Esperienza svolta da Chirci D’Afile Martina e Aronica Maya
ELETTROLISI DELL’ACQUA
Obiettivo:
Effettuare l’elettrolisi dell’acqua acidificata con acido solforico, osservando la formazione di idrogeno al catodo e di ossigeno all’anodo.
Materiali:
- Becher da 100 ml;
- Batteria 9 V;
- Cavi;
- 2 morsetti;
- 2 mine di grafite;
- Cilindro graduato da 50 ml.
Sostanze:
- Soluzione acquosa di H2SO4 2M.
Valutazione dei rischi:
- Indossare sempre camice, guanti, occhiali di protezione e lavorare sotto cappa aspirante.
- La soluzione di acido solforico (H2SO4 2M) è corrosiva: può provocare irritazioni o ustioni a contatto con pelle e occhi. Evitare schizzi e lavare immediatamente con abbondante acqua in caso di contatto.
- Durante l’elettrolisi si sviluppano idrogeno (H2) e ossigeno (O2). L’idrogeno è un gas altamente infiammabile e può formare miscele esplosive con l’aria; è quindi necessario lavorare lontano da fiamme libere, scintille e fonti di calore.
- Evitare il contatto tra i due elettrodi durante l’esperimento per prevenire il cortocircuito della batteria.
- Controllare che cavi e morsetti siano integri e collegati correttamente prima di alimentare il circuito.
- Le mine di grafite sono fragili e possono sfaldarsi durante l’elettrolisi; maneggiarle con attenzione per evitare rotture.
- Al termine dell’esperienza scollegare la batteria prima di rimuovere gli elettrodi dalla soluzione.
- Smaltire la soluzione di acido solforico e gli eventuali residui seguendo le procedure previste dal laboratorio e le indicazioni del docente.
Procedimento:
- Versare la soluzione acquosa di H2SO4 2M all’interno di un cilindro graduato da 50 ml fino a raggiungere la tacca corrispondente a 50 ml. Travasare poi la soluzione contenuta nel cilindro graduato all’interno di un becher da 100 ml;
- Collegare i due elettrodi di grafite, tramite dei cavetti muniti di morsetti, uno al polo positivo della pila e l’altro al polo negativo;
- Immergere i due elettrodi di grafite nel becher contenente la soluzione acquosa di acido solforico, posizionandoli uno di fronte all’altro, assicurandosi che non si tocchino;
- Si osserva l’immediato sviluppo di gas sui due elettrodi. Al catodo si forma una quantità di bollicine maggiore rispetto all’anodo.
Osservazioni sperimentali:
Dopo il collegamento della batteria si è osservata l’immediata formazione di bollicine su entrambi gli elettrodi. Al catodo lo sviluppo di gas è risultato nettamente più intenso rispetto all’anodo. Nel corso dell’esperienza la soluzione si è progressivamente intorbidita assumendo una lieve colorazione grigiastra per il distacco di particelle di grafite dagli elettrodi.
Conclusioni:
L’obiettivo dell’esperienza di laboratorio era l’elettrolisi dell’acqua, un processo in cui l’energia elettrica fornita dalla batteria viene utilizzata per scomporre l’acqua nei suoi due elementi costitutivi, ossia l’idrogeno e l’ossigeno. L’acido solforico è stato utilizzato come elettrolita per aumentare la conducibilità dell’acqua pura, poiché quest’ultima non è un buon conduttore di elettricità. L’acido solforico, essendo un acido forte, fornisce alla soluzione una concentrazione elevata di ioni H+ (o H3O+) che aumentano la conducibilità elettrica.
Nella soluzione acquosa di H2SO4 al catodo possono avvenire le seguenti reazioni di riduzione:
- 2H+ + 2e– → H2 ↑ E° = 0 V
- 2H2O + 2e– → H2 + 2OH– E° = – 0,828 V
Tra le due avviene la reazione con il potenziale di riduzione maggiore, ovvero la 1:
2H+ + 2e– → H2 ↑
All’anodo possono avvenire le seguenti reazioni di ossidazione:
- 2 SO4−2 → S2O8−2 + 2e– E° = 2,07 V
- 2 H2O → O2 + 4H+ + 4 e– E° = 1,23 V
Tra le possibili reazioni prevale quella che richiede il potenziale meno elevato, cioè l’ossidazione dell’acqua, ovvero la 2:
2 H2O → O2 + 4H+ + 4 e–
Al catodo, dunque, si svilupperà idrogeno gassoso, mentre all’anodo ossigeno, secondo la seguente reazione complessiva del processo:
2 H2O (l) → 2H2 (g) + O2 (g)
Questa equazione mostra come il volume di idrogeno gassoso prodotto al catodo sia esattamente il doppio rispetto a quello dell’ossigeno prodotto all’anodo, spiegando così la maggiore quantità di bollicine che si forma intorno al catodo, rispetto alla minore quantità di bollicine che si forma intorno all’anodo. Ciò è in accordo con la stechiometria della reazione complessiva, secondo cui per ogni mole di ossigeno si formano due moli di idrogeno; a temperatura e pressione costanti ciò corrisponde anche a un rapporto dei volumi di 2:1.
L’intorbidimento della soluzione e la presenza di piccole particelle nere sul fondo del becher sono attribuibili al progressivo sfaldamento delle mine di grafite commerciali utilizzate come elettrodi, causato dal passaggio della corrente elettrica.
