L' elettrolisi dell' acqua

Materiali occorrenti:

Voltametro di Hoffmann con elettrodi in platino - Generatore c.c. 6/12 volts 0.5 A - Acido solforico sol. 5 % ca. - Solfato di sodio sol. 5 % ca. - Idrossido di sodio sol. 5 % ca. - Sostegno - Cavi.

Richiami teorici:

L'elettrolisi dell'acqua avviene quando nel solvente sia presente un elettrolita. L'elettrolita può essere, come noto, un acido, una base, un sale dissociati. Si possono verificare quindi le tre situazioni di cui alle esperienze.

Da ricordare che l'acqua è formata in massima parte da molecole indissociate di H2O e solo 1 molecola su 550 milioni è dissociata in H3O+ ed OH -.

Gli ioni H3O+ ed OH - hanno, come noto, concentrazione molare eguale ed il prodotto ( Kw ) di tali concentrazioni, a 25 ° C, è = 1.00 ·10 -14, da cui deriva che [ H3O+ ] = 1.00 · 10 -7 mol/L e [ OH - ] = 1.00 · 10 -7 mol/L, mentre [ H2O ] = 1000 g / 18.016 g/mol = 55.5 mol/L.

Per questi motivi gli ioni H3O+ ed OH - provenienti dall'autoionizzazione dell'acqua possono essere trascurati ai fini delle reazioni elettrolitiche.

Esecuzione dell'esperienza:

Si monta il voltametro sul suo sostegno inserendo gli elettrodi, montati su tappi in gomma, nei fori dei due tubi laterali. Si riempe l'apparecchio versando la soluzione scelta dal foro superiore, lasciando i rubinetti laterali aperti; non appena il liquido giunge al loro livello, si chiudono accuratamente.

Si collegano gli elettrodi, tramite due cavi, al generatore di c.c., indicando sul voltametro quale sia il catodo ( - ) e quale sia l'anodo ( + ). Si accende il generatore, si nota uno sviluppo di gas ai due elettrodi.


Voltametro di Hoffmann

 

 

Parte prima: elettrolisi di una soluzione acquosa diluita di Na2SO4:

Si utilizza una soluzione di solfato di sodio 5 % ca.; prima dell'elettrolisi sono presenti nella soluzione molecole di H2O dipolari, ioni Na+ ed SO4- provenienti dalla dissociazione del sale. Innescando l'elettrolisi si ottiene una migrazione di ioni e molecole, e cioè:

al catodo ( - ) migrano gli ioni a carica positiva Na+ e le molecole di H2O.

all'anodo ( + ) migrano gli ioni a carica negativa , SO4- ,e le molecole di H2O.

Avvengono le seguenti reazioni ossidoriduttive

Al catodo si ha la riduzione di molecole di H2O in quanto il loro potenziale redox ( E0( H2O / H2 ) = - 0.83 v ) è maggiore di quello di
Na+ ( E0( Na+ / Na ) = -2.71 ).

All'anodo si ha ossidazione di molecole di H2O in virtù del loro potenziale ( E0( O2 / H2O ) = +1.23 v ) minore di quello di
SO4- ( E0( SO42- / S2O82- ) = +2.05 v ) .

Le reazioni sono:

ossidazione 2H2O ¾®O2 + 4H++ 4e
riduzione 4H2O + 4e ¾®2H2 + 4OH -
  ¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾
  6H2O ¾®2H2 + O2 + 4H++ 4OH -
 

( 4H++ 4OH - = 4H2O ), per cui, semplificando:
 

2H2O ¾®2H2 ­ + O2 ­

 

Parte seconda: elettrolisi di una soluzione diluita di NaOH:

In questa fase si utilizza una soluzione ca. 5 % di idrossido di sodio. Prima dell'innesco dell' elettrolisi sono presenti in soluzione molecole dipolari di H2O e gli ioni OH - e Na+ provenienti dalla dissociazione della base. Attivando la reazione elettrolitica si ottiene una migrazione di ioni e molecole, e cioè:

al catodo ( - ) migrano gli ioni a carica positiva Na+ e le molecole di H2O.

all'anodo ( + ) migrano gli ioni a carica negativa ,OH -, e le molecole di H2O.

Avvengono le seguenti reazioni ossidoriduttive

Al catodo si ha la riduzione di molecole di H2O in quanto il loro potenziale redox ( E0( H2O / H2 ) = - 0.83 v ) è maggiore di quello di
Na+ ( E0( Na+ / Na ) = -2.71 ).

All'anodo si ha ossidazione di OH - in quanto il loro potenziale ( E0( O2 / OH - ) = + 0.40 v ) è minore di quello di H2O ( E0( O2 / H2O ) = +1.23 v ).

Le reazioni sono:

ossidazione 4OH - ¾®O2 + 2H2O + 4e
riduzione 4H2O + 4e ¾®2H2 + 4OH -
  ¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾
  4H2O ¾® O2 + 2H2 + 2H2O per cui, semplificando:
 

2H2O ¾®2H2 ­ + O2 ­




Parte terza: elettrolisi di una soluzione diluita di H2SO4:

Si utilizza una soluzione di acido solforico 5 % ca.; prima dell'elettrolisi sono presenti nella soluzione molecole dipolari di H2O, ioni H3O+ ed provenienti dalla dissociazione dell'acido. Innescando la reazione elettrolitica si ottiene una migrazione di ioni e molecole, e cioè:

al catodo ( - ) migrano gli ioni a carica positiva, H3O+ e le molecole di H2O.

all'anodo ( + ) migrano gli ioni a carica negativa SO4- e le molecole di H2O.

Avvengono le seguenti reazioni ossidoriduttive

Al catodo si ha la riduzione di ioni H3O+ in quanto il loro potenziale redox ( E0( H+ / H2 ) = + 0.00 v ) è maggiore di quello di H2O ( E0( H2O / H2 ) = - 0.83 v ) .

All'anodo si ha ossidazione di molecole di H2O in virtù del loro potenziale ( E0( O2 / H2O ) = +1.23 v ) minore di quello di
SO4- ( E0( SO42- / S2O82- ) = +2.05 v ).

Le reazioni sono:

ossidazione 2H2O ¾®O2 + 4H++ 4e
riduzione 4H+ + 4e ¾®2H2
  ¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾
  2H2O ¾®O2 + 2H2 per cui, semplificando:
 

2H2O ¾® O2 ­ + 2H2 ­

 

Le reazioni elettrolitiche possono continuare fino a che nel voltametro sia presente acqua o fino a che le concentrazioni degli ioni dissociati dal sale, dall'acido o dalla base non aumentino troppo.


 

Al termine di ciascuna fase si disinserisce l'alimentatore e si osserva che i gas nei due tubi sono in rapporto volumetrico idrogeno / ossigeno 2:1, in conformità alla legge di Avogadro che dice " ... volumi eguali di gas diversi, nelle stesse condizioni di pressione e temperatura, contengono lo stesso numero di moli ... ".





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