L'elettrolisi dell'acqua è un processo che prevede il passaggio di una corrente elettrica attraverso l'acqua per separarne le molecole nei loro componenti di base: idrogeno e ossigeno. Questo processo viene eseguito in un dispositivo chiamato cella elettrolitica, che contiene due elettrodi (uno positivo e uno negativo) e una soluzione elettricamente conduttiva, l'acqua. L'applicazione della corrente elettrica provoca la decomposizione dell'acqua, rilasciando idrogeno gassoso all'elettrodo negativo e ossigeno gassoso all'elettrodo positivo.
L'elettrolisi dell'acqua è una tecnica importante per la produzione di gas puri, come l'idrogeno, che può essere utilizzato come combustibile nelle celle a combustibile e nei processi industriali. Inoltre, l'ossigeno prodotto dall'elettrolisi dell'acqua può essere utilizzato anche in processi industriali e applicazioni mediche, come l'ossigenoterapia per pazienti con problemi respiratori. L'elettrolisi dell'acqua è anche un processo sostenibile, poiché non genera inquinanti e utilizza solo acqua ed elettricità come materie prime.
A cosa serve l'elettrolisi dell'acqua?
L'elettrolisi dell'acqua è un processo chimico che prevede la scomposizione dell'acqua nei suoi elementi costitutivi, idrogeno e ossigeno, attraverso il passaggio di corrente elettrica. Questo processo può essere eseguito in vari modi, utilizzando tecniche e apparecchiature diverse.
L'uso principale dell'elettrolisi dell'acqua è quello di ottenere idrogeno e ossigeno idrogeno puro, che può essere utilizzato in una varietà di applicazioni industriali e commerciali. L'idrogeno, ad esempio, è un combustibile pulito e rinnovabile che può essere utilizzato nelle celle a combustibile per generare elettricità, offrendo un'alternativa sostenibile ai combustibili fossili.
Inoltre, l'elettrolisi dell'acqua viene utilizzata anche nella produzione di gas industriali, nella purificazione dei metalli e nella sintesi di vari composti chimici. Il processo può essere eseguito in modo efficiente ed economico, contribuendo alla riduzione dell'impatto ambientale e allo sviluppo di tecnologie più sostenibili.
Scopri la definizione e il funzionamento dell'elettrolisi in questa breve guida esplicativa.
Elettrolisi dell'acqua: procedura, tecniche, a cosa serve.
L'elettrolisi è un processo chimico che utilizza il passaggio di una corrente elettrica per innescare una reazione chimica. Nel caso dell'elettrolisi dell'acqua, l'acqua viene sottoposta a una corrente elettrica che la scinde nei suoi elementi costitutivi: idrogeno e ossigeno.
Il processo di elettrolisi dell'acqua prevede l'utilizzo di un dispositivo chiamato cella elettrolitica, che contiene due elettrodi e un elettrolita. Gli elettrodi sono collegati a una fonte elettrica, come una batteria, e immersi in acqua. Quando una corrente elettrica attraversa l'acqua, si verificano reazioni chimiche, con conseguente rilascio di idrogeno gassoso all'elettrodo negativo e ossigeno gassoso all'elettrodo positivo.
L'elettrolisi dell'acqua è una tecnica importante in ambito industriale, utilizzata per produrre idrogeno e ossigeno per una varietà di scopi, tra cui la produzione chimica, la produzione di energia e il trattamento delle acque reflue. Inoltre, l'elettrolisi dell'acqua è un metodo sostenibile per ottenere idrogeno, un combustibile pulito che può essere utilizzato nei veicoli e nelle celle a combustibile.
Principali utilizzi dell'elettrolisi: applicazioni e vantaggi della tecnica elettrochimica.
L'elettrolisi è un processo elettrochimico che prevede la decomposizione di sostanze attraverso il passaggio di corrente elettrica. Uno degli usi principali dell'elettrolisi è l'estrazione di metalli puri dai loro composti, come ad esempio l'estrazione di alluminio dalla bauxite.
Inoltre, l'elettrolisi è ampiamente utilizzata nella purificazione dei metalli, nella produzione di gas come idrogeno e ossigeno, nella galvanizzazione dei metalli per proteggerli dalla corrosione, nella produzione di composti chimici industriali, tra gli altri.
Uno dei vantaggi dell'elettrolisi è la possibilità di ottenere sostanze pure con elevata efficienza, senza la necessità di complessi processi chimici. Inoltre, l'elettrolisi è una tecnica versatile che può essere applicata in diversi settori industriali.
Elettrolisi dell'acqua: procedura, tecniche, a cosa serve.
L'elettrolisi dell'acqua è un processo in cui l'acqua viene scomposta nei suoi componenti, idrogeno e ossigeno, facendola attraversare da una corrente elettrica. Questo processo viene utilizzato per produrre gas per vari scopi, come l'industria chimica, la produzione di esplosivi, la produzione di carburante e altro ancora.
Per effettuare l'elettrolisi dell'acqua è necessario utilizzare una sorgente di corrente elettrica, due elettrodi (solitamente di platino o grafite) immersi in acqua e un elettrolita che può essere aggiunto per aumentare la conduttività della soluzione.
Prodotti formati sugli elettrodi durante l'elettrolisi dell'acqua.
Nell'elettrolisi dell'acqua, un processo chimico in cui l'acqua viene scomposta nei suoi componenti di base, agli elettrodi si formano diversi prodotti. L'acqua è un composto costituito da due atomi di idrogeno e un atomo di ossigeno e, durante l'elettrolisi, si scinde in idrogeno gassoso e ossigeno gassoso.
Non elettrodo negativo, chiamato anche catodo, l'acqua si riduce, con conseguente formazione di idrogeno gassoso. Questo gas viene rilasciato sotto forma di bolle e può essere raccolto per vari scopi, come nell'industria chimica o nella produzione di energia.
voi elettrodo positivo, noto anche come anodo, si verifica l'ossidazione dell'acqua, con conseguente formazione di ossigeno gassoso. Come l'idrogeno, l'ossigeno può essere raccolto e utilizzato in vari processi industriali, come la produzione di prodotti chimici.
L'elettrolisi dell'acqua è una procedura importante sia dal punto di vista didattico, poiché consente una migliore comprensione dei processi chimici che avvengono in natura, sia dal punto di vista pratico, poiché i prodotti formati possono essere utilizzati in vari modi. Inoltre, l'elettrolisi dell'acqua è un processo sostenibile, in quanto non genera rifiuti inquinanti.
Elettrolisi dell'acqua: procedura, tecniche, a cosa serve
Elettrolisi di La decomposizione dell'acqua è la scomposizione dell'acqua nei suoi componenti elementari mediante l'applicazione di corrente elettrica. Per fare ciò, idrogeno e ossigeno molecolare, H 2 e il 2 Queste due superfici sono meglio note come elettrodi.
Teoricamente, il volume di H 2 formato deve essere il doppio del volume di O 2 Poiché la molecola d'acqua ha un rapporto H/O pari a 2, cioè due H per ogni ossigeno. Questa relazione è verificata direttamente dalla sua formula chimica, H 2 O. Tuttavia, molti fattori sperimentali influenzano i volumi ottenuti.
Se l'elettrolisi viene eseguita all'interno di tubi immersi in acqua (immagine in alto), la colonna d'acqua più bassa 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 alla fine salgono verso l'alto dopo aver superato la pressione del vapore acqueo.
Si noti che i tubi sono separati l'uno dall'altro in modo tale che la migrazione di gas da un elettrodo all'altro sia minima. A basse scale, questo non rappresenta un rischio imminente; ma a scala industriale, la miscela gassosa di H 2 e il 2 è altamente pericoloso ed esplosivo.
Per questo motivo, le celle elettrochimiche in cui viene effettuata l'elettrolisi dell'acqua sono molto costose; richiedono elementi di progettazione per garantire che i gas siano sempre forniti in modo economicamente conveniente, con un'elevata concentrazione di elettroliti, elettrodi speciali (elettrocatalizzatore) e meccanismi per immagazzinare l'H misto 2 prodotto.
Gli elettrocatalizzatori rappresentano sia l'attrito che il limite alla redditività dell'elettrolisi dell'acqua. Alcuni sono costituiti da ossidi di metalli nobili, come platino e iridio, i cui prezzi sono molto elevati. Questo è particolarmente vero quando i ricercatori uniscono le forze per progettare elettrodi efficienti, stabili ed economici.
Il motivo di questi sforzi è quello di accelerare la formazione di O 2 , che avviene a velocità inferiori rispetto a H 2 . Questa decelerazione dell'elettrodo dove l'O 2 si forma porta come conseguenza generale l'applicazione di un potenziale molto maggiore del necessario (potenziale in eccesso); lo stesso, con minore rendimento e maggiori spese.
Reazione di elettrolisi
L'elettrolisi dell'acqua comporta molti aspetti complessi. Tuttavia, in termini generali, si basa su una semplice reazione complessiva:
2H 2 O (l) => 2H 2 (g)+O 2 (G)
Come si vede dall'equazione, sono coinvolte due molecole d'acqua: una deve normalmente ridurre o guadagnare elettroni, mentre l'altra deve ossidare o perdere elettroni.
OH 2 è il risultato della riduzione dell'acqua, perché l'acquisizione di elettroni incoraggia il protone H + può essere legato covalentemente e l'ossigeno viene trasformato in OH - . Pertanto, H 2 viene prodotto al catodo, che è l'elettrodo in cui avviene la riduzione.
Mentre l'O 2 deriva dall'ossidazione dell'acqua, perché perde gli elettroni che le permettono di legarsi all'idrogeno e, di conseguenza, rilascia protoni H + . la 2 Viene prodotto all'anodo, l'elettrodo in cui avviene l'ossidazione; e, a differenza dell'altro elettrodo, il pH attorno all'anodo è acido e non basico.
Reazioni semicellulari
Quanto sopra può essere riassunto con le seguenti equazioni chimiche per le reazioni semicellulari:
2H 2 O+2e - => H 2 +2OH - (catodo di base)
2H 2 Il => Il 2 + 4H + + 4e - (anodo, acido)
Tuttavia, l'acqua non può perdere altri elettroni (4e - ) rispetto all'altra molecola d'acqua al guadagno del catodo (2e - ); Pertanto, la prima equazione deve essere moltiplicata per 2 e sottratta dalla seconda per ottenere l'equazione netta:
2 (2 ore) 2 O+2e - => H 2 +2OH - )
2H 2 Il => Il 2 + 4H + + 4e -
6H 2 O => 2H 2 + O 2 + 4H + +4OH -
Ma 4H + e 4OH - modulo 4H 2 O, quindi eliminano quattro delle sei molecole di H 2 Ne restano due; e il risultato è la reazione globale che si è appena verificata.
Le reazioni delle semicelle cambiano in base ai valori del pH, alle tecniche e hanno anche potenziali di riduzione o ossidazione associati, che determinano la quantità di corrente necessaria affinché l'elettrolisi dell'acqua proceda spontaneamente.
Procedura
L'immagine sopra mostra un voltmetro Hoffman. I cilindri sono riempiti d'acqua e gli elettroliti vengono aspirati attraverso l'ugello centrale. Il ruolo di questi elettroliti è quello di aumentare la conduttività dell'acqua, poiché in condizioni normali gli ioni H sono pochissimi. 3 O + e OH - prodotti della sua autoionizzazione.
I due elettrodi sono solitamente di platino, anche se nell'immagine sono stati sostituiti da elettrodi di carbonio. Entrambi sono collegati a una batteria, che applica una differenza di potenziale (ΔV) che favorisce l'ossidazione dell'acqua (formazione di O 2 ).
Gli elettroni viaggiano attraverso il circuito fino a raggiungere l'altro elettrodo, dove l'acqua li acquisisce e diventa H 2 e OH - A questo punto sono già definiti l'anodo e il catodo, che possono essere differenziati dall'altezza delle colonne d'acqua; l'altezza più bassa corrisponde al catodo, dove si forma H 2 .
Nella parte superiore dei cilindri sono presenti delle chiavi che consentono l'uscita dei gas generati. La presenza di H può essere attentamente verificata. 2 facendolo reagire con una fiamma, la cui combustione produce acqua gassosa.
Técnicas
Le tecniche di elettrolisi dell'acqua variano a seconda della quantità di H 2 e il 2 che si genera. Entrambi i gas sono molto pericolosi se mescolati, motivo per cui le celle elettrolitiche hanno una progettazione complessa per ridurre al minimo l'aumento della pressione 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. Alcune prevedono che la reazione venga condotta a temperature più elevate, riducendo il consumo energetico, mentre altre utilizzano pressioni enormi 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 di metalli alcalini (KOH o NaOH). Con questa tecnica si verificano le seguenti reazioni:
4H 2 O (l) + 4e - => 2H 2 (g) + 4OH - (AC)
4OH - (ac) => Il 2 (g) + 2 H 2 O (l) + 4e -
Come si può vedere, sia al catodo che all'anodo, l'acqua ha un pH basico; e inoltre, l'OH - migrano verso l'anodo, dove si ossidano a O 2 .
Elettrolisi con membrana elettrolitica polimerica
In questa tecnica viene utilizzato un polimero solido che funge da membrana permeabile all'H + , ma impermeabile ai gas. Ciò garantisce una maggiore sicurezza durante l'elettrolisi.
Le reazioni della semicella in questo caso sono:
4H + (aq) + 4e - => 2 ore 2 (G)
2H 2 O (l) => O 2 (g) + 4 H + (ac) + 4e -
ioni H + migrano dall'anodo al catodo, dove vengono ridotti a diventare H 2 .
Elettrolisi con ossidi solidi
Molto diversa dalle altre tecniche, utilizza ossidi come elettroliti, che ad alte temperature (600-900ºC) funzionano come mezzo di trasporto dell'anione O. 2- .
Le reazioni sono:
2H 2 O(g) + 4e - => 2H 2 (g) + 2 O 2-
2O 2- => Il 2 (g) + 4e -
Si noti che questa volta si tratta degli anioni ossido, OR 2- , che viaggiano verso l'anodo.
A cosa serve l'elettrolisi dell'acqua?
l'elettrolisi dell'acqua produce H 2 (g) e Il 2 (g). Circa il 5% dell'idrogeno gassoso prodotto nel mondo è ottenuto dall'elettrolisi dell'acqua.
OH 2 è un sottoprodotto dell'elettrolisi di soluzioni acquose di NaCl. La presenza di sale facilita l'elettrolisi aumentando la conduttività elettrica dell'acqua.
La reazione complessiva che si verifica è:
2NaCl + 2H 2 O => Cl 2 + H 2 + 2 NaOH
Per comprendere l'enorme importanza di questa reazione, verranno menzionati alcuni degli utilizzi dei prodotti gassosi; perché, in definitiva, sono proprio questi a guidare lo sviluppo di nuovi metodi per ottenere l'elettrolisi dell'acqua più efficiente e più ecologica.
Tra tutte, la più ambita è quella di fungere da cellule che sostituiscano energeticamente la combustione di combustibili fossili.
Produzione di idrogeno e suoi utilizzi
- L'idrogeno prodotto nell'elettrolisi può essere utilizzato nell'industria chimica, agendo in reazioni di dipendenza, nei processi di idrogenazione o come agente riducente nei processi di riduzione.
-Inoltre, è essenziale in alcune azioni di importanza commerciale, come: 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 che vanno da 3.000 a 3.500 K. Queste temperature possono essere utilizzate per il taglio e la saldatura nell'industria metallurgica, per la crescita di cristalli sintetici, per la produzione di quarzo, ecc.
- Trattamento dell'acqua: l'elevato contenuto di nitrati nell'acqua può essere ridotto mediante l'eliminazione nei bioreattori, nei quali i batteri utilizzano l'idrogeno come fonte di energia
L'idrogeno è coinvolto nella sintesi di materie plastiche, poliestere e nylon. Viene utilizzato anche nella produzione del vetro, aumentando la combustione durante la cottura.
– Reagisce con gli ossidi e i cloruri di molti metalli, tra cui: argento, rame, piombo, bismuto e mercurio, per produrre metalli puri.
– Inoltre, viene utilizzato come combustibile nelle analisi cromatografiche con rilevatore di fiamma.
Come metodo di debug
L'elettrolisi delle soluzioni di cloruro di sodio viene utilizzata per purificare l'acqua delle piscine. Durante l'elettrolisi, al catodo viene prodotto idrogeno e al catodo cloro (Cl 2 ) all'anodo. In questo caso l'elettrolisi è definita clorazione salina.
Il cloro si dissolve in acqua, formando acido ipocloroso e ipoclorito di sodio. L'acido ipocloroso e l'ipoclorito di sodio sterilizzano l'acqua.
Come riserva di ossigeno
L'elettrolisi dell'acqua viene utilizzata anche per generare ossigeno sulla Stazione Spaziale Internazionale, che serve a mantenere un'atmosfera ricca di ossigeno sulla stazione.
L'idrogeno può essere utilizzato in una cella a combustibile, un metodo di accumulo di energia, e l'acqua generata nella cella può essere utilizzata dagli astronauti.
Esperienza domestica
Gli esperimenti di elettrolisi dell'acqua sono stati condotti su bilance da laboratorio dotate di voltmetri Hoffman o altri set che consentono di contenere tutti gli elementi necessari di una cella elettrochimica.
Tra tutti i possibili set e attrezzature, il più semplice potrebbe essere un grande contenitore trasparente pieno d'acqua, che fungerà da cella. Inoltre, qualsiasi superficie metallica o elettricamente conduttiva dovrebbe essere tenuta a portata di mano per fungere da elettrodi: uno per il catodo e l'altro per l'anodo.
Anche delle matite con punte di grafite affilate su entrambe le estremità possono essere utili a questo scopo. E infine, una piccola batteria e alcuni cavi che la collegano a elettrodi improvvisati.
Se non si esegue l'operazione in un contenitore trasparente, non sarà possibile apprezzare la formazione di bolle di gas.
Variabili domestiche
Sebbene l'elettrolisi dell'acqua sia un argomento che racchiude molti aspetti interessanti e promettenti per chi è alla ricerca di fonti di energia alternative, l'esperimento casalingo può risultare noioso per i bambini e gli altri spettatori.
Pertanto, è possibile applicare una tensione sufficiente a generare la formazione di H 2 e il 2 , attivando/disattivando determinate variabili e registrando le modifiche.
Il primo di questi è la variazione del pH dell'acqua, utilizzando l'aceto per acidificare l'acqua o Na 2 CO 3 per renderlo leggermente più basico. Dovrebbe verificarsi una variazione nella quantità di bolle osservate.
Inoltre, lo stesso esperimento potrebbe essere ripetuto con acqua calda e fredda. In questo modo, si terrebbe conto dell'effetto della temperatura sulla reazione.
Infine, per rendere i dati un po' meno incolori, è possibile utilizzare una soluzione molto diluita di succo di cavolo rosso. Questo succo è un indicatore acido-base naturale.
Aggiungendolo al contenitore con gli elettrodi inseriti, si noti che all'anodo l'acqua diventerà rosa (acida), mentre al catodo il colore sarà giallo (basica).
Riferimenti
- Wikipedia (2018). Elettrolisi dell'acqua. Tratto da: en.wikipedia.org
- Chaplin M. (16 novembre 2018). Elettrolisi dell'acqua. Struttura e scienza dell'acqua. Tratto da: 1.lsbu.ac.uk
- Efficienza energetica ed energie rinnovabili. (n.d.). Produzione di idrogeno: elettrolisi. Tratto da: energy.gov
- Phys.org (14 febbraio 2018). Catalizzatore ad alta efficienza e basso costo per l'elettrolisi dell'acqua. Tratto da: phys.org
- Chemistry LibreTexts. (18 giugno 2015). Elettrolisi dell'acqua. Tratto da: chem.libretexts.org
- Xiang C., M. Papadantonakisab K. e S. Lewis N. (2016). Principi e implementazioni di sistemi di elettrolisi per la scissione dell'acqua. The Royal Society of Chemistry.
- Regents of the University of Minnesota. (2018). Elettrolisi dell'acqua 2. University of Minnesota. Tratto da: chem.umn.edu