La electrolisis del agua.

Hoy le toca el turno a la " electrolisis del agua " que, como sabéis, y os contamos además en anteriores entradas, fue una de las experiencias que se mostraron en la Inauguración del Año Internacional de la Química en nuestro instituto.

Antes de proceder a detallaros cómo se realizó la experiencia, nos parece adecuado hacer referencia a algunos aspectos históricos, a nuestro juicio de interés, para comprender la relevancia del fenómeno químico que se comprueba con la demostración que se lleva aquí a cabo. Además, todo ello quedó así contado en el acto de inauguración.

Podemos, de este modo, remontarnos a la época de la Antigua Grecia para darnos cuenta de que fueron los griegos los primeros en describir el agua de manera científica. Así, hace más de 2000 años plantearon que todo lo observable estaba constituido a partir de cuatro elementos: agua, aire, tierra y fuego. Poco a poco los filósofos por un lado,  y los alquimistas (ancestros de los químicos) por otro, comenzaron a estudiar los componentes de la tierra y del aire. Se sabía que el aire contenía muchos gases y, en particular, vapor de agua; sin embargo, ignoraban qué constituía el agua. En 1781 el químico inglés Joseph Priestley logró fabricar agua quemando hidrógeno. Algunos años más tarde, el físico y químico, también inglés, Henry Cavendish, mostró que el agua estaba compuesta de dos cuerpos simples: hidrógeno y oxígeno. Para demostrarlo hizo saltar una chispa eléctrica, utilizando una máquina electrostática, en el seno de una mezcla formada por los gases hidrógeno y oxígeno encerrada en una campana hermética. Cavendish observó que en las paredes del recipiente se habían formado unas gotitas que, después de ser analizadas, resultaron ser de agua. En 1783 el químico francés Antoine Lavoisier, considerado por muchos el padre de la Química moderna, se enteró del experimento y rápidamente se interesó por él y se propuso reproducirlo. Así fue como, el 24 de junio de ese año, ante el rey Luis XVI, realizó una demostración utilizando dos depósitos que contenían los gases hidrogeno y oxígeno. Después de mezclar ambos gases en un recipiente hermético les aplicó una descarga eléctrica y el resultado fueron unas gotas de agua. Además, Lavoisier fue el primero capaz de descomponer el agua haciéndola pasar por hierro al rojo; llegó así a la conclusión de que estaba formada por una parte de “aire inflamable” – más tarde llamado hidrógeno – y siete partes de oxígeno. Hubo que esperar hasta 1800, con la invención de la pila por el físico italiano Alessandro Volta, para llegar a descomponer el agua haciendo circular corriente eléctrica continua por su interior y, de esta manera, comprobar su verdadera composición. Entonces, los químicos descubrieron que para sintetizar agua había de combinarse un determinado volumen de gas oxígeno con el doble de dicho volumen de gas hidrógeno, razón por la que la fórmula de la molécula de agua es H₂O.

En cuanto a cómo se realizó la experiencia os lo detallamos a continuación.

Con esta experiencia se pretende seguir el proceso inverso a la experiencia de Lavoisier y obtener hidrógeno y oxígeno a partir de agua. Para ello, el único elemento común entre las dos experiencias es la necesidad de emplear electricidad. Si bien en el caso de Lavoisier una pequeña descarga iniciaba el proceso, en nuestro caso necesitaremos un aporte continuo de esta energía.

Para llevar a cabo la experiencia disponemos de un voltámetro de Hoffman que nos permitirá descomponer el agua en sus elementos y saber en qué proporción se encuentran. Para ello vertemos agua destilada, a la que hemos añadido una pequeña cantidad de ácido sulfúrico,  en el interior del voltámetro, y hacemos que circule corriente eléctrica a través de esta disolución ácida que recibe el nombre de electrolito. El agua pura es una pésima conductora de la electricidad, razón por la que le añadimos el ácido ya que éste contribuye a mejorar la conductividad. Mediante la corriente eléctrica aportamos al agua la energía necesaria para que se produzca una transformación en la que por cada dos moléculas de agua en estado líquido se obtienen dos moléculas de hidrógeno  gaseoso y una molécula de oxígeno, también ésta en estado gas. En la bureta conectada al electrodo positivo –ánodo- de la fuente de alimentación se produce el  oxígeno  que, por ser menos denso que la disolución líquida, la desplazará pasando a ocupar  la parte superior. En la bureta conectada al electrodo negativo –cátodo- el gas recogido es el hidrógeno.

 Las semirreacciones en cada electrodo son:

                  Ánodo (electrodo positivo) :  4 OH^- (ac)       →  O₂ (g) + 2 H₂O (l) + 4 e^-
Cátodo (electrodo negativo) :     4 H⁺ (ac) + 4 e^-   →  2 H₂ (g)

Reacción química de oxidación-reducción:          

2H₂O(l) → O₂(g)  +  2H₂(g)                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                             

Comprobamos, mediante la lectura de la escala en unidades de volumen correspondiente a cada bureta, que el volumen que ocupa el hidrógeno gaseoso recogido es doble comparado con el del gas oxígeno obtenido también en la experiencia.

Finalmente intentamos conseguir alguna evidencia que nos demuestre la naturaleza de los gases encerrados en cada bureta. Para ello acercamos a la que contiene el oxígeno una cerilla encendida. Abrimos la llave y concluimos que se trata de dicho gas pues la llama se aviva . Para comprobar la existencia de hidrógeno en la otra bureta intentamos  la reacción inversa a la electrolisis del agua: la síntesis del agua. Abrimos entonces la llave del tubo que contiene el hidrógeno y lo recogemos en un tubo de ensayo invertido. Acercamos la llama de una cerilla (energía de activación) y el  hidrógeno reacciona con el oxigeno del aire liberándose ahora una energía que produce un estallido peculiar. Lo que se produce es vapor de agua que, al entrar en contacto con las paredes del tubo de ensayo, se enfría hasta condensar, pudiendo así visualizar la existencia de pequeñas gotitas en dichas paredes.

Y para dejar constancia de lo que aquí os contamos, os mostramos ahora un par de fotos y el vídeo grabado durante el desarrollo de la experiencia.

Vayamos ahora con el vídeo.

 Nos vemos en la próxima entrada, que esperamos no se demore demasiado, pues  aún tenemos más cosas que contaros en relación con la Inauguración del Año Internacional de la Química.