Elettrolisi dell'acqua

L'acqua è un composto formato da idrogeno e ossigeno, e in quanto composto non è separabile nei suoi elementi costituenti tramite mezzi fisici. E' possibile però separarla mediante elettrolisi.

Durata: 1 ora

Scopo:

Dimostrare che è possibile separare l'acqua nei suoi componenti (idrogeno e ossigeno) tramite elettrolisi

Teoria:

L'acqua ha formula chimica H₂O, cioè le sue molecole sono composte da due atomi di idrogeno e uno di ossigeno. L'acqua non si decompone spontaneamente in idrogeno e ossigeno, ma è possibile provocarne la decomposizione fornendo energia, ad esempio applicando una differenza di potenziale tra due elettrodi di una cella elettrolitica. In questo caso, al catodo (polo negativo) avviene la riduzione dell'idrogeno dell'acqua a idrogeno elementare:

2H₂O + 2e^- → H_{2 (g)} + 2OH^-

e all'anodo (polo positivo) avviene l'ossidazione dell'ossigeno dell'acqua a ossigeno elementare:

2H₂O → O_{2 (g)} + 4H⁺ + 4e^-

Poiché H⁺ + OH^- → H₂O, la reazione complessiva è:

2H₂O → 2H_{2 (g)} + O_{2 (g)}

e corrisponde al passaggio di 4e^- nel circuito.

L'acqua però non è un buon conduttore, quindi perché la reazione avvenga a velocità apprezzabili occorre che nell'acqua sia disciolto un elettrolita (come un acido o una base forti o un sale solubile) che ne aumenti la conducibilità. L'elettrolita, però, non deve subire ossidazione o riduzione agli elettrodi al posto dell'acqua. Elettroliti adatti possono essere H₂SO₄, NaOH o Na₂SO₄.

Materiale:

• Soluzione acquosa di Na₂SO₄ 5% (almeno 250/300 mL)
• Fiammiferi

Strumenti:

• Voltammetro di Hoffman con elettrodi al platino
• Imbuto
• Trasformatore (uscita in c.c. 12V, o tensione regolabile)

Procedimento:

1. Applicare gli elettrodi al voltammetro, in modo che chiudano ermeticamente i tubi
2. Chiudere i rubinetti del voltammetro
3. Con l'imbuto, versare nel pallone del voltammetro la soluzione
4. Aprire il rubinetto di una colonna in modo da far salire la soluzione fino al rubinetto (espellendo quindi tutto il gas della colonna), e richiudere il rubinetto. Se necessario, rabboccare la soluzione nel pallone.
5. Ripetere riempiendo la seconda colonna.
6. Collegare il trasformatore agli elettrodi.
7. Applicare una differenza di potenziale di 12 V (eventualmente, variare la differenza di potenziale e osservarne gli effetti)
8. Attendere che si accumuli una sufficiente quantità di gas nelle colonne.
9. Avvicinare una fiamma all'ugello della colonna con l'elettrodo -, e con attenzione aprire il rubinetto facendo uscire una piccola quantità di gas.
10. Avvicinare un fiammifero acceso all'ugello della colonna con l'elettrodo +, smorzare la fiamma e subito dopo aprire il rubinetto facendo uscire una piccola quantità di gas.

Risultato:

Applicando la differenza di potenziale agli elettrodi, da essi dovrebbero svilupparsi bollicine di gas che salgono lungo le colonne, in misura maggiore all'elettrodo -. Il gas rimane intrappolato nella colonna dato che i rubinetti sono chiusi. Nella colonna con l'elettrodo – dovrebbe accumularsi una quantità di gas circa doppia rispetto alla colonna con l'elettrodo +.

Il gas della colonna con l'elettrodo – (idrogeno) dovrebbe infiammarsi a contatto con la fiamma, il gas della colonna con l'elettrodo + (ossigeno) dovrebbe riaccendere la fiamma smorzata. Fare attenzione nell'avvicinare la fiamma all'idrogeno!