Elettrolisi dell’acqua: cella elettrolitica, reazione all’anodo e al catodo

L’elettrolisi dell’acqua è fatta in  celle di elettrolisi ovvero in dispositivi in cui avviene la conversione di energia elettrica in energia chimica .
Nelle celle di elettrolisi quindi avvengono quindi reazioni redox non spontanee.

Ad esempio la scomposizione dell’acqua nei suoi componenti ovvero idrogeno e ossigeno non è un processo spontaneo, ma esso può essere realizzato ricorrendo all’elettrolisi.

Cella elettrolitica

Una cella elettrolitica è costituita da un recipiente contenente l’elettrolita allo stato fuso o in soluzione in cui sono immersi due elettrodi collegati a un generatore di corrente continua.

Nella cella elettrolitica l’elettrodo collegato al polo negativo del generatore viene denominato catodo mentre l’elettrodo collegato al polo positivo viene denominato anodo.

Quando i due elettrodi, collegati ai poli del generatore, sono immersi nella soluzione, in questa si verifica una doppia migrazione degli ioni presenti nell’elettrolita: gli ioni positivi, i cationi, vengono attratti dall’elettrodo negativo ovvero dal catodo dove acquistano elettroni riducendosi mentre gli ioni negativi, gli anioni, vengono attratti dal polo positivo, l’anodo dove cedono elettroni ossidandosi.

Per eseguire l’elettrolisi dell’acqua pura si deve tenere conto che essa è  un cattivo conduttore e ciò rende impossibile qualunque processo elettrolitico. Per aumentare la conducibilità dell’acqua di deve aggiungere un opportuno elettrolita come il solfato di sodio che è un sale dissociato in ioni sodio e ioni solfato.

In una soluzione di solfato di sodio sono quindi presenti ioni H⁺ e ioni OH^– derivanti dalla dissociazione dell’acqua e ioni Na⁺ e SO₄^2-derivanti dalla dissociazione del solfato di sodio.

Essendo presenti due tipi di ioni positivi e due tipi di ioni negativi le semireazioni di riduzione e di ossidazione che avvengono rispettivamente al catodo e all’anodo possono essere teoricamente più di una. Ovvero, in linea teorica sia lo ione Na⁺ che lo ione H⁺ possono competere nella semireazione di riduzione mentre sia lo ione SO₄^2- che lo ione OH^– possono competere nella semireazione di ossidazione.

Reazioni

Predomineranno, tra tutte, due semireazioni ovvero quelle con potenziale di maggiore.

Nel caso in esame all’anodo, elettrodo positivo, sono teoricamente possibili le seguenti semireazioni di ossidazione:
2 SO₄^2- → S₂O₈^2- + 2 e^–  E° = –  2.05 V

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

Quindi tra le due semireazioni possibili avviene la seconda in quanto è più facile ossidare l’acqua che lo ione solfato

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

Na⁺ + 1 e^– → Na     E° = – 2.71 V

2 H₂O + 2 e^– → H₂ + 2 OH^–    E° = – 0.828 V

Quindi tra le due semireazioni possibili avviene la seconda in quanto è 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:

4 H₂O + 4 e^– → 2 H₂ + 4 OH^–

2 H₂O  → O₂ + 4 H⁺ + 4 e^–

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 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 svolto al catodo è doppio rispetto al volume di O₂ svolto all’anodo.