L’electrolisi i la força de Lorentz

Professor / divulgador 

Anicet Cosialls Manonelles

Centre educatiu

Institut Guindàvols (Lleida)

Any de presentació a Ciència entre tots

2018

Llistat de material necessari

• Placa de Petri
• 2 elèctrodes de coure: (1 elèctrode en forma d’ anell d’un diàmetre lleugerament inferior al de la placa de Petri, i un altre elèctrode lineal)
• Sulfat de sodi o bé nitrat de potassi
• Aigua destil·lada
• 1 imant de neodimi circular (també serveix un imant ceràmic circular)
• 1 pila de 4,5 V
• 2 cables amb pinces cocodril
• Fenoftaleïna 

Com ho fem?

Es tracta de realitzar l’electròlisi de l’ aigua i sotmetre el moviment dels ions a l’acció d’ un camp magnètic perpendicular al seu desplaçament.

1. Muntem la cel·la electrolítica col·locant la placa de Petri sobre l’imant.
2. Posem els elèctrodes: l’elèctrode circular en posició horitzontal, i el lineal en posició vertical apuntant al centre de la placa.
3. Per tal de fer conductora la solució, dissolem una mica de sulfat de sodi (Na₂SO₄), o bé nitrat de potassi (KNO₃), en aigua. Aquestes sals es dissocien en aigua alliberant ions:
   Na₂SO₄ → 2 Na⁺ + SO₄^2-
   KNO₃ → K⁺ + NO₃^-
4. Transvasem una mica de la dissolució preparada a la placa de Petri de tal manera que els elèctrodes estiguin en contacte amb la ella.
5. Afegim dues gotes de dissolució de fenoftaleïna.
6. Connectem els elèctrodes als borns d'una pila de 4,5 V. En aquest moment té lloc l’electròlisi de l’aigua.
   
   Reaccions electroquímiques:
   
   Càtode (-): 2 H₂O – 4 e^- → O₂(g) + 4 H⁺
   Ànode (+): 2 H⁺ + 2 e^- → H₂(g)
   Reacció global: 2 H₂O→ 2 H₂(g) + O₂ (g)
   
   Altres reaccions electroquímiques:
   
   En ser els elèctrodes de coure, es produeix també la seva oxidació al càtode:
   Cu – 2 e^- → Cu²⁺
   D´altra banda, també cal considerar l’equilibri de dissociació de l’aigua: 
   H₂O ↔ H⁺ + OH^-
   
   

Què observem?

Al voltant del càtode s’observa que la dissolució es torna de color rosa i que el líquid comença a girar.
En efecte, en reduir-se al càtode l’ió H⁺ a H₂, la dissolució esdevé bàsica i la fenoftaleïna vira a rosa. D’altra banda, el cations (Na⁺ , H₃O⁺...), solvatats de molècules de H₂O, es desplacen radialment de l’ànode cap al càtode, i els anions (SO₄^2- , OH^-...) cap a l’ànode. En tenir els ions càrrega (q) i moure’s amb velocitat (v ) en presència d’un camp magnètic (B ) , resten sotmesos a la força magnètica de Lorenz (F ) 

F = q(v·B)

La força (F) és perpendicular al pla format pels vectors v i B, i té el sentit de l’ avanç d’ un llevataps que gira de v a B pel camí més curt.

En ser el vector F perpendicular al vector v, el moviment dels ions és circular uniforme, amb la qual cosa el líquid de la dissolució gira. Si es capgira l´imant, el camp magnètic inverteix el seu sentit i la dissolució gira en sentit contrari.
La presencia de ions Cu (II) s’ evidencià pel color blau que tenyeix la dissolució degut a la formació del complex Cu(H₂O)₆²⁺. En fer-se bàsica la dissolució, amb el temps precipita l’hidròxid de coure (II)

Paraules clau

Electròlisi, Força de Lorentz, Camp magnètic

Grau de dificultat

Fàcil

Durada de l'experiència

5 minuts

La podem reproduir utilitzant materials casolans/quotidians i no perillosos?

Sí

Bibliografia o webs relacionades

https://youtu.be/q6-H7g0HtKU