Electròlisi de l’aigua. Experiment per a Espai Terra de TV3

Segons la següent reacció química té lloc l’electròlisi de l’aigua, és a dir el trencament de la molècula d’aigua mitjançant un corrent elèctric per donar hidrogen i oxigen.

electrolisi_aigua còpiaTal i com es mostra al següent vídeo, acabo de reproduir l’experiment que es va dur a terme per primera vegada el 1800, per William Nicholson i Anthony Carlisle, poc esprés que Volta inventés la primera pila. Mitjançant aquesta reacció d’electròlisi es demostra que l’aigua és un compost i no un element, tal i com defensaven els alquimistes. els personatges que comentem, el 1800, varen ser capaços de descomposar l’aigua  en hidrogen i oxigen, però no va ser fins el 1805 quan el químic francès Gay-Lussac va descobrir que l’aigua està formada per 2 parts d’hidrogen i 1 d’oxigen. És a dir, la molècula d’aigua és H2O.

2 H2O –> 2 H2 + O2

Aquest experiment el vam intentar dur a terme en directe a Espai Terra de TV3, abans d’ahir. I dic que ho vàrem intentar ja que se’ns va trencar un elèctrode i només vam aconseguir que la reacció es donés tímidament (pispant més temps de tele del que teníem 😉 ). Realment en Jordi i en Tomàs, com a bons científics, van ésser molt pacients!

Espaiterra_febrer2013

A l'esquerra, elèctrode trencat (abans del directe es va trencar la soldadura entre el fil de coure -interior del tub de vidre i que aquí veiem a fora- i el de platí que fa d'elèctrode en si, dins la dissolució). A la dreta, en Pep Duran soldant altre cop els dos filaments metàl·lics amb una mica d'estany fos.

A l’esquerra, elèctrode trencat (abans del directe es va trencar la soldadura entre el fil de coure -interior del tub de vidre i que aquí veiem a fora- i el de platí que fa d’elèctrode en si, dins la dissolució). A la dreta, en Pep Duran soldant altre cop els dos filaments metàl·lics amb una mica d’estany fos.

Mitjançant aquest experiment demostrem que la mescla d’hidrogen i oxigen és explosiva, davant d’una flama (recordem la imatge del zepelí Hindenburg en flames). És a dir, la recombinació d’hidrogen i oxigen molecular, per a donar aigua, és una reacció molt exotèrmica, que desprèn molta energia. Per tant, la reacció d’electròlisi inversa pot esdevenir clau per a la cerca de resposta al gran repte energètic que se’ns planteja i, en el camp de l’emmagatzematge d’hidrogen per a aquestes finalitats, desenvolupo la meva Tesi Doctoral a L’Institut de Química Computacional i Catàlisi de la Universitat de Girona. Precisament a Espai Terra vam mostrar el funcionament d’una pila de combustible amb el cas pràctic d’un cotxe que funciona amb motor elèctric que obté l’energia a partir de la reacció d’electròlisi inversa. Aquí el tenim:

L’hidrogen, per tant, pot arribar a esdevenir el combustible del futur?

Gràcies per la foto mentre fèiem el directe, Pau! :)

Gràcies per la foto mentre fèiem el directe, Pau! 🙂

Més info a https://pepquimic.wordpress.com/2011/01/26/electrolisi-i-el-cotxe-que-funciona-amb-aigua-al-1r-carnaval-de-la-quimica/

Física recreativa al Bell-lloc de Girona

Aquest matí de dimecres l’equip de divulgació científica Reacciona… explota! de la Càtedra de Cultura Científica i Comunicació Digital(C4D) de la UdG (en Josep Duran i jo mateix) l’hem passat al col·legi Bell-lloc de Girona.

Els diferents grups de 4t d’ESO del col3legi han pogut aprendre i experimentar la química i la física d’un procés electrolític i de la superconducció, mitjançant els nostres experiments i demostracions de ciència recreativa.

Josep Duran refrigerant la ceràmica superconductora amb N2 per tal de fer la demostració de la levitació d’un imant.

Jo mateix preparant la cel·la electrolítica per observar l’electròlisi de l’aigua, amb l’ajuda d’un estudiant del col·legi.

Josep Duran mostrant el nitrogen líquid als estudiants.

Jo mateix mostrant el funcionament del cotxe que funciona amb una cel·la electrolítica.

Josep Durant fent la demostració de la levitació d’un imant sobre un superconductor tipus YBCO.

Més info a:
Entrada al bloc sobre electròlisi:
Entrada al bloc sobre tot plegat:

Superconducció i Electròlisi a l’aula de Batxillerat

Aquest matí, 23 de febrer de 2011, l’equip de divulgació científica Reacciona… expolota! hem estat a l’INS Ridaura de Castell d’Aro i hem fet dues sessions d’experiments de ciència recreativa i espectacular per als estudiants de 1r i 2n curs de Batxillerat. Hem pogut explicar conceptes de recerca química, física i tècnica tan actuals, i amb tant de futur, com són els processos electrolítics per a la generació d’H2, que s’usarà com a combustible, o la recerca en superconductors d’alta temperatura.

Reacció termita

Reacció aluminotèrmica que allibera gran quantitat d’energia en forma de llum i augment de temperatura. Segons la reacció següent i l’assoliment d’entre 2000 ºC i 3000 ºC de temperatura, el Fe, producte de reacció, és líquid, el qual pot ésser útil per a soldar peces metàl·liques com els nostres 4 claus zincats (aquesta reacció s’ha usat durant molt de temps per a soldar els rails de les vies de tren).

Fe2O3 + 2 Al –> Al2O3 + 2 Fe

Situem la mescla Fe2O3/Al (3:1) sobre un tou de sorra per aïllar la taula i una bengala ens fa de metxa.

En aquesta seqüència podem apreciar com la metxa (bengala) enfonsada a la mescla Fe2O3/Al, proporciona prou energia per a iniciar la reacció termita.

Després de refredar el producte incandescent de reacció, observem que hem aconseguit soldar els 4 claus zincats.

Electròlisi i el cotxe que funciona amb aigua

Després de muntar una cel·la electrolítica i demostrar el caràcter explosiu de la mescla gasosa, H2/O2 (2:1), que se n’obté  hem presentat el nostre cotxe que, amb la seva cel·la electrolítica, en primer lloc reprodueix el mat el mateix procés d’electròlisi per a obtenir els gasos que hem comentat i, després d’acumular-los en els dipòsits, té lloc l’electròlisi inversa per a produir aigua i energia elèctrica que fa moure el motor, i aquest l’eix de que uneix les rodes davanteres del cotxe.

Superconducció

Després d’explicar la teoria de la superconducció, presentar el superconductor YBCO (YBa2Cu3O7) i les seves limitacions per a us quotidià per a conduir electricitat (1: és una ceràmica, per tant no es pot filar, i 2: tot i ésser un superconductor d’ “alta temperatura”, requereix estar refrigerat amb nitrogen líquid per a presentar l’estat de superconducció) hem procedit a mostrar-ne la propietat més sorprenent. L’efecte de levitació d’un imant sobre aquesta ceràmica superconductora.

Josep Duran afegint nitrogen líquid a la placa de petri que ens farà de recipient per a refrigerar la ceràmica superconductora.

Imant cúbic levitant sobre el superconductor YBCO refrigerat en nitrogen líquid. (Observem pètals grocs provinents de l’anterior demostració, en la que hem congelat una flor en pocs segons, submergint-la en nitrogen líquid).

Catàlisi

Per acabar, voldria mostrar una foto d’una de les reaccions químiques estrella de les nostres sessions. La desproporció catalitzada del peròxid d’hidrogen.

2 H2O2 –> 2H2O + O2 (afegint sabó a l’aigua oxigenada -en aquest cas 50 %- i KI com a catalitzador de la reacció, el gran despreniment d’oxigen per unitat de temps infla el sabó creant aquesta gran quantitat d’escuma).

 

Per a més informació sobre les demostracions d’electròlisi que fem:

https://pepquimic.wordpress.com/2011/01/26/electrolisi-i-el-cotxe-que-funciona-amb-aigua-al-1r-carnaval-de-la-quimica/

1r Carnaval de la Química. Electròlisi i el cotxe que funciona amb aigua.

Abans de començar anunciem que aquesta entrada participa a la 1a Edició del Carnaval de al Química, organitzat per Dani Torregrosa, autor del bloc de divulgació científica Ese Punto Azul Palido. Aquest carnaval consisteix en una col·laboració entre la blocosfera química per tal d’editar entrades que parlin d’això, de química. Demà passat, 27 de gener de 2011 (a París tindrà lloc l’acte oficial d’inauguració de l’AIQ2011), al bloc organitzador d’aquest 1r Carnaval es penjaran totes les entrades que s’hi han presentat. Aquesta en serà una d’elles.

En aquesta entrada volem mostrar de quina forma ens agrada explicar l’electròlisi als estudiants de secundària. Quan el nostre equip de divulgació científica (Reacciona… explota!) visita els centres d’ensenyament secundari s’ajuda d’experiments de ciència recreativa per explicar reaccions químiques o processos físics que, sobre paper o pissarra es fan més difícils de visualitzar i, sobretot, són menys divertits d’aprendre. D’aquesta manera per explicar un procés electrolític, deixant de banda tal i com està plasmat als llibres acadèmics, ens agrada mostrar un exemple d’electròlisi en viu, un exemple d’aplicació d’aquest procés i la perillositat que pot comportar. Aquí en tenim els vídeos:

– Comencem explicant un procés electrolític sobre pantalla mitjançant el següent esquema d’una cel·la electrolítica i les 2 reaccions que tenen lloc en el procés.

Fins aquí tot igual que els llibres de text. Però ha arribat l’hora de posar-nos la bata blanca i entrar en acció.

Comencem per fer un muntatge d’una cel·la electrolítica mitjançant un erlenmeyer, una solució salina com a electròlit i uns elèctrodes de platí connectats a la corrent a través d’un transformador a 20-24 V. Aquest és el moment de posar a prova els estudiants per primera vegada proposant-los un enigma. Sabríeu identificar l’ànode del càtode entre aquests 2 elèctrodes?

Els estudiants s’adonaran que a un dels elèctrodes es forma molta més quantitat de gas que a l’altre i, si han estat atents a l’explicació teòrica sabran dir que en l’electròlisi de l’aigua al càtode es forma el doble de volum d’ hidrogen que el d’oxigen que es forma a l’ànode. Per tant al veure en directe el que veiem a la imatge anterior ens diran que l’elèctrode de l’esquerra és el càtode.

– En segon lloc arriba el moment de veure una aplicació pràctica de l’electròlisi. Per aquest motiu portem el nostre petit cotxe que funciona amb aigua i amb energia solar.

La cel·la electrolítica que porta incorporada realitza el procés de l’electròlisi de l’aigua quan la connectem a la placa fotovoltaica sota radiació solar. El cotxe també porta incorporats un parell de dipòsits a la part posterior. Un d’ells té el doble de volum que l’altre (el que contindrà l’hidrogen; d’aquesta manera s’ompliran a la mateixa velocitat) i cadascun d’ells està connectat a un dels elèctrodes de la cel·la mitjançant un tub de goma. Així que quan el procés electrolític té lloc veiem com els gasos productes de l’electròlisi es van acumulant als dipòsits (separadament) i van desplaçant l’aigua que els omplia.

Aquest vídeo mostra el funcionament del nostre cotxe, el mateix que veuen els estudiants de secundària.

– I, finalment, per acabar la xerrada als instituts (i aquesta entrada al bloc) plantegem la darrera qüestió als estudiants:  Si sabem com fer anar un cotxe amb aigua i energia solar, com és que no ho apliquem a gran escala? Seria factible tenir automòbils que funcionessin amb aquesta tecnologia? Podria presentar algun tipus de perill?

Tal i com ens podem imaginar, la resposta va cap a on enfoca la darrera pregunta. Sí que seria factible portar una bombona d’hidrogen al cotxe, captar l’oxigen de l’atmosfera i, mitjançant un procés d’electròlisi inversa, fer funcionar un motor. Però el perill de portar un volum d’hidrogen al cotxe és evident, degut al seu caràcter inflamable i, en combinació amb l’oxigen, explosiu.

Aquí parlem de l’accident del zepelí Hindenburg.

Accident del zepelí Hindenburg. New Jersey, 1937.

I acabem amb la traca final. Davant dels estudiants fent un experiment per mostrar el caràcter explosiu de la mescla H2 i O2 i, per tant, la perillositat de portar a terme el procés a gran escala. Per tal de portar a terme l’experiment acumulem un cert volum de la mescla de gasos en una bombolla de sabó, llavors arriba el moment d’acostar-hi una flama i gaudir de la petita explosió. En aquest vídeo mostrem tot el procés:


Recordem que aquesta entrada participa a la 1a Edició del Carnaval de la Química organitzada per en motiu de la inauguració de l’AIQ2011, el nostre any.

Fractals de Plata

Denari romà de plata encunyat al 77-78 d.C. amb el cap llorejat del cèsar corresponent, a la cara, i la lloba alletant Ròmul i Rem, fundadors de Roma segons la tradició romana, a la creu.

La Plata o Argent (Ag) és un metall de transició molt dúctil i mal·leable, per aquest motiu s’ha utilitzat des de l’antiguitat per a l’encunyació de monedes, igual que el seu veí a la taula periòdica, lor (Au).

Faig referència a la plata perquè avui recordo un bonic experiment on vàrem generar estructures fractals d’aquest metall. En el següent vídeo que vaig gravar al laboratori, i les fotos que l’acompanyen, queda reflectit el procés electrolític en qüestió.

Muntatge de l’experiment. Submergim els 2 elèctrodes connectats a transformador a 20 V a la solució de nitrat de plata.

Electrodeposició d’estructures fractals de plata pura degudes al creixement dendrític d’aquest metall sobre la superfície de la solució, pel procés electrolític.

En aquest experiment té lloc un procés d’electrodeposició de plata amb creixement dendrític (en una entrada anteror al bloc vaig presentar ekl creixement dendrític del KMnO4), el qual forma unes boniques estructures fractals del metall a l’interfase aire-aigua. El procediment que s’ha de seguir és el següent:

– Preparar una dissolució amoniacal de nitrat de plata 0.1 M. Per fer-ho em va resultar el següent procediment:

  • Dissoldre 1.7 g de AgNO3 en 100 mL d’aigua destil·lada.
  • Addicionar, gota a gota i amb agitació, amoníac concentrat a la solució anterior. S’observa l’aparició d’un precipitat marronós que enterboleix la solució, formació d’òxid de plata. Cal seguir addicionant amoníac fins a la desaparició del precipitat per dissolució de l’òxid de plata.

– Transvasar la solució amoniacal de nitrat de plata preparada a un cristal·litzador o càpsula de petri.

– Obrir 2 clips, seran els nostres elèctrodes.

– Connectar els clips (elèctrodes) a cadascun dels borns d’un transformador a 20 V.

– Submergir l’elèctrode positiu (ànode) totalment a la dissolució i el càtode (elèctrode negatiu) l’acostarem perpendicularment al cristal·litzador fins que només la punta toqui a la superfície de la solució. En aquest moment començarà el procés electrolític. Al càtode es forma plata pura (semireacció de reducció) que creix dendríticament, en direcció a l’ànode, fins a formar una estructura fractal molt bonica. De l’ànode s’observa el despreniment d’oxigen (hi té lloc l’oxidació). Fins i tot al final de la gravació, quan l’estructura fractal de Ag arriba a tocar l’ànode, podem observar la formació d’òxid de plata (de color negre) a l’extrem de l’estructura metàl·lica.

Semireaccions involucrades al procés:



Per tal de reproduir el procés recomano llegir els articles: