Elettrolisi

Attenzione, a causa della pericolosità dei gas prodotti, la realizzazione degli esperimenti di elettrolisi devono essere fatti sotto cappa anti esplosione, oppure all’aperto.

Quando una corrente elettrica attraversa l’acqua, allo stato liquido, questa si dissocia in H2 + O2 che sono gas.

L’acqua distillata, è un buon isolante, pertanto affinché avvenga il passaggio della corrente, è necessario che vi siano disciolti degli ioni, con carica positiva e ioni con carica negativa; la sostanza che mette a disposizione gli ioni si chiama elettrolita.

La descrizione seguente, è per spiegare i principi che stanno alla base della produzione di Idrogeno da aggiungere al carburatore della propria automobile,  utilizzando la batteria di 12Volt .

L’elettrolisi è una reazione di ossido-riduzione (REDOX), con trasferimento di elettroni.

Gli atomi che cedono elettroni si ossidano; gli ioni negativi sono attratti dall’anodo, dove l’Ossigeno passa dal numero di ossidazione -2 a 0:

  • Al Catodo: L’Ossigeno cede 2 elettroni                     H2O  ½ O2 (gas) + 2 H+ + 2 e-  

L’atomo che riceve elettroni si riduce; il numero di ossidazione dell’Idrogeno passa da H+1 a H0:

  • All’anodo: L’Idrogeno guadagna 1 elettrone (e-)               2H2O + 2e-    H2 (gas) + 2OH-  

Più precisamente:

  • All’anodo: 6 H2O (liquido)   O2 (gas) + 4 H3O(liquido) +  4 e- E° = - 1,23 v
  • al catodo :  4 e- ( dal catodo) + 4 H2O  2H2 (gas) + 4 HO- E° = -0,83 v

I valori E°, indicano che sebbene la reazione di elettrolisi, inizia a 0,4 Volt, è opportuno utilizzare una tensione di almeno 1,23 Volt; maggiore la tensione, maggiore sarà il calore prodotto, è stato verificato in laboratorio, che il valore di tensione  ideale, per una elettrolisi che non sottrae calore dell’ambiente circostante , è di 1,481 Volt.

Anche se, l’efficienza dell’elettrolisi, aumenta all’aumentare della temperatura, perché la forza dei legami a idrogeno si riduce, la produzione di troppo calore, diminuisce la resa della produzione dell’idrogeno.

Come si determina quale gas è l’Idrogeno e quale l’Ossigeno?

Avvicinando una fiammella alle bolle generate dalla elettrolisi, il gas che causa una piccola esplosione, è l’Idrogeno, mentre le bolle che rendono più brillante la fiamma , è l’Ossigeno.

l’Idrogeno si sviluppa al catodo, dove avviene la riduzione (elettrodo negativo) mentre gli altri gas si sviluppano all’anodo (elettrodo positivo) dove avviene l’ossidazione.

Utilizzando l’elettrolita appropriato:

al catodo, 2 atomi di Idrogeno, si uniscono formando la molecola gassosa  H2.

all’anodo, 2 atomi di ossigeno si uniscono formando la molecola gassosa di O2.

Il rapporto, in volume  dei 2 gas è 2 molecole di Idrogeno e 1 molecola di Ossigeno.

Michael Faraday (1871-1867) pose le basi per l’elettrolisi, stabilendone le regole.

  • La quantità di carica elettrica (numero di elettroni) fornita alla cella elettrolitica (H20 + elettrolita), fa depositare, all’elettrodo, una quantità di sostanza direttamente proporzionale alla quantità di corrente che scorre nella cella; maggiore è la corrente, maggiore sarà la sostanza depositata.
  • Anche cambiando il tipo di elettrolita, la quantità di sostanza, espressa in equivalenti, depositata agli elettrodi, è la medesima; è espresso dal rapporto tra massa e massa equivalente è uguale agli equivalenti.

Per ottenere una soluzione 1 Molare, di elettrolita, disciolto in 1 litro di acqua, occorreranno 40 grammi di NaOH, oppure 56 grammi di KOH portati al volume di 1 litro.

La massa equivalente Me (meq detto anche peso equivalente), è la massa in grammi di 1 equivalente della sostanza, è definita come il rapporto tra la massa di una mole di particelle della sostanza M e la sua valenza z ( numero di elettroni).

Peso molecolare NaOH = 39,997 g/mol  - Peso molecolare KOH = 56,11 gr/mol.

Valenza metalli alcalini = +1; 1 equivalente di metallo cede 1 mole di elettroni.

1 equivalente di una sostanza reagisce sempre e solo con 1 equivalente di un’altra sostanza per dare 1 equivalente di prodotto; se vogliamo produrre una quantità di sostanza uguale alla sua massa equivalente, dobbiamo far attraversare la soluzione da una quantità di carica uguale alla quantità di carica trasportata da una mole di elettroni.

È intuitivo che, essendo la valenza dell’idrogeno =1, si avrà una maggiore produzione rispetto a un elemento con valenza maggiore.

Pertanto, per ottenere la quantità d’idrogeno necessario al nostro scopo, possiamo intervenire aumentando il tempo, oppure aumentando la corrente .

In generale: poiché il Faraday, inteso come unità di misura, è equivalente a 96500 (96485) Coulomb,   se in una cella elettrolitica passa 1 Faraday, agli elettrodi si trasformerà una quantità di elettrolita pari a 1 equivalente chimico.

L’unità di misura della carica elettrica è il Coulomb e s’indica con C; 1 C equivale alla carica elettrica che attraversa un conduttore (cella elettrolitica) in 1 secondo con una corrente di 1 Ampere ( 1C = 1Ampere  x 1secondo)

Per avere un’idea di quante moli di elettroni sono coinvolti in un’elettrolisi:

grammi atomi ( equivalenti di elettroni) = Corrente x Tempo/96500.

Se abbiamo una corrente di 10 Ahper 60 secondi, avremo: (10 x 60): 96500 = 0,0062 moli di elettroni, e in 1 ora (10 x 3600):96500 = 0,37 moli di elettroni che come abbiamo visto equivalgono a moli di H+ , e , poiché 1 mole di un gas occupa un volume di 22,4 litri , avremo, con una corrente di 10 Ampere,  8,2 litri di Idrogeno in 1 ora..

Se pensate che questo sia poco, moltiplicate il numero di moli per il numero di Avogadro che è 6,22x10 23 e otterrete il numero di atomi di Idrogeno sviluppati al catodo….

Come si è detto, in una cella elettrolitica, la riduzione dell’elemento, avviene al catodo su cui si avrà la maggioranza delle cariche negative provenienti dagli elettroni, pertanto sarà l’elettrodo negativo, mentre all’anodo, dove avviene l’ossidazione, sarà l’elettrodo positivo.

Al contrario

 Nella pila (cella voltaica), il terminale positivo sarà il catodo, mentre il negativo sarà l’anodo.

tutte le prove sono effettuate utilizzando lla tensione di alimentazione di 12 Volt, proveniente da una batteria da auto.

pila
  • 1 Ah corrispondono a 3600 Coulomb.
  • la misura della intensità di corrente (I)  è l’Amper (A).
  • Volt (V) è la misura della tensione.
  • Watt (W) e la misura di potenza.  W = V x I
  • La corrente , espressa in  Ampere, rappresenta la carica trasportata; 1 A = 1 C/sec
  • Coulombs = Ampere x Tempo
  • 1 W = 1 J/sec = 1 volt-Ampere
  • 1 Watt secondo = 1 KwH = 3600 Joule
  • 96485 Coulombs =1 Faraday
  • 1 Faraday = 1 mole di elettroni
  • Massa Molare :    (quantità di sostanza in grammi) x (1 mole  /Peso atomico)   = n° di moli
  • Molarità (M) =numero di moli in 1 litro di soluzione.
  • Normalità (N) = numero di equivalenti in 1 litro.
  • Molalità (m) =numero di moli in 1000 grammi di solvente.
  • Se il solvente è l’acqua, la molarità è uguale alla molalità perché 1 litro di acqua pesa 1000 gr.

Riccardo Monti