L’elettrolisi dell’acqua, ovvero la scomposizione dell’H2O nei suoi costituenti elementari, idrogeno e ossigeno, per mezzo dell’energia elettrica, rappresenta una pietra miliare nella storia della scienza e della tecnologia. Questa scoperta fondamentale ha non solo aperto la strada alla comprensione della natura degli elementi e delle loro interazioni, ma ha anche posto le basi per lo sviluppo di numerose applicazioni industriali e scientifiche

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Sebbene il principio della decomposizione elettrochimica dell’acqua fosse già stato osservato da Van Troostwijk e Deiman nel 1789 utilizzando un generatore elettrostatico fu la successiva invenzione della pila voltaica da parte di Alessandro Volta a fornire lo strumento catalitico per un’indagine più approfondita. Fu in questo contesto che William Nicholson, insieme ad Anthony Carlisle, nel 1800, sfruttando la neonata pila voltaica, condusse l’esperimento decisivo che portò alla prima osservazione documentata dell’elettrolisi dell’acqua, producendo idrogeno e ossigeno gassosi agli elettrodi. Questa scoperta ha rappresentato un progresso significativo, poiché ha dimostrato la capacità dell’elettricità di disaggregare composti stabili, fornendo una nuova metodologia per l’analisi chimica e la produzione di gas. Tale evento segnò l’inizio dell’elettrochimica come disciplina scientifica, ponendo le basi per future ricerche sulle relazioni tra elettricità e materia. La dimostrazione di Nicholson e Carlisle dell’elettrolisi, avvenuta poco dopo l’invenzione della pila di Volta, ha fornito la prima prova concreta che l’energia elettrica potesse indurre reazioni chimiche, in particolare la scissione delle molecole d’acqua in idrogeno e ossigeno.

Il contesto scientifico di fine ‘700

Prima di questa fondamentale scoperta, il mondo scientifico dibatteva intensamente sulla natura dei fenomeni elettrici e sulle loro potenzialità applicative. L’invenzione della pila voltaica nel 1800 da parte di Alessandro Volta rappresentò un catalizzatore cruciale, offrendo una fonte continua e controllabile di corrente elettrica, distinguendosi nettamente dai generatori elettrostatici precedentemente impiegati. Questa innovazione permise agli scienziati di esplorare nuove frontiere nella comprensione delle interazioni tra elettricità e materia, aprendo la strada a esperimenti più sistematici e riproducibili nel campo dell’elettrochimica. La pila voltaica fornì un metodo affidabile per generare una corrente elettrica costante, essenziale per studiare gli effetti dell’elettricità sulle sostanze chimiche.

William Nicholson: uno scienziato poliedrico

La sua vasta gamma di interessi e competenze, che spaziavano dalla chimica alla filosofia naturale, lo rendeva particolarmente adatto a cogliere le implicazioni più profonde dell’invenzione di Volta, la quale forniva per la prima volta una sorgente di corrente continua, diversamente dalle effimere scariche dei generatori elettrostatici. Lo strumento permise a Nicholson e Carlisle di esplorare sistematicamente l’interazione tra elettricità e acqua, conducendo all’osservazione della scissione molecolare. Questa capacità di generare corrente costante si rivelò fondamentale per superare le limitazioni dei precedenti esperimenti che utilizzavano scariche elettrostatiche, i cui effetti transitori rendevano difficile un’analisi dettagliata dei prodotti di reazione. Tale disponibilità di una fonte energetica stabile e controllabile fu un prerequisito indispensabile per la scoperta dell’elettrolisi, permettendo di osservare la produzione continua di idrogeno e ossigeno.

L’entusiasmo per la scoperta di Volta, che aveva dedicato nove anni alla sperimentazione per perfezionare la sua invenzione, si diffuse rapidamente nella comunità scientifica. Questo interesse fu ulteriormente alimentato dalle precedenti ricerche di Volta sull’elettrofòro nel 1775 e sulla capacità dei conduttori elettrici nel 1778, consolidando la sua reputazione come figura dominante nel panorama scientifico dell’epoca. La pila di Volta, in particolare, rappresentò una svolta epocale, poiché, a differenza delle macchine elettrostatiche che producevano scariche momentanee, essa generava una corrente elettrica continua, aprendo nuove prospettive per la sperimentazione elettrochimica.

La scoperta dell’elettrolisi dell’acqua

Meno di sei settimane dopo l’annuncio dell’invenzione della pila di Volta, Nicholson e Carlisle pubblicarono i risultati del loro esperimento sull’elettrolisi dell’acqua, dettagliando la scomposizione in idrogeno e ossigeno. Questa rapidità nel riprodurre e analizzare il fenomeno dimostra l’impatto immediato e l’importanza attribuita alla scoperta di Volta dalla comunità scientifica. L’esperimento consistette nell’immersione di due fili metallici collegati ai poli della pila voltaica in un contenitore d’acqua, osservando la formazione di bolle di gas separate sui rispettivi elettrodi. Le bolle furono identificate come ossigeno all’anodo (polo positivo) e idrogeno al catodo (polo negativo), confermando la scissione della molecola d’acqua. Questo processo, fondamento dell’elettrolisi dell’acqua, prevedeva l’utilizzo di una cella elettrolitica con due elettrodi sommersi, dove il passaggio di corrente elettrica avviava le reazioni elettrochimiche di evoluzione dell’idrogeno al catodo e dell’ossigeno all’anodo.

Tale osservazione pionieristica, benché elementare, gettò le basi per la comprensione delle reazioni di ossidoriduzione e del funzionamento delle celle elettrolitiche. La rapida diffusione della notizia della pila di Volta tra gli scienziati londinesi, anche grazie a un’insolita condotta del Presidente della Royal Society, permise la pubblicazione dell’articolo di Nicholson mesi prima della lettera ufficiale di Volta. Questo evidenzia l’urgenza e l’entusiasmo con cui la comunità scientifica dell’epoca accolse le potenzialità della nuova invenzione di Volta, riconoscendone immediatamente le profonde implicazioni per l’avanzamento della conoscenza scientifica.

L’esperimento chiave

L’esperimento cruciale che portò alla scoperta dell’elettrolisi dell’acqua da parte di William Nicholson e Anthony Carlisle si basò sull’applicazione della neonata pila voltaica per indurre reazioni chimiche, innescando la dissociazione elettrochimica delle molecole d’acqua in idrogeno e ossigeno. Essi utilizzarono un apparecchio semplice ma efficace, immergendo due fili di platino, collegati ai terminali di una pila voltaica, in un recipiente d’acqua, osservando così la distinta produzione di gas. Questa osservazione fu fondamentale per stabilire che l’elettricità poteva agire come forza scissa molecolare, generando idrogeno al catodo e ossigeno all’anodo, rispettivamente. Tale processo evidenziò che l’acqua non era un elemento indivisibile, come precedentemente creduto da alcuni, bensì un composto, la cui scissione era direttamente proporzionale alla corrente elettrica applicata. Questi risultati furono cruciali per lo sviluppo delle leggi di Faraday sull’elettrolisi, le quali stabilirono relazioni quantitative tra la quantità di elettricità che attraversa un elettrolita e la massa di sostanza prodotta agli elettrodi.

L’impatto e le implicazioni della scoperta

La scoperta dell’elettrolisi dell’acqua da parte di Nicholson e Carlisle, sebbene inizialmente accolta con una certa dose di scetticismo per la sua natura controintuitiva, aprì nuove prospettive nella comprensione della chimica e della fisica, rivelando il potenziale dell’elettricità come agente di trasformazione chimica. Questa rivelazione permise di superare le concezioni precedenti sulla composizione elementare dell’acqua, fornendo una base sperimentale per la teoria atomica di Dalton e per lo sviluppo di nuove branche della chimica fisica. Il loro lavoro gettò le basi per l‘elettrochimica moderna, un campo che ha rivoluzionato la produzione industriale di sostanze chimiche e lo sviluppo di nuove tecnologie energetiche. Inoltre, tale scoperta ha avuto un impatto significativo sulla comprensione dei processi corrosivi, in quanto la formazione di ioni idrossido e idrogeno altera il pH in prossimità degli elettrodi, influenzando la dissoluzione dei metalli e la formazione di prodotti di corrosione.

Questo cambiamento di pH locale, in particolare l’acidificazione all’anodo e la basificazione al catodo, può inibire o accelerare specifici fenomeni corrosivi, dipendendo dal materiale dell’elettrodo e dalle condizioni operative. Inoltre, l’elettrolisi dell’acqua ha fornito la base per lo sviluppo di celle a combustibile, dove l’idrogeno e l’ossigeno possono essere riconvertiti in acqua, rilasciando energia elettrica in un processo inverso e pulito. Questa fondamentale scoperta ha anche catalizzato l’evoluzione di nuove metodologie per la produzione di idrogeno verde, con un’attenzione crescente verso l’ottimizzazione degli elettrolizzatori e l’integrazione con fonti energetiche rinnovabili.

Economia delle fonti di energia. Una sfida per il futuro

La scoperta dell’elettrolisi dell’acqua da parte di Nicholson e Carlisle, sebbene risalente a oltre due secoli fa, continua a essere un pilastro fondamentale per le tecnologie energetiche sostenibili, in particolare per la produzione di idrogeno verde. Oggi, l’elettrolisi dell’acqua è riconosciuta come una tecnologia cruciale per l’integrazione delle fonti di energia rinnovabile e per la creazione di un’economia basata sull’idrogeno, con un potenziale di capacità installata globale di 170-365 GW entro il 2030. Tale espansione è sostenuta da continui progressi nella ricerca volti a migliorare l’efficienza dei processi elettrolitici, a ridurre i costi degli elettrolizzatori e a estenderne la durata operativa. Questi sforzi includono lo sviluppo di materiali elettrodici più robusti e di catalizzatori innovativi, come quelli a base di platino, che, pur essendo costosi, sono estremamente efficaci, stimolando la ricerca di alternative più economiche e durature.

Author: Claudia Sistelli

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