды». Он распространяется в том числе на генераторы, работающие на растворах электролита. VGA-90, VGA-120 и VGA-240 прошли испытания по этому стандарту: протокол № 869/ЕМ-16 от 30.07.2025 подтверждает прочность кожуха, степень защиты IP 22, взрывобезопасность по МЭК 60079 и аварийный останов. Баллона и хранения газа под давлением на борту нет.

Что электролиз даёт двигателю

Сам по себе электролиз энергию только потребляет. Это видно по таблице выше: на кубометр газа уходит больше электричества, чем он отдаст при сгорании, а электричество на борту берётся у того же двигателя. Как этот баланс выглядит в пересчёте на литр воды и граммы бензина, разобрано в статье что такое водород.

Поэтому завод-изготовитель объясняет действие установки не энергией водорода. По его заявлению, водород ускоряет сгорание топливно-воздушной смеси, а лямбда-регулирование само корректирует подачу топлива: кислородные датчики фиксируют изменившийся состав выхлопа, и ЭБУ уменьшает подачу. Отсюда два условия: исправные кислородные датчики и заводская прошивка блока управления. Там же завод заявляет, что углеродистые отложения в камере сгорания при этом окисляются. Из каких узлов состоит комплект и что описано в патенте на устройство, разобрано в статье как работает водородный генератор.

Вопросы про электролиз воды

Что образуется при электролизе воды? Водород и кислород в объёмном отношении 2:1. Водород выделяется на катоде, кислород на аноде. Побочные продукты дают соли, растворённые в воде: например, из раствора поваренной соли на аноде выделяется хлор.

Почему чистая вода почти не разлагается током? В ней слишком мало ионов, чтобы переносить заряд между электродами. Поэтому добавляют электролит, в щелочных электролизёрах это NaOH или KOH. Щёлочь проводит ток, но в суммарной реакции не участвует.

Можно ли вместо щёлочи добавить поваренную соль? Нельзя. В растворе NaCl на аноде вместе с кислородом выделяется хлор — ядовитый и коррозионно активный газ, и в генераторе на машине он ушёл бы во впуск. Для электролиза воды берут щёлочь, в комплекте генератора это каустическая сода.

Будет ли от щёлочи осадок на пластинах? Сама щёлочь растворяется полностью, осадок дают примеси воды: соли жёсткости в щелочной среде выпадают на пластины. Поэтому и раствор, и долив делают на дистиллированной воде, а раствор целиком меняют каждые 25 000–30 000 км с промывкой генератора дистиллятом.

Откуда берётся лишняя энергия? Лишней энергии нет. Даже промышленный электролизёр тратит на кубометр водорода 4,1–4,5 кВт·ч, а при сгорании этот кубометр отдаст не больше 3,54 кВт·ч. Источником энергии водород во впуске не служит. По заявлению завода-изготовителя, он ускоряет сгорание топливно-воздушной смеси, а подачу топлива корректирует лямбда-регулирование.

Куда смотреть дальше

Модель генератора подбирается по объёму двигателя и виду техники: VGA-90 — до 2 литров, VGA-120 — от 2 до 6,5 литра, VGA-160 — от 2 до 5 литров для Газели и лёгкого коммерческого транспорта, VGA-240 — от 6,5 литра, VGA-320 — от 5 литров для тяжёлой техники. Цены всех пяти моделей и стоимость монтажа собраны на странице стоимости.