ELETTROLISI DELL'ACQUA: PROCEDURA, TECNICHE, A COSA SERVE - CHIMICA - 2026

L' elettrolisi dell'acqua è la decomposizione dell'acqua nei suoi componenti elementari mediante l'applicazione di una corrente elettrica. Mentre procedono, l'idrogeno e l'ossigeno molecolare, H ₂ e O ₂ , si formano su due superfici inerti . Queste due superfici sono meglio conosciute con il nome di elettrodi.

Teoricamente, il volume di H ₂ formato deve essere il doppio del volume di O ₂ . Perché? Perché la molecola d'acqua ha un rapporto H / O pari a 2, cioè due H per ogni ossigeno. Questa relazione è verificata direttamente con la sua formula chimica, H ₂ O. Tuttavia, molti fattori sperimentali influenzano i volumi ottenuti.

Fonte: Antti T. Nissinen tramite Flickr

Se l'elettrolisi viene effettuata all'interno di tubi immersi in acqua (immagine in alto), la colonna d'acqua inferiore corrisponde all'idrogeno, poiché c'è una maggiore quantità di gas che esercita una pressione sulla superficie del liquido. Le bolle circondano gli elettrodi e finiscono per salire dopo aver superato la pressione di vapore dell'acqua.

Si noti che i tubi sono separati l'uno dall'altro in modo tale che vi sia una bassa migrazione di gas da un elettrodo all'altro. A scale basse, questo non rappresenta un rischio imminente; ma su scala industriale, la miscela gassosa di H ₂ e O ₂ è altamente pericolosa ed esplosiva.

Per questo motivo le celle elettrochimiche dove si effettua l'elettrolisi dell'acqua sono molto costose; Necessitano di un design e di elementi che garantiscano che i gas non si mescolino mai, un'alimentazione di corrente redditizia, alte concentrazioni di elettroliti, elettrodi speciali (elettrocatalizzatori) e meccanismi per immagazzinare l'H ₂ prodotto.

Gli elettrocatalizzatori rappresentano attrito e allo stesso tempo ali per la redditività dell'elettrolisi dell'acqua. Alcuni sono costituiti da ossidi di metalli nobili, come il platino e l'iridio, i cui prezzi sono molto alti. È a questo punto in particolare che i ricercatori uniscono le forze per progettare elettrodi efficienti, stabili ed economici.

La ragione di questi sforzi è accelerare la formazione di O ₂ , che si verifica a velocità inferiori rispetto all'H ₂ . Questo rallentamento da parte dell'elettrodo dove si forma O ₂ porta come conseguenza generale l'applicazione di un potenziale molto più alto del necessario (overpotential); che è uguale, a prestazioni inferiori e spese più elevate.

Reazione di elettrolisi

L'elettrolisi dell'acqua coinvolge molti aspetti complessi. Tuttavia, in termini generali, la sua base si basa su una semplice reazione globale:

2H ₂ O (l) => 2H ₂ (g) + O ₂ (g)

Come si vede nell'equazione, sono coinvolte due molecole d'acqua: una di solito deve essere ridotta o acquisire elettroni, mentre l'altra deve ossidarsi o perdere elettroni.

H ₂ è un prodotto della riduzione dell'acqua, perché il guadagno di elettroni promuove che i protoni H ⁺ possano unirsi covalentemente e che l'ossigeno si trasformi in OH ^- . Pertanto, H ₂ viene prodotto al catodo, che è l'elettrodo in cui avviene la riduzione.

Mentre l'O ₂ proviene dall'ossidazione dell'acqua, a causa della quale perde gli elettroni che gli permettono di legarsi all'idrogeno, e di conseguenza rilascia protoni H ⁺ . O ₂ viene prodotto all'anodo, l'elettrodo in cui avviene l'ossidazione; E a differenza dell'altro elettrodo, il pH intorno all'anodo è acido e non basico.

Reazioni semicellulari

Questo può essere riassunto con le seguenti equazioni chimiche per le reazioni semicellulari:

2H ₂ O + 2e ^- => H ₂ + 2OH ^- (Catodo, base)

2H ₂ O => O ₂ + 4H ⁺ + 4e ^- (Anodo, acido)

Tuttavia, l'acqua non può perdere più elettroni (4e ^- ) di quanto le altre molecole d'acqua guadagnino al catodo (2e ^- ); pertanto, la prima equazione deve essere moltiplicata per 2 e quindi sottratta con la seconda equazione per ottenere l'equazione netta:

2 (2H ₂ O + 2e ^- => H ₂ + 2OH ^- )

2H ₂ O => O ₂ + 4H ⁺ + 4e ^-

6H ₂ O => 2H ₂ + O ₂ + 4H ⁺ + 4OH ^-

Ma 4H ⁺ e 4OH ^- forma 4H ₂ O, in modo da eliminare quattro delle sei H ₂ O molecole, lasciando due; e il risultato è la reazione globale appena delineata.

Le reazioni semicellulari cambiano con i valori di pH, le tecniche e hanno anche potenziali di riduzione o ossidazione associati, che determinano quanta corrente deve essere fornita affinché l'elettrolisi dell'acqua proceda spontaneamente.

Processi

Fonte: Ivan Akira, da Wikimedia Commons

Un voltametro Hoffman è mostrato nell'immagine sopra. I cilindri vengono riempiti con acqua e gli elettroliti selezionati attraverso l'ugello centrale. Il ruolo di questi elettroliti è quello di aumentare la conduttività dell'acqua, poiché in condizioni normali ci sono pochissimi ioni H ₃ O ⁺ e OH ^- prodotti della loro autoionizzazione.

I due elettrodi sono generalmente realizzati in platino, sebbene nell'immagine siano stati sostituiti da elettrodi in carbonio. Entrambi sono collegati ad una batteria, con la quale viene applicata una differenza di potenziale (ΔV) che favorisce l'ossidazione dell'acqua (formazione di O ₂ ).

Gli elettroni percorrono l'intero circuito fino a raggiungere l'altro elettrodo, dove l'acqua li conquista e diventa H ₂ e OH ^- . A questo punto sono già stati definiti l'anodo e il catodo differenziabili dall'altezza delle colonne d'acqua; quello con l'altezza più bassa corrisponde al catodo, dove si forma H ₂ .

Nella parte superiore delle bombole sono presenti delle chiavi che permettono lo scarico dei gas generati. La presenza di H ₂ può essere accuratamente controllata facendo reagire con una fiamma la cui combustione produce acqua gassosa.

tecniche

Le tecniche di elettrolisi dell'acqua variano a seconda della quantità di H ₂ e O ₂ da generare. Entrambi i gas sono molto pericolosi se vengono miscelati insieme ed è per questo che le celle elettrolitiche comportano progetti complessi per ridurre al minimo l'aumento delle pressioni dei gas e la loro diffusione attraverso il mezzo acquoso.

Inoltre, le tecniche variano a seconda della cella, dell'elettrolita aggiunto all'acqua e degli elettrodi stessi. D'altra parte, alcuni implicano che la reazione sia condotta a temperature più elevate, riducendo il consumo di elettricità, e altri usano enormi pressioni per mantenere l'H ₂ immagazzinato.

Tra tutte le tecniche, si possono menzionare le seguenti tre:

Elettrolisi con acqua alcalina

L'elettrolisi viene eseguita con soluzioni basiche dei metalli alcalini (KOH o NaOH). Con questa tecnica si verificano le reazioni:

4H ₂ O (l) + 4e ^- => 2H ₂ (g) + 4OH ^- (aq)

4OH ^- (aq) => O ₂ (g) + 2H ₂ O (l) + 4e ^-

Come si può vedere, sia al catodo che all'anodo, l'acqua ha un pH basico; e inoltre, gli OH ^- migrano verso l'anodo dove vengono ossidati a O ₂ .

Elettrolisi con membrana elettrolitica polimerica

In questa tecnica viene utilizzato un polimero solido che funge da membrana permeabile per H ⁺ , ma impermeabile ai gas. Ciò garantisce una maggiore sicurezza durante l'elettrolisi.

Le reazioni semicellulari per questo caso sono:

4H ⁺ (aq) + 4e ^- => 2H ₂ (g)

2H ₂ O (l) => O ₂ (g) + 4H ⁺ (aq) + 4e ^-

Gli ioni H ⁺ migrano dall'anodo al catodo, dove vengono ridotti per diventare H ₂ .

Elettrolisi con ossidi solidi

Molto diversa dalle altre tecniche, questa utilizza ossidi come elettroliti, che ad alte temperature (600-900 ° C) funzionano come mezzi di trasporto dell'anione O ² .

Le reazioni sono:

2H ₂ O (g) + 4e ^- => 2H ₂ (g) + 2O ^2-

2O ^2- => O ₂ (g) + 4e ^-

Notare che questa volta sono gli anioni di ossido, O ^2- , che viaggiano verso l'anodo.

A cosa serve l'elettrolisi dell'acqua?

L'elettrolisi dell'acqua produce H ₂ (g) e O ₂ (g). Circa il 5% dell'idrogeno gassoso prodotto nel mondo è prodotto dall'elettrolisi dell'acqua.

H ₂ è un sottoprodotto dell'elettrolisi di soluzioni acquose di NaCl. La presenza di sale facilita l'elettrolisi aumentando la conducibilità elettrica dell'acqua.

La reazione complessiva che si verifica è:

2NaCl + 2H ₂ O => Cl ₂ + H ₂ + 2NaOH

Per comprendere l'enorme importanza di questa reazione, verranno menzionati alcuni degli usi dei prodotti gassosi; Perché in fin dei conti sono proprio questi che guidano lo sviluppo di nuovi metodi per ottenere l'elettrolisi dell'acqua in modo più efficiente ed ecologico.

Di tutti loro, il più desiderato è quello di funzionare come cellule che sostituiscono energeticamente l'uso di combustibili fossili bruciati.

Produzione di idrogeno e suoi usi

-L'idrogeno prodotto nell'elettrolisi può essere utilizzato nell'industria chimica agendo nelle reazioni di dipendenza, nei processi di idrogenazione o come agente riducente nei processi di riduzione.

-È essenziale anche in alcune azioni di importanza commerciale, come: la produzione di acido cloridrico, perossido di idrogeno, idrossilammine, ecc. È coinvolto nella sintesi dell'ammoniaca attraverso una reazione catalitica con l'azoto.

-In combinazione con l'ossigeno, produce fiamme ad alto contenuto calorico, con temperature comprese tra 3.000 e 3.500 K. Queste temperature possono essere utilizzate per il taglio e la saldatura nell'industria metallurgica, per la crescita di cristalli sintetici, la produzione di quarzo, ecc. .

-Trattamento dell'acqua: un contenuto eccessivamente elevato di nitrati nell'acqua può essere ridotto dalla sua eliminazione nei bioreattori, in cui i batteri utilizzano l'idrogeno come fonte di energia

-L'idrogeno è coinvolto nella sintesi di plastica, poliestere e nylon. Inoltre, fa parte della produzione del vetro, aumentando la combustione durante la cottura.

-Reagisce con gli ossidi e il cloruro di molti metalli, tra cui: argento, rame, piombo, bismuto e mercurio per produrre metalli puri.

-Inoltre, viene utilizzato come combustibile nell'analisi cromatografica con un rilevatore di fiamma.

Come metodo di debug

L'elettrolisi delle soluzioni di cloruro di sodio viene utilizzata per la purificazione dell'acqua di piscina. Durante l'elettrolisi, l'idrogeno viene prodotto al catodo e il cloro (Cl ₂ ) all'anodo. L'elettrolisi è indicata in questo caso come un cloratore di sale.

Il cloro si dissolve in acqua per formare acido ipocloroso e ipoclorito di sodio. L'acido ipocloroso e l'ipoclorito di sodio sterilizzano l'acqua.

Come fornitura di ossigeno

L'elettrolisi dell'acqua viene anche utilizzata per generare ossigeno sulla Stazione Spaziale Internazionale, che serve a mantenere un'atmosfera di ossigeno nella stazione.

L'idrogeno può essere utilizzato in una cella a combustibile, un metodo per immagazzinare energia, e utilizzare l'acqua generata nella cella per il consumo da parte degli astronauti.

Esperimento domestico

Esperimenti di elettrolisi dell'acqua sono stati condotti su scala di laboratorio con voltmetri Hoffman, o altro assieme che permette di contenere tutti gli elementi necessari di una cella elettrochimica.

Di tutti i possibili assemblaggi e attrezzature, il più semplice potrebbe essere un grande contenitore per l'acqua trasparente, che fungerà da cella. Oltre a ciò, qualsiasi superficie metallica o elettricamente conduttiva deve essere a portata di mano per funzionare come elettrodi; uno per il catodo e l'altro per l'anodo.

A tale scopo possono essere utili anche matite con punte affilate di grafite su entrambe le estremità. E infine, una piccola batteria e alcuni cavi che la collegano agli elettrodi improvvisati.

Se non effettuato in un contenitore trasparente, non sarebbe apprezzata la formazione di bolle gassose.

Variabili domestiche

Sebbene l'elettrolisi dell'acqua sia un argomento che contiene molti aspetti intriganti e pieni di speranza per chi cerca fonti energetiche alternative, l'esperimento domestico può essere noioso per i bambini e gli altri spettatori.

Pertanto, è possibile applicare una tensione sufficiente per generare la formazione di H ₂ e O ₂ alternando determinate variabili e annotando i cambiamenti.

Il primo è la variazione del pH dell'acqua, utilizzando l'aceto per acidificare l'acqua o Na ₂ CO ₃ per basificarla leggermente. Deve verificarsi un cambiamento nel numero di bolle osservate.

Inoltre, lo stesso esperimento potrebbe essere ripetuto con acqua calda e fredda. In questo modo, sarebbe quindi contemplato l'effetto della temperatura sulla reazione.

Infine, per rendere la raccolta dei dati un po 'meno incolore, puoi usare una soluzione molto diluita di succo di cavolo viola. Questo succo è un indicatore acido-base di origine naturale.

Aggiungendolo al contenitore con gli elettrodi inseriti, si noterà che all'anodo l'acqua diventerà rosa (acida), mentre al catodo il colore sarà giallo (basico).

Riferimenti

1. Wikipedia. (2018). Elettrolisi dell'acqua. Estratto da: en.wikipedia.org
2. Chaplin M. (16 novembre 2018). Elettrolisi dell'acqua. Struttura e scienza dell'acqua. Estratto da: 1.lsbu.ac.uk
3. Efficienza energetica ed energia rinnovabile. (Sf). Produzione di idrogeno: elettrolisi. Estratto da: energy.gov
4. Phys.org. (14 febbraio 2018). Catalizzatore ad alta efficienza e basso costo per l'elettrolisi dell'acqua. Estratto da: phys.org
5. Chemistry LibreTexts. (18 giugno 2015). Elettrolisi dell'acqua. Recupero da: chem.libretexts.org
6. Xiang C., M. Papadantonakisab K. e S. Lewis N. (2016). Principi e implementazioni dei sistemi di elettrolisi per la scissione dell'acqua. La Royal Society of Chemistry.
7. Reggenti dell'Università del Minnesota. (2018). Elettrolisi dell'acqua 2. Università del Minnesota. Estratto da: chem.umn.edu