Elettrolisi dell’ acqua

Elettrolisi

In questa pagina faremo l’elettrolisi d’acqua, cioè una cella per la produzione di Idrogeno e Ossigeno partendo da comune acqua di rubinetto, anche detta elettrolizzatore.

Il fenomeno si chiama elettrolisi, ci sono sempre due semicelle, come per la fuel cell Ossigeno Ferro ma questa volta siamo noi a fornire l’energia necessaria alla cella per separare l’Idrogeno e l’Ossigeno dall’acqua, questa infatti è molto stabile.

Elettrolisi1Il potenziale delle reazioni redox standard lo potete trovare su internet in alcune tabelle, basterà cercare potenziali redox o potenziali di riduzione standard, nella semicella positiva ci sarà un metallo inossidabile come Oro, Platino, Inox (il cui potenziale rimane un mistero) e Argento (quest’ultimo ha un potenziale un po’ basso e va bene solo alzando un po’ il ph), questi metalli hanno solo la funzione di raccogliere e trasportare gli elettroni (il Platino fa anche da catalizzatore), sconsiglio l’uso di altri metalli perchè sotto un flusso continuo di Ossigeno puro e acqua si ossiderebbero rapidamente e potrebbero passare in soluzione sporcando l’acqua e creando sostanze tossiche.

Per questo motivo fate in modo di proteggere il cavo di rame usato nei collegamenti con della colla a caldo. Nella semicella a potenziale inferiore si formerà Idrogeno, in questo caso non sono indispensabili materiali inossidabili e può bastare del Rame puro (elettrolitico) come quello nei cavi elettrici (attenzione a non farlo sporgere dall’acqua), io ho usato una sottile lamiera di Rame, non so quanto sia puro, eventualmente va bene qualsiasi metallo puro a potenziale maggiore di -0,4V (a ph 7).
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Quando siamo noi a fornire energia alla cella, la reazione a potenziale maggiore viene invertita di segno, mentre quella a potenziale minore rimane così come è scritta in tabella, se terminassero le reazioni si passerebbe a quelle successive, a potenziale maggiore al polo positivo e inferiore al negativo, anche perchè è logico che man mano che le reazioni procedono, la tensione tende a salire e fino ad equilibrarsi con quella fornita dall’alimentazione (passando da carico a vuoto).

Per quanto riguarda il potenziale maggiore la reazione è 1/2O2+ 2H++2e ==> H2O che cambierà di verso mentre l’altra reazione sarà quella dell’Idrogeno 2H2O + 2e ==> H2 + 2OH- di circa -0,4V, come si vede le reazioni produrranno ioni H+ (in realtà H3O+) e OH- in quantità uguali che unendosi formeranno altra acqua diminuendone il consumo, per una elettrolisi reversibile e quindi con il massimo rendimento (circa 70%) bastano 1,3V ma reversibilità e velocità non vanno molto d’accordo quindi sarà una reazione estremamente lenta.

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L’Idrogeno è a tutti gli effetti un combustibile, quindi si raccomanda la massima attenzione, sconsigliato farne in grosse quantità, sia per la pericolosità e sia per i rendimenti non troppo elevati.

Si può velocizzare l’elettrolisi a scapito di rendimento o purezza. A scapito di rendimento, aumentando la tensione, rimanendo costante la resistenza della cella, aumenterà la corrente, velocizzando l’elettrolisi a scapito del rendimento, infatti se interrompete l’alimentazione, ai capi degli elettrodi qualche bollicina di gas ci sarà ancora e come in una fuel cell, ci saranno circa 1,3V e ciò dimostra che l’eccesso è stato uno spreco.

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A scapito di purezza, aggiungendo elettroliti inerti che in soluzione aggiungeranno ioni ma con un potenziale maggiore di quello di formazione dell’Ossigeno e inferiore a quello di formazione dell’Idrogeno in modo da non depositarsi agli elettrodi, in pratica aumentano la conducibilità elettrica della soluzione. Un esempio potrebbe essere l’aggiunta di un po’ di sale NaCl (sale da cucina) che passerebbe in soluzione come ioni Na+ e Cl-, infatti il Sodio si depositerebbe ad un potenziale molto più basso dell’Idrogeno (-2,7V), cioè quando tutto l’Idrogeno sarà terminato (quindi anche tutta l’acqua cioè mai), il Cloro (gas tossico) invece ha un potenziale di formazione in HCl gassoso già di circa 0,9V, quindi alte concentrazioni di NaCl (per l’equazione di Nerst) abbasserebbero il potenziale di formazione del Cloro gassoso agli 0,8V di formazione dell’Ossigeno, mischiandosi a questo.

Altri elettroliti più inerti potrebbero essere NaNO3, KNO3, sconsigliato il bicarbonato (NaHCO3) perchè si formerebbe CO2, ci sarebbe anche un altro metodo che consisterebbe nell’aumentare la temperatura.

Quanti litri di gas si formano con l’elettrolisi? La quantità di massa dipende (leggi di Faraday) da quanta corrente e per quanto tempo avviene la reazione Q(Coulomb)=I(A)x t(s), 96485C formano 1 Faraday che libera 1 mole di sostanza/numero di elettroni coinvolti nella reazione, quindi per l’Idrogeno (con 2e) ogni F genererà solo 1/2 mole, per l’Ossigeno (2e) ancora mezza mole ma nella formula non c’è O2 ma 1/2O2, quindi l’Ossigeno sarà metà dell’Idrogeno, una mole di gas (qualunque sia) sono 22,4 litri (ad 1 atm e 0°C).

Un saluto e alla prossima.

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