Come fare un’elettrolisi dell’acqua “speciale”

La classica elettrolisi dell’acqua che viene mostrata sui libri scolastici non mi è mai piaciuta. Infatti, è ben poco spettacolare, molto lenta, e comunque non si può fare con materiali di facile reperibilità, poiché ad es. difficilmente si trovano nei negozi delle provette di vetro. Mostreremo quindi come fare un’elettrolisi più veloce ed energetica, e come riconoscere l’elettrodo presso cui si produce idrogeno, ma senza usare il metodo classico mostrato sui testi. Alla fine avremo la possibilità di fare, volendo, anche un “mini-bucato”, perché avremo creato come sottoprodotto una sorta di “lavatrice” in miniatura.   

In chimica e nell’industria, l’elettrolisi è una tecnica che utilizza una corrente elettrica continua (DC) per guidare una reazione chimica altrimenti non spontanea. L’elettrolisi è commercialmente importante come uno stadio nella separazione di elementi da fonti naturali, come ad es. i minerali, utilizzando una cella elettrolitica. La tensione necessaria per l’elettrolisi si chiama potenziale di decomposizione.

Il prefisso “elettro-” si riferisce all’energia e all’elettricità e il suffisso “-lisi” si riferisce alla separazione. In questo articolo ci interesseremo, in particolare, all’elettrolisi dell’acqua (formula chimica H2O), ovvero alla decomposizione delle sue molecole in ossigeno (O2, perché le sue molecole gassose sono biatomiche) e idrogeno (H2, idem) tramite il passaggio di una corrente elettrica nell’acqua.

Del resto, come da una reazione chimica è possibile ottenere energia elettrica (vedi l’articolo sulla Pila di Volta), è possibile anche l’inverso, cioè eseguire una reazione chimica con l’impiego di energia elettrica. I fenomeni elettrolitici hanno una grande importanza pratica: molte reazioni di ossidazione e di riduzione non eseguibili per via chimica si effettuano per via elettrolitica, usando l’energia elettrica.

Esecuzione tipica di un’elettrolisi

Il materiale occorrente per la nostra esperienza è il seguente:

  • Acqua distillata (in mancanza, acqua di rubinetto)
  • Due elettrodi (ad es. 2 mine robuste di matita o 2 chiodi molto lunghi)
  • Quattro pile da 9 V
  • Quattro connettori per pile da 9 V
  • Cavetti colorati per i collegamenti elettrici
  • Un becker (o un contenitore di plastica tondo e trasparente, o un bicchiere)
  • Due provette di vetro o di plastica (opzionali)
  • Un termometro ad asta (opzionale)
  • Sale da cucina
  • Detergente per lavastoviglie

Per spezzare i legami delle molecole d’acqua (H2O) liquide liberando i gas che le compongono – idrogeno (H2) e ossigeno (O2)  – occorre una certa quantità di energia. A casa, possiamo fornire questa energia con una batteria. Tutte le batterie hanno due terminali: un terminale positivo e un terminale negativo. Quando l’acqua collega questi terminali, chiudendo quindi il relativo circuito elettrico, l’energia può fluire tra di essi e, quando l’elettricità passa attraverso l’acqua, scinde le sue molecole.

La classica elettrolisi dell’acqua con le provette che troviamo sui libri di scuola.

L’acqua pura non è un buon conduttore di elettricità, quindi in questo esperimento verrà aggiunto all’acqua del sale da cucina, per rendere la soluzione un elettrolita, cioè conduttrice. Un elettrolita, infatti, è un liquido che contiene particelle che trasportano la carica elettrica. L’elettrolita per l’elettrolisi può essere realizzato anche con acqua e bicarbonato, acqua e limone, o acqua e aceto.

In pratica, basta usare una qualsiasi soluzione “ionica”, che può venire creata dissolvendo un composto ionico in un solvente (tipicamente acqua), come ad esempio il sale da cucina nell’acqua. Quando un composto ionico si dissolve in acqua, infatti, si dissocia in cationi e in anioni. La presenza di questi ioni è il motivo per cui la soluzione risultante si definisce ionica.

Il passaggio della corrente elettrica provoca due reazioni chimiche: una di riduzione (acquisto di elettroni) sulla superficie del catodo e l’altra di ossidazione (cessione di elettroni) su quella dell’anodo. Quindi la pila è una pompa che aspira elettroni all’anodo – dove avvengono ossidazioni – cioè cessioni di elettroni, e che li comprime al catodo, dove avvengono le riduzioni, cioè reazioni di acquisto di elettroni.

Per quanto riguarda gli elettrodi, puoi usare praticamente qualsiasi metallo per il catodo (l’elettrodo che libera l’idrogeno), ma per l’anodo la questione è più difficile. Hai bisogno di qualcosa che resista alla corrosione pur restando elettricamente conduttivo. La ragione per cui il problema si pone solo per l’anodo è perché l’anodo genera ossigeno, e quindi l’ambiente dell’anodo è fortemente ossidante e terribilmente corrosivo. Quale materiale usare dunque per gli elettrodi?

Se il costo non fosse un problema, potresti usare il platino (o l’oro o altri metalli nobili). Questi metalli funzionano perché sono più stabili dei loro ossidi e quindi semplicemente non si corrodono in condizioni normali. Il piombo funzionerà, in particolare se si aggiunge sale di sodio solfato all’acqua per rendere l’acqua più conduttiva. Il piombo formerà uno strato di PbO2, che è uno dei pochi ossidi metallici conduttivi. Ma il piombo, in qualche modo, si corrode, e quindi hai il piombo nella tua acqua.

Gli elettrodi ideali sono pertanto costituiti da carbone o grafite, piuttosto che da chiodi metallici. Nel mio laboratorio Sbalordiscienza, ho elettrodi di carbone di storta estratti sventrando una pila da 4,5 V, pile oggi introvabili. In alternativa, si possono usare due matite (o la sola anima in grafite), temperandone la punta da ambo i lati. Se proprio non volete complicarvi la vita, usate due chiodi lunghi.

I due elettrodi in carbone di storta e l’ancoraggio al “bicchiere”. (fonte: Sbalordiscienza)

In ogni caso, inserite gli elettrodi verticalmente nel contenitore di plastica, distanziandoli opportunamente e con la capocchia rivolta verso il basso. Se volete fare l’elettrolisi classica, come nelle classiche figure dei libri scolastici mettete una provetta infilata su ciascun elettrodo. A questo punto aggiungete la soluzione di acqua salata e collegate poi gli elettrodi ai terminali di una pila da 9 V. Lentamente, nella provetta sopra l’anodo si formerà ossigeno e in quella sopra il catodo l’idrogeno.

Se alla fine mettete un dito sulla provetta di ossigeno, la estraete dall’acqua e con un accendino acceso posto davanti togliete il dito, vedrete la fiamma ravvivarsi, poiché l’ossigeno facilita la combustione. Se fate la stessa operazione con la provetta in cui si è raccolto l’idrogeno, assisterete invece a un piccolo botto, poiché l’idrogeno reagisce violentemente con l’ossigeno presente nell’aria, dando acqua. Ma ora avviamoci alla preparazione di un’elettrolisi molto più interessante e meno “scolastica”.

La conducibilità elettrica dell’acqua

Come accennavamo, l’acqua distillata da sola non trasporterà alcuna corrente. Perciò, se riempite lentamente il contenitore con acqua distillata e chiudete il circuito elettrico per effettuare l’elettrolisi, scoprirete che l’acqua distillata non condurrà corrente Tuttavia, l’acqua del rubinetto è spesso in grado di condurre corrente a causa di minerali e impurità in essa presenti.

La conducibilità elettrica dell’acqua di rubinetto (o di quella minerale in bottiglia) è legata al cosiddetto “residuo fisso” (cioè la quantità totale di sostanze disciolte nell’acqua), indicato sull’etichetta della bottiglia o, per l’acqua potabile, nel sito dell’acquedotto. La relazione che lega conducibilità elettrica (CE) e residuo fisso (RF) è di proporzionalità diretta, ovvero RF = k x CE, dove la conducibilità elettrica è espressa in microsiemens per centimetro (μS/cm) a 25 °C e il residuo fisso in mg/l.

Possiamo stimare facilmente in modo relativo la conducibilità elettrica di una soluzione creando una sonda a bastoncino con due elettrodi vicini, in modo che la distanza reciproca sia sempre fissa, ma che non siano in cortocircuito. Ai capi degli elettrodi si applica una tensione fissa (ad es. con una batteria da 9 V) e in serie alla pila si pone un amperometro o un tester in modalità “misura di corrente”. La corrente misurata sarà proporzionale alla conducibilità elettrica delle varie soluzioni che esamineremo.

Schema del circuito per la misura della condicibilità dell’acqua.

Aggiungi quindi un pizzico di bicarbonato di sodio. La soluzione con bicarbonato faciliterà il processo, permettendo una buona quantità di elettrolisi. Infatti, quando il bicarbonato di sodio – noto ai chimici come NaHCO3 – si dissolve in acqua in ioni Na+ e HCO3, per cui lascia scorrere la corrente attraverso l’acqua tra i terminali della batteria. Nella soluzione di bicarbonato di sodio, i gas prodotti dall’elettrolisi sono idrogeno (H2), ossigeno (O2) e innocua anidride carbonica (CO2).

Tuttavia, la soluzione con sale da cucina faciliterà l’elettrolisi al meglio. Infatti, il sale da cucina – o cloruro di sodio (NaCl) – in acqua si divide in ioni Na+ e Cl, che sono molto buoni per il trasporto di corrente, o per il flusso di cariche elettriche. Nella soluzione di acqua salata, i gas che vengono prodotti sono idrogeno (H2), ossigeno (O2) e cloro gassoso (Cl2): non inalare però questo gas!

Infatti, purtroppo sui libri di scuola non si insegna che il cloro gassoso – peraltro contenuto in molti prodotti per la pulizia, specie del bagno – è tossico. Ovviamente, se non si sta troppo vicino agli elettrodi, non si fa durare l’elettrolisi troppo a lungo e la si effettua in un ambiente ben ventilato, con un apparato di tipo didattico non vi sono particolari pericoli, ma è bene comunque esserne informati.

Anche il succo di limone è un elettrolita decente, perché è un acido. L’acido si dissocia in acqua e la corrente verrà trasportata, ancora una volta, dagli ioni. Dunque differenti quantità di gas vengono prodotte da ciascuna reazione, poiché ciascuna reazione porterà una diversa quantità di corrente. La quantità di gas prodotta è direttamente proporzionale alla corrente che fluisce nel sistema.

Potete divertirvi a creare un tabella in cui riassumete i dati raccolti: Tipo di elettrolita – Tensione pila (V) – Corrente misurata (I) – Resistenza della soluzione (R). La tensione della pila va misurata perché con il tempo tende a calare. La resistenza R della soluzione in realtà non è un dato raccolto, bensì si calcola usando la legge di Ohm: R = V / I. In alternativa, o come verifica, potete misurare R con un multimetro.

Un’elettrolisi molto… spumeggiante

La corrente che fluisce nella soluzione acquosa è fornita da un’applicazione della legge di Ohm, ovvero è I = V / R, dove R è la resistenza del sistema elettrodi + soluzione acquosa (in pratica, solo della soluzione acquosa, essendo gli elettrodi ottimi conduttori e quindi con resistenza trascurabile) e V è la tensione applicata ai capi degli elettrodi: quindi ad es. 9 V se si utilizza una sola batteria da 9 V.

Come visto, il sale da cucina aggiunto all’acqua garantisce, fra le sostanze di uso comune e non pericolose, la massima conducibilità dell’acqua, cioè minimizza R. Ma, se vogliamo un’elettrolisi veloce ed efficiente, possiamo agire a questo punto anche sull’altro parametro, la tensione V. In pratica, raddoppiando la tensione, grosso modo raddoppia la quantità di gas liberato nell’unità di tempo; triplicando la tensione, la quantità di gas triplica; e così via, accelerando quindi la reazione e ingrossando le bollicine.

L’esperimento di elettrolisi  più semplice in assoluto. (Fonte: B. Burns)

L’elettrolisi dell’acqua inizierà intorno a un minimo di 1,2 V e aumenterà di velocità all’aumentare della tensione. Tipicamente, a scuola l’elettrolisi viene effettuata intorno a 6-9 V. È possibile aumentare lentamente la tensione fino a 10 o 12 V se la reazione procede lentamente. Non sperimentare tensioni diverse usando altri elettroliti se non si sa cosa verrà prodotto. Se lo sperimentatore è un adulto esperto, una fonte di tensione continua regolata (e dimensionata) è preferibile alle normali batterie.

Un esperto può usare un alimentatore stabilizzato con limitazione di corrente incorporata, una caratteristica di quasi tutti gli alimentatori decenti, ma è bene controllare per sicurezza. È possibile avviare l’elettrolisi alla tensione più bassa e aumentare gradualmente la tensione fino a quando si verifica una reazione di elettrolisi costante e controllata. Per sicurezza, avrete bisogno di un reostato e di un modo per monitorare la corrente. Un alimentatore da laboratorio decente ha entrambe le funzioni integrate.

La velocità ideale per un’elettrolisi “divertente” si ottiene con una tensione di alimentazione in corrente continua (DC) compresa fra 30 V e 60 V. Nel mio laboratorio Sbalordiscienza, ad es., uso un alimentatore autocostruito ad hoc, che illustro nell’articolo Un alimentatore per tensioni intermedie, che trovate qui. Ma se non siete adulti ed esperti, non è adatto a voi. Potete comunque ottenere quasi lo stesso risultato ponendo in serie 4 pile nuove da 9 V, ottenendo così una tensione di ben 9 x 4 = 36 V!

Schema per un’elettrolisi più energetica e veloce ed al tempo stesso sicura.

Un aspetto interessante di un’elettrolisi è come scoprire l’elettrodo sul quale si produce idrogeno e quello su cui si produce ossigeno (senza ovviamente averlo studiato e senza guardare la polarità dei collegamenti). Nel caso dell’elettrolisi classica, lo si scopre dal fatto che in una provetta si accumula una quantità di gas doppia rispetto all’altra provetta. Dato che la formula dell’acqua è H2O – cioè per ogni atomo di ossigeno ve ne sono due di idrogeno – la provetta con più gas contiene idrogeno.

Un modo divertente per scoprirlo senza usare le provette (non facili da reperire, a meno che non acquistiate in farmacia due piccole provette di plastica per l’analisi delle urine) è quello di aggiungere, pochi secondi dopo che è iniziata l’elettrolisi, una goccia di detersivo liquido per i piatti, mescolando poi la goccia con l’acqua con l’aiuto di un cucchiaino, ma facendo ben attenzione a non creare della schiuma.

Dopo un po’ di tempo, vedrete che l’elettrolisi produce sulla superficie dell’acqua intorno a un elettrodo il doppio delle bollicine rispetto all’altro elettrodo. Naturalmente, per vedere bene la cosa è necessario che gli elettrodi non siano attaccati alla parete del contenitore, bensì distanti da essa 4 o 5 mm, e che fuoriescano in parte dall’acqua. Dunque, avrete capito che l’elettrodo circondato dal doppio delle bollicine libera idrogeno, rispondendo così al quesito iniziale di come riconoscere il tipo di gas prodotto da uno dei due elettrodi.

L’aggiunta del sapone liquido “svela” l’elettrodo intorno al quale si produce idrogeno.

Ma un altro aspetto interessante di quando si usa una tensione più alta dei soliti 9 V delle elettrolisi “scolastiche” è che l’acqua su riscalda. Pertanto, prima di partire con l’elettrolisi, immergete nel contenitore in cui la effettuate un termometro ad asta e leggete il valore segnato. Poi, osservate cosa succede alla temperatura man mano che l’elettrolisi procede. Con il mio alimentatore da 60 V, si arrivava a una temperatura di circa 40 °C, ottima per fare il bucato (il sapone c’è già…).

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