Materie prime: l'Acqua 1.0 (l'elettrolisi)

L'elettrolisi dell'acqua è un processo elettrolitico nel quale il passaggio di corrente elettrica causa la scomposizione dell'acqua in ossigeno ed idrogeno gassosi. Dal punto di vista etimologico, il termine elettrolisi è composto dal prefisso elettro- (elettricità) e da lisi (separazione).

Come funziona: la cella elettrolitica è in genere composta da due elettrodi di un metallo inerte, (es.  platino) immersi in una soluzione elettrolitica e connessi ad una sorgente di corrente. La corrente elettrica dissocia la molecola d'acqua negli ioni H+ e OH-.

Al catodo gli ioni idrogeno (H+) acquistano elettroni in una reazione di riduzione che porta alla formazione di idrogeno gassoso

2 H+ + 2 e- → H2

All'anodo, gli ioni idrossido (OH-) subiscono ossidazione, cedendo elettroni:

4 OH- - 4 e- → 4 OH → 2 H2O + O2

Si formerà quindi un volume di idrogeno quasi doppio del volume di ossigeno (in quanto secondo la legge dei gas perfetti il numero di moli e il volume sono in proporzionalità diretta), quindi l'idrogeno avendo il doppio delle moli e il volume molare dell'idrogeno è di 11,42 × 10−3  m³/mol, mentre per l'ossigeno è di 17,36 × 10−3  m³/mol, quindi per l'idrogeno si ha quasi il doppio del volume dell'ossigeno. Quindi cosa succede? La corrente esce dall'alimentatore e riesce a fluire nei due cilindri grazie al liquido presente nel voltametro di Hoffman (soluzione elettrolitica). Come conseguenza del passaggio di corrente, si nota un fenomeno di effervescenza, cioè il formarsi di bolle di gas alla base dei due cilindri, in corrispondenza degli elettrodi: l'acqua si scinde nei due gas costituenti, idrogeno ed ossigeno. L'idrogeno appare al catodo (l'elettrodo caricato negativamente da cui gli elettroni vengono immessi nell'acqua), mentre all'anodo (l'elettrodo caricato positivamente, in cui vengono assorbiti gli elettroni provenienti dall'acqua) si sviluppa ossigeno. Essendo leggeri, i gas si accumulano nella parte superiore dei rispettivi cilindri, all'aumentare dell'energia potenziale (agendo sulla manopola dell'alimentatore) si nota un corrispondente aumento della quantità di gas sviluppati. In condizioni ideali, si può notare che la quantità di idrogeno è approssimativamente doppia di quella dell'ossigeno, poiché il livello del liquido nei cilindri si abbassa a causa della pressione del gas contenuto nella parte superiore. Per verificare che il gas sviluppatosi al catodo sia proprio l'idrogeno (estremamente infiammabile), bisogna avvicinare un fiammifero acceso al rubinetto aperto del cilindro catodico e si osserva effettivamente una fiamma. La decomposizione dell'acqua in idrogeno ed ossigeno in condizioni standard è una reazione sfavorita in termini termodinamici, poiché entrambe le semi reazioni che intervengono hanno potenziali negativi.

Anodo (ossidazione): 2H2O(l) → O2(g) + 4H+(aq) + 4e- E0rid= 1,229 VCatodo (riduzione): 4H2O + 4e- → 2H2 + 4OH- E0rid= -0,830 V

Utilizzando l'equazione \Delta G = -nFE, l'energia libera di Gibbs per il processo in condizioni standard vale 474,4 kJ/mol, il che traduce la non spontaneità della reazione.

Detto ciò, non voglio farvi tempo con formule su formule che ci incasinano la testa, non vogliamo fare i chimici, ma la birra. A questo proposito, ho realizzato un video per andare a vedere, nella pratica, cosa succede all’acqua quando la andiamo a scomporre. Ho preso due campioni di acqua differenti e gli ho analizzati facendo l’elettrolisi.
Per essere più corretti, i due campioni di acqua sono identici, come identica è la sorgente da cui sono stati prelevati, cioè il rubinetto della mia cucina. La differenza sta semplicemente nella depurazione dell’acqua. Il primo campione infatti, è stato prelevato direttamente dal miscelatore del lavello, mentre il secondo è stato prelevato da un altro “rubinettino”, collegato alla stessa sorgente d’acqua, ma che passa da un depuratore ad osmosi inversa (come ho accennato nell’articolo “Materie prime: l’acqua”) montato sotto il lavello della mia cucina. Con questo non voglio dirvi di comprare un  depuratore o altro, ma solo far notare la differenza che esiste tra acqua e acqua.

 

Come si può notare dal video, dando corrente allo strumento per l’elettrolisi, in entrambi i campioni, iniziano a crearsi delle bollicine gassose dovute alla scomposizione degli elementi presenti nell’acqua, ma, mentre nell’acqua del  “rubinetto” si forma immediatamente una schiuma “colorata” (vi assicuro che in altre occasioni ho visto diventare l’acqua persino marrone), l’acqua “osmosi” rimane abbastanza limpida (il  100% di purezza nell’ambito casalingo è un po’ difficile). Si intravedono delle bollicine nelle vicinanze dell’anodo e del catodo a causa del processo in atto, ma la differenza della torbidità dell’acqua mi sembra palese. Per provare se l’acqua è ideale oppure no, potete provare anche con dei semplici Kit per la prova del Ph o della “durezza”.

Per avere una buona riuscita della birra non è necessario avere un depuratore (io lo usavo già normalmente per uso domestico e lo uso anche per la birra), come non è necessario dare una elevata importanza all’acqua, ma nemmeno sottovalutarla troppo. Noterete che con materie prime migliori, migliore sarà anche la qualità della vostra birra…a partire dall’acqua.