VOLTAMETRO DI HOFFMANN

Il voltametro è un apparecchio inventato da A. Von Hoffmann (1818-1892) per studiare le leggi dell’elettrolisi, in particolare per la scomposizione dell’acqua in idrogeno e ossigeno. L’elettrolisi è il fenomeno che determina reazioni di ossido-riduzione degli ioni presenti in una soluzione quando questi vengono a contatto con gli elettrodi del voltametro grazie alla corrente elettrica continua fornita da un alimentatore.

Le foto seguenti mostrano che il voltmetro è costituto essenzialmente da tre cilindri di vetro comunicanti alla base e i due laterali sono graduati e forniti di un rubinetto simile a quello delle burette. Nella parte inferiore di quest’ultimi, vi sono all’interno i due elettrodi collegati, con dei cavetti, ai poli positivo e negativo di un alimentatore. Nella parte alta del cilindro centrale vi è un’ampolla per raccogliere la soluzione di acqua e acido solforico utilizzata per l’elettrolisi. Il tutto è retto da un sostegno con pinze metalliche.

elettrolisi acqua toto rid
Voltametro di Hoffmann collegato all’alimentatore
elettrolisi acqua rid
Voltametro di Hoffmann

L’ apparecchio di Hoffmann ci permette di verificare che la dissociazione dell’acqua produce due parti di idrogeno al catodo e una di ossigeno all’anodo entrambi allo stato gassoso; infatti i due cilindri graduati dove sono gli elettrodi, riempite allo stesso livello con acqua distillata, (con aggiunta di qualche goccia di acido solforico od anche di una soluzione di solfato di sodio), mostrano che i volumi dei gas che si sviluppano sono uno doppio dell’altro in accordo con la legge di Avogadro. Per eseguire l’elettrolisi dell’acqua distillata si deve tenere conto che essa è un cattivo conduttore e ciò rende impossibile il processo elettrolitico. Per aumentare la conducibilità dell’acqua si deve aggiungere un opportuno elettrolita come l’acido solforico o il solfato di sodio. Quest’ultimo, ad esempio, in acqua si dissocia in ioni sodio e ioni solfato (Na+ e SO42-). Essendo presenti diversi tipi di ioni le semireazioni di riduzione e di ossidazione che avvengono rispettivamente al catodo e all’anodo possono essere teoricamente più di una. Infatti sia lo ione Na+ che lo ione H(quest’ultimo proveniente dalla dissociazione parziale dell’acqua) possono competere nella semireazione di riduzione, mentre sia lo ione SO42- che lo ione OH possono competere nella semireazione di ossidazione. Tra le possibili, solo quelle con potenziale redox maggiore predomineranno.

Nel caso in esame all’anodo, (elettrodo positivo), sono teoricamente possibili le seguenti semireazioni di ossidazione:

2 ioni solfato → ione perossidisolfato + 2 elettroni:
2 SO42- → S2O82- + 2 e  E° = –  2.05 V

2 H2O  → O2 + 4 H+ + 4 e    E° = – 1.23 V

La seconda semireazione ha un potenziale di riduzione (E°) maggiore e quindi sarà più facile ossidare l’acqua che lo ione solfato.

Al catodo, (elettrodo negativo), sono teoricamente possibili le due semireazioni di riduzione:

Na+ +  e → Na0     E° = – 2.71 V

2 H2O + 2 eH2 + 2 OH    E° = – 0.828 V

In questo caso essendo il potenziale redox (E°) maggiore nella seconda semireazione, sarà più facile ridurre l’acqua che lo ione sodio.

Le due semireazioni che avvengono sono quindi:

2 H2O  → O2 + 4 H+ + 4 e

2 H2O + 2 e → H2 + 2 OH

Moltiplicando la seconda per 2 in modo che gli elettroni scambiati siano gli stessi si ha:

2 H2O  → O2 + 4 H+ + 4 e

4 H2O + 4 e → 2 H2 + 4 OH

Sommando membro a membro e semplificando:

6 H2O  → O2 + 4 H+ + 4 OH + 2 H2

Poiché 4 H+ + 4 OH = 4 H2O si ha

6 H2O  → O2 + 2 H2 + 4 H2O

La reazione complessiva è quindi:

2 H2O  → O2 + 2 H2

Il rapporto tra O2  e H2  è di 1:2 e pertanto dall’elettrolisi dell’acqua si ottengono un numero di moli di H2 doppio rispetto a O2 e poiché la pressione e la temperatura sono le stesse il volume di idrogeno gassoso prodotto al catodo è doppio rispetto al volume di O2 prodotto all’anodo.

Hoffmann schema
Produzione gas dall’idrolisi dell’acqua agli elettrodi del voltmetro di Hoffmann
elettrolisi acqua 2 particolare
Volume di Idrogeno (5cc) doppio dell’ossigeno (2,5cc)

L’idrogeno e l’ossigeno prima di liberarsi compaiono agli elettrodi sotto forma di bollicine che si andranno a raccogliere nella parte alta dell’apparecchio di Hoffmann e precisamente intrappolate sotto il rubinetto. Il fenomeno è molto lento e per produrre qualche cm3 di entrambi i gas bisognerà aspettare una quindicina di minuti. Si consiglia di non superare la tensione di alimentazione di 20V continua ed una intensità di corrente inferiore a 1,5mA.

I due gas possono essere raccolti aprendo la parte superiore dei cilindri per mostrare che l’ossigeno ravviva la fiamma di un fiammifero che sta per spegnersi mentre l’idrogeno, raccolto in una provetta capovolta, forma una miscela detonante con l’aria se si avvicina la fiamma di un fiammifero o di un becco bunsen. In questo ultimo caso sarà possibile notare, subito dopo la piccola esplosione, che la parte interna della provetta è appannata per la produzione di acqua ottenuta dalla seguente reazione chimica:

H2 (raccolto nella provetta) + O2 (presente nell’aria) → E (piccola espolsione) + H2O (appannamento della provetta)

MATERIALI

  • Voltametro di Hoffmann;
  • Acido solforico 96% o Solfato di sodio;
  • Acqua distillata;
  • Un alimentatore che fornisce corrente continua 15V/0,5A o pile da 9V;
  • Un multimetro utilizzato come amperometro;
  • Cavetti elettrici per i collegamenti;
  • Due Provette per raccogliere i gas;
  • Fiammiferi o becco bunsen.

VALUTAZIONE DEI RISCHI

L’esperimento va effettuato sotto cappa aspirante ed utilizzando i dispositivi di protezione individuali (camice, guanti e occhialetti). Particolare attenzione nell’uso dell’acido solforico di cui è linkata la scheda di rischio. L’alimentatore deve essere impiegato rispettando le istruzioni scritte nel manuale dell’apparecchio stesso. Seguire tutte le procedure indicate dagli insegnanti di laboratorio.

PROCEDIMENTO

  • Versare nell’ampolla centrale dell’apparecchio di Hoffmann una soluzione diluita di acido solforico (circa 2ml di acido solforico al 96% in 1000ml di acqua distillata) o di solfato di sodio (1g/l), fino a raggiungere il livello massimo consentito, tenendo aperti i rubinetti.
  •  Attendere che nei tre cilindri il livello del liquido si ponga alla stessa altezza e poi chiudere i rubinetti.
  • Collegare, con dei cavetti, gli elettrodi del voltmetro di Hoffmann ai poli, positivo e negativo, di un alimentatore di corrente continua.
  • Accendere l’alimentatore e fornire circa 12V di corrente continua.
  • Controllare che dagli elettrodi si formino delle piccole bollicine di gas che nel tempo andranno ad occupare la parte alta e precisamente sotto i due rubinetti dell’apparecchio di Hoffmann.
  • Dopo una quindicina di minuti, i gas prodotti e intrappolati nei due cilindri graduati laterali, saranno di un volume uno doppio rispetto l’altro e di un quantitativo sufficiente per poter fare le prove di conferma.
  • Spegnere l’alimentatore e scollegare tutti i cavetti.

TEST CONFERMA GAS IDROGENO:

  • Posizionare una provetta di vetro capovolta sopra al rubinetto presente sul lato del cilindro graduato contenente il gas idrogeno (catodo, polo negativo).
  • Aprire il rubinetto e raccogliere il gas nella provetta, facendo attenzione a non far fuoriuscire il liquido che dovrà essere bloccato chiudendo velocemente il rubinetto.
  • Immediatamente dopo, facendosi aiutare da un compagno, avvicinare la fiamma di un fiammifero o di un becco bunsen all’imboccatura della provetta capovolta fino a che non si senta una piccola detonazione.
  • Osservare che siano appannate le pareti interne della provetta.

elettrolisi test idrogeno

TEST DI CONFERMA GAS OSSIGENO:

  • Posizionare un fiammifero o un pezzo di carta che sta per spegnersi sopra al rubinetto presente sul lato del cilindro graduato contenente il gas ossigeno (anodo, polo positivo).
  • Aprire il rubinetto e, tenendo il tizzone ardente vicino l’imboccatura verificare che venga ravvivata la fiamma.

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