Elettrolisi dell’acqua · The Last Codex

L'elettrolisi dell'acqua fa passare una corrente elettrica nell'acqua per scomporla in idrogeno e ossigeno, che salgono in bolle ai due elettrodi, con il doppio di idrogeno rispetto all'ossigeno. Due chimici olandesi descrissero nel 1789 la scomposizione dell'acqua con scariche elettriche; la pila di Volta ne fece un processo continuo nel 1800, e oggi è uno dei modi di produrre idrogeno.

Che cos’è

L’elettrolisi dell’acqua è la scomposizione dell’acqua nei suoi due elementi per mezzo di una corrente elettrica. Due elettrodi sono immersi nell’acqua e collegati a una sorgente di corrente continua. Sull’elettrodo negativo si formano bolle di idrogeno e su quello positivo bolle di ossigeno; il volume dell’idrogeno è circa il doppio di quello dell’ossigeno, la proporzione in cui i due gas si combinano per dare acqua.

Il processo trasforma energia elettrica in energia chimica immagazzinata nei gas. Bruciare l’idrogeno, o ricombinarlo con l’ossigeno in una cella a combustibile, ne restituisce una parte. L’industria produce idrogeno e ossigeno negli elettrolizzatori, pile di celle in cui un separatore tiene divisi i due gas.

Come funziona

L’acqua pura conduce malissimo l’elettricità, perciò la si rende conduttrice sciogliendovi un po’ di acido, di base o di sale. Nel liquido la corrente è portata dagli ioni, particelle cariche che migrano verso l’elettrodo di segno opposto.

All’elettrodo negativo, il catodo, gli elettroni del circuito trasformano gli ioni idrogeno o l’acqua in idrogeno gassoso. All’elettrodo positivo, l’anodo, si libera ossigeno e gli elettroni tornano nel circuito. I due gas compaiono solo sulla superficie degli elettrodi, mai nel liquido che li separa.

Sezione di una moderna cella di elettrolisi alcalina: due elettrodi metallici affacciati ai lati di un separatore poroso in un liquido, con bolle di idrogeno da una parte e di ossigeno dall’altra che salgono verso uscite separate In una cella alcalina un separatore poroso lascia passare la corrente nel liquido ma tiene divisi idrogeno e ossigeno.

Il materiale degli elettrodi conta. Platino e oro non vengono attaccati e liberano entrambi i gas. Anche la grafite, la mina di una matita, libera un gas a ciascun elettrodo, ma a poco a poco si consuma. Nel tubo d’acqua di Nicholson e Carlisle un filo di ottone anneriva dove il platino liberava gas. Le celle alcaline industriali hanno usato elettrodi di ferro, acciaio e nichel; il nichel è tra i metalli che resistono meglio alla soluzione alcalina. Un cloruro disciolto, come il sale da cucina, libera all’elettrodo positivo cloro, un gas tossico, al posto dell’ossigeno.

Gli elettrolizzatori industriali sono di tre tipi principali. Le celle alcaline usano una soluzione di idrossido di potassio o di sodio con un separatore poroso. Le celle a membrana a scambio protonico impiegano un sottile strato di plastica solida che lascia passare solo gli ioni idrogeno. Le celle a ossido solido usano una ceramica che conduce gli ioni ossigeno e funzionano a temperature molto alte, dove il calore di un’altra fonte può sostituire parte dell’elettricità.

Come si fa

Due matite temperate alle due estremità infilate in un cartoncino appoggiato su un bicchiere d’acqua, con la punta inferiore nel liquido e quella superiore stretta dalle pinze di una pila da 9 volt, e bollicine sottili che salgono da entrambe le mine Due mine di matita e una pila da 9 volt bastano a scomporre l’acqua; le bollicine sono più fitte sulla mina negativa.

Servono due matite di legno, un temperamatite, un cartoncino rigido, due cavetti con morsetti a coccodrillo, una pila da 9 volt, un bicchiere d’acqua e un po’ di sale inglese (solfato di magnesio). Usate il sale inglese e non il sale da cucina, che libererebbe cloro.

Temperate le due matite alle due estremità finché la mina sporge. Sciogliete il sale inglese nell’acqua. Infilate le matite nel cartoncino e appoggiate il cartoncino sul bicchiere, in modo che le punte inferiori siano nell’acqua senza toccarsi. Collegate ciascun polo della pila alla punta superiore di una matita con un cavetto.

Dalle due mine salgono bollicine sottili, più numerose sulla matita collegata al polo negativo: è l’idrogeno. Scambiate i due morsetti sulla pila e il flusso più fitto passa all’altra matita. Osservate per qualche minuto, poi staccate la pila. Le punte delle matite si consumano a poco a poco durante la prova.

Sicurezza. Mescolato all’aria, l’idrogeno esplode se acceso e brucia con una fiamma quasi invisibile. Tenete fiamme e scintille lontano dal bicchiere e lasciate che le bollicine si disperdano: non raccogliete mai il gas in una provetta o in un recipiente chiuso.

Storia ed evoluzione

Una grande macchina elettrica a strofinio della fine del Settecento: un disco di vetro girato da una manovella tra cuscinetti di cuoio, un conduttore di ottone su piedi di vetro e accanto una batteria di bottiglie di Leida in una cassa di legno La scomposizione dell’acqua del 1789 usò le scintille di una macchina a strofinio che caricava bottiglie di Leida.

Nel 1789 due chimici olandesi, il mercante di Amsterdam Adriaan Paets van Troostwijk e il medico Jan Rudolph Deiman, riferirono sul Journal de physique di aver trasformato l’acqua in “aria infiammabile” e “aria vitale”, cioè idrogeno e ossigeno, con scariche elettriche. Facevano attraversare l’acqua dalle scariche di una grande macchina a strofinio, accumulate in bottiglie di Leida. Il costruttore di strumenti John Cuthbertson realizzò il loro apparecchio. Le quantità di gas erano minime, e lo storico E. L. Scott osserva che non riuscirono a dimostrare in modo conclusivo quali gas avessero ottenuto. Con Cuthbertson, il medico inglese George Pearson ripeté le prove negli anni Novanta del Settecento e ne diede una dimostrazione più convincente. A Haarlem, Martinus van Marum progettò nel 1791 un apparecchio per mostrare al Teylers Museum il processo inverso: idrogeno e ossigeno, accesi da scintille elettriche in un pallone di vetro, formavano acqua, e i gas si combinavano nel rapporto di due volumi a uno.

La pila cambiò la scala dell’esperimento. Alessandro Volta descrisse la sua pila nel 1800 e poche settimane dopo William Nicholson e Anthony Carlisle collegarono una pila di 36 coppie di mezze corone e dischi di zinco, separate da cartone, a due fili di ottone immersi in un tubo pieno d’acqua. Da un filo usciva idrogeno mentre l’altro anneriva. Con fili di platino ottennero entrambi i gas.

Nel 1902 erano già in funzione più di 400 elettrolizzatori industriali. Alcuni producevano idrogeno elettrolizzando una soluzione di soda caustica tra elettrodi di ferro. La cella alcalina resta l’elettrolizzatore classico. Le celle a membrana e quelle ceramiche ad alta temperatura sono arrivate più tardi, e oggi gli elettrolizzatori vanno da apparecchi grandi come un elettrodomestico a impianti collegati direttamente a una centrale elettrica.