Informazioni su questo esperimento
Fai passare una corrente elettrica attraverso l’acqua e questa si scinde nei suoi elementi. In un voltametro di Hofmann, i gas si raccolgono in due tubi graduati: l’idrogeno sopra l’elettrodo negativo, l’ossigeno sopra quello positivo, e sempre una quantità di idrogeno circa doppia rispetto a quella dell’ossigeno. Aumenta la tensione, cambia la soluzione, aggiungi un indicatore universale per osservare la formazione di acido e alcali agli elettrodi e verifica ciascun gas con uno stecchino incandescente.
Obiettivi di apprendimento
- Identifica i prodotti al catodo e all’anodo quando l’acqua viene sottoposta a elettrolisi
- Spiega perché il volume di idrogeno è doppio rispetto al volume di ossigeno
- Spiega perché all’acqua pura deve essere aggiunto un elettrolita, come il solfato di sodio
- Scrivi le semireazioni a ciascun elettrodo
- Calcola i volumi dei gas a partire dalla corrente e dal tempo usando la costante di Faraday
Come si usa
- 1Scegli acqua pura e accendi l’apparecchio a 6 V. Che cosa noti riguardo alla corrente? Poi scegli una soluzione di solfato di sodio.
- 2Raccogli il gas per alcuni minuti. Leggi i valori su entrambi i tubi e confronta i volumi.
- 3Verifica il gas presente in ciascuna provetta con uno stecco acceso. Quale gas produce un piccolo scoppio e quale riaccende uno stecco incandescente?
- 4Dopo aver aggiunto l’indicatore universale, descrivi il colore vicino a ciascun elettrodo. Quali ioni si formano su ciascuno?
- 5Abbassa la tensione gradualmente. Trova la tensione al di sotto della quale non si forma gas.
- 6Usa la carica trasferita per calcolare le moli di elettroni, poi il volume di idrogeno a 24 L per mole. Confrontalo con quello nella provetta.
Il modello
Ipotesi
- Il gas si forma solo al di sopra di circa 1,8 V: 1,23 V è la tensione minima necessaria alla reazione e gli elettrodi richiedono una tensione aggiuntiva (sovratensione) perché si formino bolle.
- Al di sopra di tale tensione, la corrente è determinata dalla resistenza della soluzione, che dipende dall’elettrolita. L’acqua pura contiene pochissimi ioni e conduce a malapena.
- Ogni elettrone produce gas (efficienza di corrente del 100 %) e nessun gas si dissolve nell’acqua. I volumi sono riferiti a 20 °C e 101,3 kPa.
- Il solfato di sodio, l’acido solforico e l’idrossido di sodio conducono soltanto la corrente. I loro ioni non vengono scaricati, quindi i prodotti sono sempre idrogeno e ossigeno.
- Il tempo scorre più velocemente. A 6 V, il tubo dell’idrogeno si riempie in circa dieci minuti di tempo reale.
Provalo in classe
- Q1Una corrente di 0,5 A scorre per 10 minuti. Quale volume di idrogeno e di ossigeno viene raccolto?
- Q2Perché l’indicatore diventa viola vicino al catodo e rosso vicino all’anodo?
- Q3In un voltametro reale, il volume di ossigeno è spesso leggermente inferiore alla metà del volume di idrogeno. Suggerisci una ragione.
- Q4Perché una soluzione di cloruro di sodio sarebbe una scelta poco adatta come elettrolita per questo esperimento?
- Q5Quanto tempo ci vorrebbe per raccogliere 1 litro di idrogeno con una corrente di 2 A?
Domande frequenti
Perché aggiungere solfato di sodio se non reagisce?
L’acqua pura contiene solo quantità minime di ioni H⁺ e OH⁻, quindi è un pessimo conduttore. Il solfato di sodio fornisce molti ioni che trasportano la corrente attraverso la soluzione, mentre è sempre l’acqua stessa a ossidarsi e ridursi agli elettrodi.
Perché il rapporto tra i volumi è 2 : 1?
Ogni molecola di idrogeno necessita di 2 elettroni e ogni molecola di ossigeno ne libera 4. Attraverso entrambi gli elettrodi passa lo stesso numero di elettroni, quindi si formano il doppio delle molecole di idrogeno. Un ugual numero di molecole di gas occupa volumi uguali (Avogadro), perciò il volume raddoppia.
Che cosa succede con una soluzione di cloruro di sodio?
Gli ioni cloruro vengono ossidati all’anodo al posto dell’acqua, soprattutto in una soluzione concentrata, producendo cloro gassoso tossico. Al catodo continua a formarsi idrogeno. Questo è il processo cloro-soda usato nell’industria, non una dimostrazione sicura da fare in classe.