Electrólisis del agua Guía

QuímicaIntermedioTiempo de lectura: 4 min

Resumen

El agua es esencial para nuestra vida, pero ¿alguna vez te has preguntado qué energía se oculta dentro de las moléculas de agua? Al 'electrificar' el agua, podemos forzar la descomposición de las moléculas de agua en hidrógeno y oxígeno. Esto no es solo una reacción química fundamental, sino también la piedra angular de la futura sociedad del hidrógeno verde. Este experimento te guiará a través de todo el proceso de electrólisis del agua y te ayudará a verificar la mágica relación de volumen $2:1$ .

Antecedentes

La composición de las moléculas de agua fue una vez un gran misterio en la historia de la química. En 1800, apenas unas semanas después de la invención de la pila voltaica, los científicos británicos William Nicholson y Anthony Carlisle descubrieron accidentalmente que cuando la corriente eléctrica pasa a través del agua, se forman burbujas en la superficie de los electrodos. Este descubrimiento demostró por primera vez que el agua no es un 'elemento' único, sino un compuesto que puede descomponerse. Posteriormente, el renombrado químico Michael Faraday resumió las leyes de la electrólisis a través de extensos experimentos, sentando las bases de la electroquímica.

Conceptos clave

Electrólisis

Un proceso en el que la corriente eléctrica pasa a través de una solución o electrolito fundido, causando reacciones de oxidación-reducción en ambos electrodos y resultando en descomposición química. Este proceso convierte la energía eléctrica en energía química.

Cátodo

El electrodo conectado al terminal negativo de la fuente de alimentación. En el cátodo, los iones de hidrógeno (o moléculas de agua) en el agua ganan electrones y sufren reducción, produciendo gas hidrógeno.

Ánodo

El electrodo conectado al terminal positivo de la fuente de alimentación. En el ánodo, los iones hidróxido (o moléculas de agua) pierden electrones y sufren oxidación, produciendo gas oxígeno.

Reacción de Descomposición

2\text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{electricidad}} 2\text{H}_2 \uparrow + \text{O}_2 \uparrow

Una reacción en la que una sustancia se descompone en dos o más sustancias diferentes. La electrólisis del agua es una reacción de descomposición típica.

Fórmulas y derivación

Ecuación General de la Electrólisis del Agua

2H_2O \xrightarrow{\text{electricidad}} 2H_2\uparrow + O_2\uparrow

Bajo la influencia de la corriente continua, cada

2

moléculas de agua se descomponen para producir

2

moléculas de hidrógeno y

1

molécula de oxígeno.

Relación de Volumen de los Productos

V(\text{H}_2) : V(\text{O}_2) = 2 : 1

A la misma temperatura y presión, dado que la relación de moléculas producidas es

2:1

, según la ley de Avogadro, la relación de volumen también es

2:1

Pasos del experimento

1
Preparación del Experimento
Observa el montaje experimental: dos tubos de ensayo llenos de agua están invertidos en el tanque de agua. Haz clic en 'Rellenar Tubos' para asegurarte de que no haya aire dentro de los tubos. ¿Por qué los tubos de ensayo deben estar completamente llenos de agua?
2
Configurar el Voltaje
Arrastra el control deslizante de 'Voltaje CC'. El voltaje de descomposición teórico del agua es aproximadamente $1.23\text{V}$ . Se recomienda configurarlo entre $6\text{V}$ y $12\text{V}$ para acelerar la reacción. Observa si se producen burbujas cuando el voltaje es insuficiente.
3
Iniciar y Observar
Haz clic en 'Encender'. Observa cuidadosamente la velocidad de producción de burbujas en ambos electrodos: ¿cuál electrodo (positivo o negativo) produce burbujas más rápido y en mayor cantidad?
4
Descubrir la Relación de Volumen
Espera un momento y compara los volúmenes de gas recogidos en los dos tubos de ensayo. Intenta estimar cuántas veces mayor es el volumen en un tubo comparado con el otro. ¿Coincide esto con tus expectativas?

Resultados del aprendizaje

Confirmar que el agua está compuesta por elementos de hidrógeno y oxígeno, lo que la convierte en un compuesto y no en un elemento.
Verificar que la relación de volumen de hidrógeno a oxígeno producido por la electrólisis del agua es consistentemente de aproximadamente $2:1$ .
Comprender cómo la energía eléctrica impulsa reacciones químicas no espontáneas (reacciones de oxidación-reducción).
Dominar el método de probar oxígeno con una astilla incandescente e hidrógeno con una astilla ardiendo.

Aplicaciones reales

Producción de Hidrógeno Verde: Usar energía eólica o solar para electrolizar agua produce 'hidrógeno verde' como combustible limpio de cero emisiones.
Sistemas de Soporte Vital: En submarinos o la Estación Espacial Internacional, la electrólisis del agua es una tecnología clave para reciclar y regenerar oxígeno para mantener la supervivencia de los astronautas.
Electrochapado Industrial: Usar el principio de electrólisis para recubrir superficies metálicas con oro, plata, cromo, etc., para protección contra la corrosión o propósitos estéticos.
Refinación de Metales: Extraer o purificar metales de alta pureza como aluminio, cobre y magnesio mediante electrólisis es fundamental en la industria metalúrgica moderna.

Errores comunes

Error

La relación de masa del hidrógeno y oxígeno producidos por la electrólisis del agua es

2:1

Correcto

Incorrecto. La relación

2:1

se refiere al conteo molecular y la relación de volumen. Basado en cálculos de masa molar (hidrógeno es

2

, oxígeno es

32

), la relación de masa debería ser

H_2 : O_2 = (2 \times 2) : (1 \times 32) = 1 : 8

Error

Se puede producir energía ilimitada a través de la electrólisis del agua

Correcto

Incorrecto. La electrólisis del agua es un proceso que absorbe energía (reacción no espontánea). La energía liberada al quemar el hidrógeno producido nunca superará la energía eléctrica consumida en la electrólisis, de acuerdo con la ley de conservación de la energía.

Lectura adicional

¿Listo para empezar?

Ahora que entiendes lo básico, ¡comienza el experimento interactivo!

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