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 chimica. Questo processo coinvolge reazioni 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 elettrodi 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 semireazioni 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.