Descomponiendo el agua

Bienvenidos Clusteros a otra nueva entrada del blog, en la que intentaremos aprender alguna que otra cosa, en esta ocasión sobre el agua y su descomposición.

Una de las prácticas más habituales, ya desde tiempos remotos, en el currículum de química de bachillerato es la electrólisis, que generalmente se suele realizar en segundo de bachillerato, más o menos cuando se habla de reacciones red-ox y de pilas.

En más de una ocasión hemos hablado de estos fenómenos en el blog ( buscar red-ox en Cluster), así que no voy a entretenerme especialmente en explicar su significado ahora. Os voy a hablar justamente del proceso contrario.  Un proceso red-ox consiste en el movimiento de electrones de una especie química a otra. La substancia que coge los electrones se reduce y la que los pierde se oxida (de ahí red-ox). No obstante esta reacción siempre tiene lugar en un sentido. Si juntamos hidrógeno (H2) y oxígeno (O2), y propiciamos el ambiente justo (un poco calentito), tendrá lugar la reacción, el hidrógeno cederá su electrón al oxigeno y se formará (redoble de tambores...)...¡¡¡el agua!!

¿Que podemos hacer para que la reacción vaya en sentido contrario?

Ah!!Ese es el proceso espontaneo, aquel en el que la variación de energía de Gibbs es negativo, ¿pero para hacerlo al revés? Entonces será un proceso forzado, y para ello necesito energía, energía eléctrica en este caso. Deberé colocar una pila (con una de 4,5 V es suficiente, aunque yo he utilizado de 6V), conectar esta pila al agua y forzar la reacción inversa, en la cual el oxígeno, muy a su pesar, deber ceder un electrón a cada uno de los hidrógenos. A este proceso inverso se le conoce con el nombre de electrólisis. Electrolisis por que es una ruptura por medio de la electricidad, la ruptura de la molécula de agua (H2O) a moléculas de hidrógeno y oxigeno.

El proceso de la electrólisis ha sido muy explicado, no obstante os voy a proponer diferentes cambios, creo que útiles, y algún consejo práctico. El montaje de la electrolisis es muy conocido, en el siguiente esquema podemos encontrar las semireacciones de reducción y oxidación de las que os hablaba y en el vídeo de pablocovaleda nos lo explica:

En el ánodo se produce siempre la oxidación y en el cátodo la reducción (se puede utilizar la regla nemotécnica de vocales con vocales y consonantes con consonantes), pero en este caso los signos van al revés que en la pila, el ánodo es positivo (atrae lo electrones del oxigeno) y el cátodo negativo (cede los electrones al hidrógeno.

EL EXPERIMENTO DE LA ELECTROLISIS DEL AGUA

Para realizar el experimento necesitaremos, como hemos visto, una pila, dos electrodos, agua, ácido sulfúrico, dos tubos (o dos jeringas), cables con conexión (pinza de cocodrilo) y un vaso o un cristalizador. El montaje queda de la siguiente manera:

Yo os recomiendo el uso de jeringas en lugar de tubos, ya que poseen grandes ventajas. Se han de usar un tipo de jeringas especiales llamadas LUER LOCK. Estas jeringas poseen una rosca, de manera que pueden unirse fácilmente a un tubo o llaves de 3 vías, por lo que podemos conectar otra jeringa.

También nos permite extraer fácilmente los gases obtenidos en la reacción (H2 y O2), que podemos utilizar para realizar otras reacciones, aparte de un llenado más rápido y cómodo del recipiente. Se pueden encontrar en farmacias especializadas para hospitales. Más información sobre jeringuillas aquí.

Aquí tenéis el vídeo con todos los detalles.

¿Qué podemos explicar con esta reacción?

Podemos explicar cómo se puede forzar una reacción para obtener unos productos que son difíciles de obtener en la naturaleza, no en vano esta técnica fue especialmente útil para descubrir gran cantidad de elementos que no se encontraban en la naturaleza en su estado elemental, y aun sigue siendo útil. 

Podemos averiguar de manera sencilla la fórmula empírica del agua, ya que si observamos, obtenemos dos veces más cantidad de hidrógeno, que de oxígeno. Lógico porque la fórmula es H2O y hay el doble de átomos de hidrógeno que de oxigeno. Para realizar este razonamiento nos basamos en la hipótesis de Avogadro de los gases: Volúmenes iguales de gases diferentes, en las mismas condiciones de presión y temperatura contienen el mismo número de moléculas.

Es necesario indicar que se ha utilizado electrodos de platino para realizar la electrolisis, puesto que si realiza con electrodos de grafito (más habituales) el oxígeno generado reacciona con el carbono generando dióxido de carbono y monóxido de carbono, no pudiéndose apreciar apreciar la relación 2:1 de los gases. 

Podemos explicar qué es una reacción red-ox, y una semireacción y calcular a partir de los semipotenciales de reducción y oxidación, el potencial de reducción estándar de la reacción y observar que es negativa, y por lo tanto no espontánea.

¿Y por qué se ha de añadir ácido sulfúrico? Lo cierto es que también se puede realizar la electrolisis añadiendo otras substancias como sosa, o incluso sal común. El agua es muy mala conductora de la electricidad, por ello necesitamos tener substancias disueltas que den lugar a iones, para que éstos puedan conducir la electricidad.

Espero que os haya sido interesante o útil, y un saludo bien grande hasta el próximo artículo sobre otro juguete científico, el hand boiler.

Sergio

PD: Quiero dar las gracias a Fina Guitart del CDEC y a Lluís Nadal por prestarme los electrodos de platino para la realización del vídeo y a Josep Corominas por darme a conocer por primera vez la jeringas Luer Lock.