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Elettrolisi dell’acqua: cella elettrolitica, reazione all’anodo e al catodo

L’elettrolisi dell’acqua avviene all’interno di apposite celle elettrolitiche, dove si verifica la conversione di energia elettrica in energia . Questo processo coinvolge redox non spontanee, come ad esempio la scomposizione dell’acqua nei suoi componenti, idrogeno e ossigeno, che può essere realizzata tramite l’elettrolisi.

Cella elettrolitica e processo di elettrolisi

La cella elettrolitica è composta da un recipiente contenente un elettrolita allo stato fuso o in soluzione, all’interno del quale sono immersi due collegati a un generatore di corrente continua. Nella cella, l’elettrodo collegato al polo negativo del generatore è chiamato catodo, mentre quello collegato al polo positivo è chiamato anodo.

Quando i due elettrodi sono immersi nella soluzione, si verifica una doppia migrazione degli ioni presenti nell’elettrolita: i cationi si dirigono verso il catodo, dove si riducono acquisendo elettroni, mentre gli anioni si dirigono verso l’anodo, dove si ossidano cedendo elettroni.

Importanza della conduttività dell’acqua

L’acqua pura è un cattivo conduttore elettrico, rendendo impossibile qualsiasi processo elettrolitico. Per aumentarne la conducibilità, è necessario aggiungere un elettrolita, come ad esempio il solfato di sodio, che si dissocia in ioni sodio e ioni solfato.

In una soluzione di solfato di sodio, sono presenti ioni H+ e ioni OH- derivanti dalla dissociazione dell’acqua, insieme a ioni Na+ e SO4^2- derivanti dalla dissociazione del solfato di sodio. Questa presenza permette la realizzazione delle di riduzione e di ossidazione al catodo e all’anodo.

Reazioni nell’elettrolisi dell’acqua

Durante l’elettrolisi dell’acqua, due semireazioni predominano in base al potenziale di riduzione maggiore. In linea teorica, sia l’ione Na+ che l’ione H+ possono competere nella semireazione di riduzione, mentre sia l’ione SO4^2- che l’ione OH- possono competere nella semireazione di ossidazione.

In conclusione, l’elettrolisi dell’acqua è un processo fondamentale che consente la produzione di idrogeno e ossigeno attraverso reazioni redox non spontanee, sfruttando l’energia elettrica per ottenere energia chimica.Elettrolisi dell’acqua: Semplificazione e Procedimento

# Semireazioni di ossidazione e riduzione

Le semireazioni di ossidazione possibili all’anodo durante l’elettrolisi dell’acqua sono la conversione di ioni solfato in perossodisolfato e l’ossidazione dell’acqua in ossigeno, con la seconda che risulta favorita a causa del suo potenziale di riduzione superiore.

Al contrario, al catodo, le semireazioni di riduzione che possono verificarsi sono la riduzione degli ioni sodio e la riduzione dell’acqua in idrogeno e ossidrile. In questo caso, la riduzione dell’acqua è favorita rispetto a quella degli ioni sodio.

# Reazioni complessive

Le due semireazioni che si verificano sono:

1. Ossidazione dell’acqua: 2 H₂O → O₂ + 4 H⁺ + 4 e⁻
2. Riduzione dell’acqua: 2 H₂O + 2 e⁻ → H₂ + 2 OH⁻

Moltiplicando la seconda per 2 per eguagliare gli elettroni scambiati, si ottiene:

4 H₂O + 4 e⁻ → 2 H₂ + 4 OH⁻
2 H₂O → O₂ + 4 H⁺ + 4 e⁻

In seguito, sommando membro a membro e semplificando, si giunge a:

6 H₂O → O₂ + 2 H₂ + 4 H₂O

Considerando che 4 H⁺ + 4 OH⁻ corrisponde a 4 H₂O, l’ultima equazione si semplifica ancora in:

6 H₂O → O₂ + 2 H₂

# Rapporto tra ossigeno e idrogeno

Da questa semplificazione, emerge che il rapporto tra O₂ e H₂ è di 1:2. Di conseguenza, durante l’elettrolisi dell’acqua, si ottiene il doppio delle moli di idrogeno rispetto all’ossigeno. Considerando pressione e temperatura costanti, ciò si traduce in un volume di idrogeno doppio rispetto a quello di ossigeno prodotto.

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