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Reazione chimica ed energia elettrica: le pile - Aspetti teorici e ESECUZIONE

chimica




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ESPERIENZA NUMERO 11

Titolo: Reazione chimica ed energia elettrica: le pile

Scopo: Costruire un dispositivo che sfruttando le reazioni chimiche sia capace di erogare energia elettrica


                     414b13e                      414b13e                                       414b13e                      414b13e                    

Materiale Occorrente


Zn (NO3)2 Pb(No3)2 Cu(No3)2 K(No3)2



Becher

Acqua distillata

Voltametro

Rispettive lamine di Zn, Pb, Cu

Striscia di carta (ponte salino)

Pinza

Spruzzetta

Agitatore magnetico

Bacchetta

Bilancia Scientifica

Vetrino Da Orologio

Spatola

Aspetti teorici

L'ossidazione è definita come un processo in cui da un atomo o da uno ione sono rimossi (tolti) elettroni. La riduzione è invece il processo in cui ad un atomo o a ioni sono aggiunti elettroni Questi due tipi di reazioni che comportano un apparente "trasferimento" di elettroni se avvengono insieme danno luogo ad una reazione di ossidoriduzione. Una reazione cioè, in cui una specie chimica si ossida, cedendo elettroni ed un'altra contemporaneamente si riduce, acquistando elettroni: Nel corso di una reazione redox si verifica un flusso di elettroni diretto dal sistema riducente al sistema ossidante. Acidi, basi e sali solidi non sono conduttori. Quando ciascuna di queste sostanze viene sciolta in acqua, la soluzione che si forma è però conduttrice.

Questi principi erano alla base del funzionamento del dispositivo a cui ci siamo ispirati, quello cioè costruito da J.F Daniell. Tale dispositivo è essenzialmente costituito da una semicella costituita da una barretta di zinco metallico immersa in una soluzione di solfato di zinco e un'altra semicella costituita da una barretta di rame metallico immersa in una soluzione 1M di solfato di rame. Il funzionamento della pila si basa sul fatto che i due processi, l'ossidazione dello zinco e la riduzione del rame hanno luogo contemporaneamente ma separatamente in due semicelle diverse e sono accompagnati da un flusso di elettroni che scorre attraverso il filo elettrico esterno. Per mantenere una condizione di neutralità elettrica viene impiegato un dispositivo detto ponte salino che collega le due semicelle costituito da un tubo ad u invertito le cui estremità sono tappate da ovatta contenete un sale; questo perché durante il funzionamento il recipiente anodico si arricchisce di ioni zinco, che sono positivi; per mantenere la neutralità elettrica è necessario che ioni negativi bilancino l'aumento degli ioni zinco positivi. Contemporaneamente il recipiente catodico si impoverisce di ioni rame; in questo caso perché sia mantenuta la neutralità elettrica devono diminuire anche gli ioni negativi.

Il fatto che gli elettroni fluiscono da un elettrodo all'altro indica chiaramente che fra i due elettrodi c'è una differenza di potenziale. Questa d.d.p si chiama forza elettromotrice (f.e.m) oppure voltaggio o potenziale di cella e viene normalmente espressa in volt. Utilizzando la tabella dei potenziali standard di riduzione si può calcolare facilmente la f.e.m di una qualsiasi pila ; basta in fatti applicare la seguente relazione:

                     414b13e                      414b13e                      414b13e   f.e.m= E° oss. - E°rid.

Si noti che queste stesse trasformazioni chimiche potrebbero verificarsi senza produrre corrente elettrica: consideriamo una lamina di zinco immersa in una soluzione di solfato di rame; anche in questo processo viene prodotta energia ma questa viene liberata sotto forma di calore, non utilizzabile.

Un concetto che si deve ricordare per la realizzazione di questa esperienza è quello di molarità. L'unità più semplice della concentrazione è per l'appunto la molarità: Essa esprime il contenuto di moli di soluto contenute in un litro di soluzione. La molarità si trova con un semplice calcolo mol / l. Per preparare la soluzione satura di K(NO3)2 basta ricordare che una soluzione satura è una situazione di equilibrio per quella temperatura fra la sostanza disciolta in soluzione e la sostanza non disciolta presente come corpo di fondo.




Cella voltaica

Una cella voltaica trasforma l'energia chimica di una reazione in energia elettrica. Gli elettrodi della cella sono costituiti da una lamina di zinco e una di rame immerse rispettivamente in una soluzione di acido solforico diluito e di solfato di rame. Il ponte salino (in questo caso cloruro di potassio) permette alla carica elettrica di fluire da una soluzione all'altra. Durante il funzionamento la lamina di zinco si ossida, consumandosi, mentre gli ioni di rame si riducono a rame metallico che si deposita sulla lamina. Se il circuito viene chiuso (a destra), in esso fluisce corrente elettrica e la lampadina si accende.


Figura 1

Si noti che queste stesse trasformazioni chimiche potrebbero verificarsi senza produrre corrente elettrica: consideriamo una lamina di zinco immersa in una soluzione di solfato di rame; anche in questo processo viene prodotta energia ma questa viene liberata sotto forma di calore, non utilizzabile.


ESECUZIONE

Per preparare una soluzione a molarità data bisogna conoscere la quantità di soluto che si vuole pesare. A tale scopo si utilizza la definizione di molarità, cioè

                     414b13e                 M = moli di soluto

                     414b13e                      414b13e       1000 cm3 di soluzione


Per trovare il numero di moli nei 250 ml basta impostare una semplice proporzione e poiché le moli di soluto sono espresse dal rapporto tra i grammi di soluto e il peso molecolare ossia

moli di soluto = g si possono calcolare i grammi: g = moli di soluto per PM

                     414b13e    PM

Calcolata la quantità di K da usare occorre pesarla con accuratezza in un vetrino da orologio e trasferirla in un becher lavando più volte il vetrino con acqua distillata in modo da evitare perdite. Si continua a aggiungere acqua fino a sulubizzare il tutto quindi con un imbuto si trasferisce il tutto in un matrace da 250 ml. Anche in questo caso occorre lavare con acqua ripetutamente. Si porta quindi a volume e dopo aver tappato il matrace si omogeneizza la soluzione. Per preparare la soluzione satura basta utilizzare un volume dato di acqua distillata e aggiungere la sostanza fino a quando si creerà una situazione di equilibrio fra il solvente ed il soluto.

Una volta preparate le varie soluzioni si andranno a versare in tre diversi becher circa 25-50 ml di soluzione . Dopo di ciò si immergeranno nei becher le lamine corrispondenti ai metalli disciolti in soluzione:

(per esempio nel nitrato di rame si dovrà immergere una lamina di rame). Dopo di ciò si immerge nella soluzione satura una striscia di carta assorbente che servirà da ponte salino. Una volta posizionata con le due estremità immerse nei due becher, tramite l'uso di un voltametro si andrà a misurare la d.d.p della cella. Nella coppia Cu/Zn, per esempio, si andrà a collegare l'elettrodo di zinco (anodo) con quello di rame (catodo) ai terminali di un voltametro, se ne rileverà la d.d.p e se ne trarranno le opportune considerazioni.

OSSERVAZIONI

Coppia



Polo negativo

Polo positivo

d.d.p

Semireazioni


Piombo/zinco

Zinco

Piombo


Zn         Zn2+ + 2e-; Pb2+ + 2e- Cu


Rame/Zinco

Zinco

Rame


Zn         Zn2+ + 2e-; Cu2+ + 2e- Cu

Piombo/Rame

Piombo

Rame


Pb Pb2+ +2e-; Cu2+ + 2e- Cu


NOTE: La d.d.p delle varie coppie è diversa perché diverso è il potenziale standard di riduzione dei vari elettrodi.

Nel polo negativo (anodo) avviene sempre una ossidazione, nel polo positivo (catodo) avviene sempre una riduzione.

La differenza di potenziale delle celle non è del tutto esatta perché utilizzando la tabella dei potenziali standard di riduzione i valori trovati sono leggermente diversi: questo può essere dovuto a diverse cause: la molarità delle soluzioni può essere stata diversa da 1, sulle lamine potrebbero non essere state rimosse patine formatesi nel corso di altre reazioni, inoltre il ponte salino potrebbe non aver funzionato bene.




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