Elettrolisi dell’acqua

Voltametro di Hoffman

È possibile scindere l’acqua nei suoi componenti per via elettrolitica? È d’obbligo porsi la domanda, visto che l’acqua pura non conduce la corrente elettrica. La risposta è sì, a condizione di operare con un opportuno elettrolita che funga da catalizzatore della reazione. Un elettrolita è una sostanza che sciogliendosi in acqua si dissocia in ioni, e per questo conduce la corrente elettrica.

La reazione di scissione della molecola d’acqua:

$\sf \moveright{5em}{2 \charge{+1}{H_2} \charge{-2}{O} \ \rightleftharpoons \ 2 \charge{0}{H}_2 + \charge{0}{O}_2}$

L’illustrazione rappresenta il dispositivo utile per realizzare questa reazione in laboratorio, il voltametro di Hoffman.

È un sistema di tre tubi di vetro verticali, comunicanti alla base. Il tubo centrale serve per inserire l’acqua, ed è aperto, i due tubi laterali alla sommità sono chiusi da due valvole, mentre alla base sono inseriti due elettrodi inerti (ad esempio, di platino) collegati ai due poli di una pila.

 


 

Vediamo cosa accade agli elettrodi se si usa idrossido di sodio come catalizzatore (ricordo che in acqua si ha la dissociazione dell’idrossido di sodio $\sf NaOH \to Na^+ + OH^- $):

al catodo (avvengono le riduzioni) sono due le possibili reazioni:

$\sf \moveright{5em}{Na^+ + e^- \to Na \ \ \ \ E^0 = -2.71 V}$
$\sf \moveright{5em}{2H_2 O +2e^- \to H_2 + 2OH^- \ \ \ \ E^0 = -0.83 V}$

si verificherà la seconda reazione, perché il potenziale di riduzione è maggiore. Si sviluppa l’idrogeno e si liberano ioni $\sf OH^- $. Si sceglie lo ione sodio perché è molto difficile che si riduca.

all’anodo (avvengono le ossidazioni) sono due le possibili reazioni:

$\sf \moveright{5em}{4OH^- \to O_2 + 2H_2 O + 4e^- \ \ \ \ E^0 =-0,40 V}$
$\sf \moveright{5em}{2H_2O \to 4H^+ + O_2 + 4e^- \ \ \ \ E^0 = -1.23 V} $

Si verificherà la prima reazione, perché il potenziale di ossidazione è maggiore.Si sviluppa l’ossigeno.

Di seguito le due semireazioni che si verificano:

$\sf \moveright{5em}{2H_2 O +2e^- \to H_2 + 2OH^- }$
$\sf \moveright{5em}{4OH^- \to O_2 + 2H_2 O + 4e^-}$

Si pareggiano gli elettroni scambiati, e successivamente, sommando membro a membro, si ottiene la reazione completa:

$\sf \moveright{5em}{4 H_2 O + 4 e^- \to 2H_2 + 4OH^- }$
$\sf \moveright{5em}{4OH^- \to O_2 + 2H_2 O + 4e^-}$

$\sf \moveright{5em}{\underline{\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ } }$

$\sf \moveright{5em}{4 H_2 O + {4 e^-} + {4OH^-} \to 2H_2 + {4OH^-} + O_2 + 2H_2 O + {4 e^-}}$

Semplificando l’equazione si ottiene:

$\sf \moveright{5em}{2 {H_2} {O} \ \to \ 2{H}_2 +{O}_2}$

 


 

Vediamo cosa accade agli elettrodi se si usa $\sf H_2 SO_4 $ come catalizzatore (ricordo che in acqua si ha la dissociazione dell’acido solforico $\sf H_2 SO_4 \to 2H^+ + SO_4^{-\ -} $):

al catodo (avvengono le riduzioni) sono due le possibili reazioni:

$\sf \moveright{5em}{2H^+ + 2e^- \to H_2 \ \ \ \ E^0 = 0.00 V}$
$\sf \moveright{5em}{2H_2 O +2e^- \to H_2 + 2OH^- \ \ \ \ E^0 = -0.83 V}$

Si verificherà la prima reazione, perché il potenziale di riduzione dell’idrogeno è maggiore.Si sviluppa l’idrogeno.

all’anodo (avvengono le ossidazioni) sono due le possibili reazioni:

$\sf \moveright{5em}{SO_4^{-\ -} \to 2 S_2 O_8^{-\ -} + 2e^- \ \ \ \ E^0 = -2.01 V }$
$\sf \moveright{5em}{2H_2O \to 4H^+ + O_2 + 4e^- \ \ \ \ E^0 = -1.23 V }$

si verificherà la seconda reazione, perché il potenziale di ossidazione è maggiore. Si sviluppa ossigeno e si liberano ioni $\sf H^+ $. Si sceglie lo ione solfato perché è molto difficile che si ossidi.

Di seguito le due semireazioni che si verificano:

$\sf \moveright{5em}{2H^+ + 2e^- \to H_2}$
$\sf \moveright{5em}{2H_2O \to 4H^+ + O_2 + 4e^-}$

Si pareggiano gli elettroni scambiati, e successivamente, sommando membro a membro, si ottiene la reazione completa:

$\sf \moveright{5em}{4 H^+ + 4 e^- \to 2 H_2}$
$\sf \moveright{5em}{2 H_2O \to 4 H^+ + O_2 + 4 e^-}$

$\sf \moveright{5em}{\underline{\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ } }$

$\sf \moveright{5em}{{4 H^+} + {4 e^-} + 2 H_2O \to 2 H_2 +{4 H^+} + O_2 + {4 e^-} }$

Semplificando l’equazione si ottiene:

$\sf \moveright{5em}{2 {H_2} {O} \ \to \ 2{H}_2 +{O}_2}$

About ilgeniodellalampada

docente di scienze
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