Electrólisis del agua: qué es, procedimiento, técnicas, para qué sirve
¿Qué es la electrólisis del agua?
La electrólisis del agua es la descomposición del agua en sus componentes elementales mediante la aplicación de una corriente eléctrica. Al procederse, se forman sobre dos superficies inertes hidrógeno y oxígeno molecular, H2 y O2. Estas dos superficies son más conocidas por el nombre de electrodos.
Teóricamente, el volumen de H2 formado debe ser el doble que el volumen de O2, pues la molécula de agua tiene una proporción H/O igual a 2, es decir, dos H por cada oxígeno.
Dicha relación se comprueba directamente con su fórmula química, H₂O. Sin embargo, muchos factores experimentales influyen sobre los volúmenes obtenidos.
Si la electrólisis se realiza dentro de unos tubos sumergidos en agua, la columna de agua de menor altura corresponde al hidrógeno, ya que hay mayor cantidad de gas ejerciendo presión sobre la superficie del líquido. Las burbujas rodean a los electrodos y terminan ascendiendo tras vencer la presión de vapor del agua.
Nótese que los tubos se encuentran separados uno del otro, de tal manera que haya una baja migración de los gases de un electrodo al otro.
A bajas escalas, esto no representa un riesgo inminente, pero a escalas industriales, la mezcla gaseosa de H2 y O2 es altamente peligrosa y explosiva.
Reacción de electrólisis
La electrólisis del agua involucra muchos aspectos complejos. No obstante, en términos generales, su base descansa en una simple reacción global:
2H2O(l) => 2H2(g) + O2(g)
Tal como se observa en la ecuación, intervienen dos moléculas de agua: una de ordinario debe reducirse, o ganar electrones, mientras que la otra debe oxidarse o perder electrones.
El H2 es producto de la reducción del agua, debido a que la ganancia de electrones promueve que los protones H+ puedan unirse covalentemente, y que el oxígeno se transforme en OH–.
Por lo tanto, el H2 se produce en el cátodo, el cual es el electrodo donde ocurre la reducción.
Mientras que el O2 proviene de la oxidación del agua, debido a que pierde los electrones que le permiten enlazarse al hidrógeno, y en consecuencia libera protones H+.
El O2 se produce en el ánodo, electrodo donde ocurre la oxidación, y a diferencia del otro electrodo, el pH alrededor del ánodo es ácido y no básico.
Reacciones de semiceldas
Lo anterior puede resumirse con las siguientes ecuaciones químicas para las reacciones de semiceldas:
2H2O + 2e– => H2 + 2OH– (Cátodo, básico)
2H2O => O2 + 4H+ + 4e– (Ánodo, ácido)
Sin embargo, el agua no puede perder más electrones (4e–) de los que gana la otra molécula de agua en el cátodo (2e–). Por lo tanto, la primera ecuación debe multiplicarse por 2, y luego sustraerse con la segunda ecuación para obtener la ecuación neta:
2(2H2O + 2e– => H2 + 2OH–)
2H2O => O2 + 4H+ + 4e–
6H2O => 2H2 + O2 + 4H+ + 4OH–
Pero 4H+ y 4OH– forman 4H2O, por lo que estos eliminan cuatro de las seis moléculas de H₂O quedando dos. El resultado es la reacción global recién planteada.
Las reacciones de semiceldas cambian con los valores de pH, las técnicas, y además tienen asociados potenciales de reducción u oxidación, los cuales determinan cuánta corriente necesita suministrarse para que la electrólisis del agua proceda espontáneamente.
Técnicas
Las técnicas de electrólisis del agua varían en función de la cantidad de H2 y O2 que se plantea generar.
Ambos gases son muy peligrosos si se mezclan juntos, y por eso las celdas electrolíticas conllevan diseños complejos para reducir al mínimo el aumento de las presiones gaseosas y su difusión por el medio acuoso.
Asimismo, las técnicas oscilan dependiendo de la celda, del electrolito añadido al agua, y de los propios electrodos. Por otro lado, algunas implican que la reacción se realice a temperaturas más altas, disminuyendo el consumo de electricidad, y otras el uso de enormes presiones para mantener el H2 almacenado.
Entre todas las técnicas, se pueden mencionar las siguientes tres:
Electrólisis con agua alcalina
La electrólisis se lleva a cabo con soluciones básicas de los metales alcalinos (KOH o NaOH). Con esta técnica ocurren las reacciones:
4H2O(l) + 4e– => 2H2(g) + 4OH–(ac)
4OH–(ac) => O2(g) + 2H2O(l) + 4e–
Como puede observarse, tanto en el cátodo como en el ánodo, el agua tiene un pH básico. Además, los OH– migran hacia el ánodo donde se oxidan a O2.
Electrólisis con membrana electrolítica de polímero
En esta técnica se utiliza un polímero sólido que sirve como membrana permeable para los H+, pero impermeable para los gases. Esto garantiza una mayor seguridad durante la electrólisis.
Las reacciones de semiceldas para este caso son:
4H+(ac) + 4e– => 2H2(g)
2H2O(l) => O2(g) + 4H+(ac) + 4e–
Los iones H+ migran desde el ánodo hacia el cátodo, donde se reducen para convertirse en H2.
Electrólisis con óxidos sólidos
Muy diferente a las otras técnicas, esta emplea óxidos como electrolitos, los cuales a altas temperaturas (600-900º C) funcionan como medio de transporte del anión O2-.
Las reacciones son:
2H2O(g) + 4e– => 2H2(g) + 2O2-
2O2- => O2(g) + 4e–
Nótese que esta vez son los aniones óxidos, O2-, los que viajan hasta el ánodo.
¿Para qué sirve la electrólisis del agua?
La electrólisis del agua produce H2 (g) y O2 (g). Aproximadamente, el 5% del gas hidrógeno producido en el mundo se realiza mediante la electrólisis del agua.
El H2 es un subproducto de la electrólisis de las disoluciones acuosas de NaCl. La presencia de la sal facilita la electrólisis al aumentar la conductividad eléctrica del agua.
La reacción global que tiene lugar es:
2NaCl + 2H2O => Cl2 + H2 + 2NaOH
El hidrógeno producido en la electrólisis se puede usar en la industria química actuando en reacciones de adicción, en procesos de hidrogenación o como un agente reductor en procesos de reducción.
La electrólisis del agua se utiliza también para generar oxígeno en la Estación Espacial Internacional, la cual sirve para mantener una atmósfera de oxígeno en la estación.
El hidrógeno se puede utilizar en una célula combustible, método para almacenar energía, y usar el agua que se genera en la célula para el consumo de los astronautas.
Referencias
- Electrolysis of water. Recuperado de en.wikipedia.org
- Hydrogen production: electrolysis. Recuperado de energy.gov