Electrólisis del agua · The Last Codex

La electrólisis del agua hace pasar una corriente eléctrica por el agua para separarla en hidrógeno y oxígeno, que suben en burbujas en los dos electrodos, con el doble de hidrógeno que de oxígeno. Dos químicos neerlandeses describieron en 1789 la descomposición del agua con descargas eléctricas; la pila de Volta la convirtió en un proceso continuo en 1800, y hoy es una de las formas de producir hidrógeno.

Qué es

La electrólisis del agua es la separación del agua en sus dos elementos por medio de una corriente eléctrica. Dos electrodos se sumergen en el agua y se conectan a una fuente de corriente continua. En el electrodo negativo se forman burbujas de hidrógeno y en el positivo burbujas de oxígeno; el volumen de hidrógeno es aproximadamente el doble que el de oxígeno, la proporción en que ambos gases se combinan para formar agua.

El proceso convierte energía eléctrica en energía química almacenada en los gases. Quemar el hidrógeno, o recombinarlo con oxígeno en una pila de combustible, devuelve una parte. La industria obtiene hidrógeno y oxígeno en electrolizadores, pilas de celdas en las que un separador mantiene apartados los dos gases.

Cómo funciona

El agua pura conduce muy mal la electricidad, así que se vuelve conductora disolviendo en ella un poco de ácido, de álcali o de sal. Dentro del líquido, la corriente la transportan iones, partículas cargadas que se desplazan hacia el electrodo de signo contrario.

En el electrodo negativo, el cátodo, los electrones del circuito convierten los iones de hidrógeno o el agua en hidrógeno gaseoso. En el electrodo positivo, el ánodo, se desprende oxígeno y los electrones vuelven al circuito. Los dos gases aparecen solo en la superficie de los electrodos, nunca en el líquido que hay entre ellos.

Corte de una celda moderna de electrólisis alcalina: dos electrodos metálicos enfrentados a ambos lados de un separador poroso dentro de un líquido, con burbujas de hidrógeno a un lado y de oxígeno al otro que suben hacia salidas distintas En una celda alcalina, un separador poroso deja pasar la corriente por el líquido pero mantiene apartados el hidrógeno y el oxígeno.

El material de los electrodos importa. El platino y el oro no se atacan y desprenden los dos gases. El grafito, la mina de un lápiz, también desprende un gas en cada electrodo, aunque se va desgastando. En el tubo de agua de Nicholson y Carlisle, un hilo de latón se ennegrecía donde el platino soltaba gas. Las celdas alcalinas industriales han usado electrodos de hierro, acero y níquel; el níquel es uno de los metales que mejor resisten la disolución alcalina. Un cloruro disuelto, como la sal de mesa, da en el electrodo positivo cloro, un gas tóxico, en lugar de oxígeno.

Los electrolizadores industriales son de tres tipos principales. Las celdas alcalinas usan una disolución de hidróxido de potasio o de sodio con un separador poroso. Las de membrana de intercambio de protones emplean un plástico sólido y fino que solo deja pasar los iones de hidrógeno. Las de óxido sólido usan una cerámica que conduce los iones de oxígeno y funcionan a temperaturas muy altas, en las que el calor de otra fuente puede sustituir parte de la electricidad.

Cómo hacerlo

Dos lápices afilados por ambos extremos clavados en una cartulina sobre un vaso de agua, con la punta inferior en el líquido y la superior sujeta con pinzas a una pila de 9 voltios, y burbujas finas que suben de ambas minas Dos minas de lápiz y una pila de 9 voltios bastan para separar el agua; las burbujas son más abundantes en la mina negativa.

Hacen falta dos lápices de madera, un sacapuntas, una cartulina rígida, dos cables con pinzas de cocodrilo, una pila de 9 voltios, un vaso de agua y un poco de sal de Epsom (sulfato de magnesio). Use sal de Epsom y no sal de mesa, que desprendería cloro.

Afile los dos lápices por ambos extremos hasta que asome la mina. Disuelva la sal de Epsom en el agua. Clave los lápices en la cartulina y ponga la cartulina sobre el vaso, de modo que las puntas inferiores queden en el agua sin tocarse. Una cada borne de la pila a la punta superior de un lápiz con un cable.

Suben burbujas finas de las dos minas, más numerosas en el lápiz conectado al borne negativo: es el hidrógeno. Intercambie las dos pinzas en la pila y el chorro más denso pasa al otro lápiz. Observe unos minutos y luego desconecte la pila. Las puntas de los lápices se desgastan poco a poco mientras funcionan.

Seguridad. Mezclado con aire, el hidrógeno explota si se enciende y arde con una llama casi invisible. Mantenga llamas y chispas lejos del vaso y deje que las burbujas escapen: no recoja nunca el gas en un tubo ni en un recipiente cerrado.

Historia y evolución

Una gran máquina eléctrica de fricción de finales del siglo XVIII: un disco de vidrio girado con una manivela entre almohadillas de cuero, un conductor de latón sobre patas de vidrio y una batería de botellas de Leyden en una caja de madera al lado La descomposición del agua de 1789 usó las chispas de una máquina de fricción que cargaba botellas de Leyden.

En 1789, dos químicos neerlandeses, el comerciante de Ámsterdam Adriaan Paets van Troostwijk y el médico Jan Rudolph Deiman, publicaron en el Journal de physique que habían transformado el agua en «aire inflamable» y «aire vital», es decir, hidrógeno y oxígeno, mediante descargas eléctricas. Hacían pasar por el agua las descargas de una gran máquina de fricción, acumuladas en botellas de Leyden. El constructor de instrumentos John Cuthbertson fabricó su aparato. Las cantidades de gas eran mínimas, y el historiador E. L. Scott señala que no pudieron demostrar de forma concluyente qué gases habían obtenido. Con Cuthbertson, el médico inglés George Pearson repitió los ensayos en la década de 1790 y dio una prueba más convincente. En Haarlem, Martinus van Marum diseñó en 1791 un aparato para mostrar en el Teylers Museum el proceso inverso: el hidrógeno y el oxígeno, encendidos por chispas eléctricas en un matraz de vidrio, formaban agua, y los gases se combinaban en la proporción de dos volúmenes por uno.

La pila cambió la escala del experimento. Alessandro Volta describió su pila en 1800 y, pocas semanas después, William Nicholson y Anthony Carlisle conectaron una pila de 36 pares de medias coronas y discos de cinc, separados por cartón, a dos hilos de latón metidos en un tubo con agua. De un hilo salía hidrógeno mientras el otro se ennegrecía. Con hilos de platino obtuvieron los dos gases.

En 1902 ya funcionaban más de 400 electrolizadores industriales de agua. Algunos fabricaban hidrógeno electrolizando una disolución de sosa cáustica entre electrodos de hierro. La celda alcalina sigue siendo el electrolizador clásico. Las celdas de membrana y las cerámicas de alta temperatura llegaron después, y hoy los electrolizadores van desde equipos del tamaño de un electrodoméstico hasta plantas conectadas directamente a una central eléctrica.