Elettrochimica

RELAZIONE DI CHIMICA
Taffarello Filippo, Tagliapietra Simone, Gessato Federico, Polo Leyla, Brescancin Federico
Obiettivo verificare il funzionamento della pila di Daniel (o cella galvanica) misurandone la
differenza di potenziale tra i due elettrodi tramite un voltimetro (1° esperimento). Verificare
inoltre la cella elettrolitica tramite una pila da 4,5 volt (2° esperimento)
Introduzione Teorica:
Redox: reazione di ossido riduzione, reazioni chimiche nelle quale un reagente si ossida, mentre
un secondo reagente si riduce.
Numero di ossidazione: rappresenta la carica che ogni atomo assumerebbe se gli elettroni di
legame fossero assegnati all’atomo più elettronegativo.
Ossidazione: provoca l’aumento del numero di ossidazione.
Riduzione: provoca la diminuzione del numero di ossidazione.
Pila: La base o principio chimico-fisico di funzionamento di una pila è una reazione di
ossidoriduzione che avviene al suo interno, in cui una determinata sostanza subisce un processo di
ossidazione, perdendo elettroni, mentre un'altra sostanza subisce un processo di riduzione,
acquistandoli. Data la sua configurazione, la pila consente di intercettare e sfruttare il flusso di
elettroni tra le due sostanze.
Anodo: è l'elettrodo sul quale avviene una semi-reazione di ossidazione.
Catodo: è l'elettrodo sul quale avviene una semi-reazione di riduzione.
Voltaggio: la differenza di potenziale elettrico o tensione, spesso abbreviata in d.d.p., è definita
come la differenza tra il potenziale elettrico di due punti dello spazio.
Cella elettrolitica: si indica una particolare cella elettrochimica che permette di convertire energia
elettrica in energia chimica. Tale processo viene detto elettrolisi.
Valutazione dei rischi
In laboratorio è sempre necessario utilizzare l’apposito camice per evitare l’usura dei vestiti,
inoltre è consigliato l’uso di guanti in lattice quanto si utilizzano sostanze tossiche, irritanti o
corrosive.
Il solfato di rame o solfato rameico CuSO4 è irritante per la pelle e pericoloso per l’ambiente.
Quindi prestare dovuta attenzione nel maneggiare la sostanza e non disperdere nell’ambiente, ma
deporre la sostanza, dopo l’uso, in appositi contenitori di smaltimento sostanze.
Il solfato di zinco ZnSO4 è un irritante per gli occhi. L'ingestione è considerata sicuro, in quanto il
solfato di zinco viene aggiunto come fonte di zinco essenziale per il corpo. Ma l’ingestione
eccessiva ha risultati di difficoltà stomaco acuta, con nausea e vomito. È consigliato non
disperdere la sostanza nel l’ambiente, quindi smaltire la sostanza in appositi contenitori per
sostanze.
Prestare molta attenzione quando si maneggiano le sostanze per evitare eventuali incidenti o
malriusciti esperimenti a causa di errori o disattenzioni.
1° Esperienza
Strumenti
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2 Becher da 250 ml
1 tubo a U
2 elettrodi
Materiali
-
Bilancia (sensibilità: 0,001 g ; portata: 3000 g)
multimetro digitale
Sostanze
-
1 lastra di zinco
1 lastra di rame
1 mole di ZnSO4
1 mole di CuSO4
KNO3 (soluzione salina)
Procedimento
Innanzitutto si devono riempire i due becher uno con
solfato di zinco(ZnSO4) e l’altro con solfato di
rame(CuSO4) per poi disporli uno di fianco all’altro. Dopo
aver attaccato l’anodo del multimetro alla lastra di
zinco(Zn) ed il catodo alla lastra di rame(Cu) impostare la
modalità volt sul multimetro. Svolta l’operazione inserire
appunto la lastra di rame nel solfato di rame (entrambi
pesati in precedenza) e quella di zinco nel solfato di
zinco. Sistemati i due becher prendere il tubo a U e, dopo
aver rivolto entrambe le estremità verso l’alto, con molta
attenzione versare il KNO3 al suo interno. Dopodiché
inserire alle estremità del tubo due pezzi di cotone
assicurandosi che non si vengano a creare bolle d’aria
all’interno del tubo, infine inserire una spugna nella zona
interna al tubo per evitare che le due estremità del tubo
tocchino il fondo dei due becher. Preparato cosi il ponte salino bisogna posizionarlo in modo tale che le due
estremità tocchino una il solfato di rame e l’altra il solfato di zinco lasciando che la spugna si sostenga sui
due becher (il posizionamento deve essere svolto velocemente in modo da evitare perdite di sale nei due
solfati). Per finire osservare ciò che compare sul multimetro e, separate dal multimetro ed una volta
asciugate, le lastre vanno nuovamente pesate.
Dati quantitativi
-
150 ml di solfato di rame in un backer da 250 ml
150 ml di solfato di zinco in un backer da 250 ml
Voltaggio della pila di Daniel: 1,07 volt
Dati qualitativi
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ZnSO4 si presenta incolore e inodore;
CuSO4 si presenta di colore blu intenso ma inodore;
La massa della lastra di zinco tenderà a diminuire, anche se poco
La massa della lastra di rame tenderà ad aumentare, pur sempre poco
Dati bibliografici
-
Libro
http://www.zanichelli.it/
http://www.chimica-online.it/
Elaborazione dati


Abbiamo riscontrato un aumento di massa relativo alla lamina di rame dato
dall’accumulo di ioni Cu2+ , dovuto all’attrazione a cui essi sono soggetti.
Tale attrazione è provocata dall’ eccesso di cariche negative che si accumulano sulla
lamina di rame per effetto dell’acquisizione di elettroni.
Nella semicella dove c’è l’anodo lo zinco metallico che costituisce uno dei due
elettrodi passa in soluzione ossidandosi a Zn2+ e libera elettroni. La semi-reazione di
ossidazione è:
Zn(s)  Zn2+(aq) + 2e-

Attraverso il filo conduttore gli elettroni passano nell’elettrodo di rame posto nella
seconda semicella e richiamano gli ioni Cu2+ della soluzione essi pertanto si
riducono a rame metallico secondo la semi-reazione di riduzione:
Cu2+ +2e-  Cu

Il passaggio di elettroni sarebbe breve perché nella prima semicella si accumulano
ioni Zn2+ e nella seconda ioni Cu2+. Vi sarebbe quindi un eccesso di ioni
rispettivamente negativi (SO42-) e positivi (Zn2+). Se l’equilibrio elettrico non venisse
ristabilito dagli ioni del ponte salino(KNO3) il ciclo si interromperebbe.
Zn2+ +2e-
Anodo ( - )
Zn
Catodo (+)
Cu2+ + 2e-
Cu
Reazione complessiva
Zn + Cu2+
Zn2+ + Cu
ossidazione
riduzione
Osservazioni e conclusioni
L’ obiettivo iniziale era quello di replicare la pila di Daniel (o cella galvanica) studiandone il
funzionamento, ed in particolare il motivo per cui si verifica una reazione di ossidoriduzione e la
conseguente produzione di energia elettrica a partire da quella chimica. Alla fine di tale esperienza
possiamo decretare il nostro scopo raggiunto anche tenendo conto di eventuali imperfezioni
dovute all'inevitabile errore umano.
Infatti dopo aver collegato il voltimetro ai due fili metallici che collegavano le semicelle ci siamo
accorti che il voltaggio risultava essere di 1.07 V, cioè molto vicino a quello standard generato da
celle galvaniche contenenti lo stesso tipo di sostanze (1,10 V). Attraverso la misurazione del
voltaggio abbiamo avuto la conferma del passaggio di elettroni dall' anodo dove è avvenuta
l'ossidazione (semicella con zinco), al catodo dove è avvenuta la riduzione (semicella con rame).
Un' altra conferma dell'avvenuta reazione l'abbiamo avuta nel momento in cui, dopo qualche
minuto abbiamo pesato le lamine di rame e di zinco notando che, come previsto, la massa nel
primo era aumentata e nel secondo era invece diminuita; segno questo dell'acquisto e della
perdita degli ioni rispettivamente Cu++ e Zn++.
2° Esperienza
Strumenti
-
1 Becher da 250 ml
2 coccodrilli (morsette)
2 elettrodi
Pila da 4,5 volt
Materiali
-
Bilancia (sensibilità: 0,001 g ; portata: 3000 g)
Multimetro digitale
Sostanze
-
1 mole di solfato di rame CuSO4
1 chiodo
1 lastra di rame
Procedimento
Per cominciare si deve inserire nel becher il solfato di rame ed inserire, facendo attenzione che non si
tocchino, il chiodo e la lastra di rame scartavetrati in precedenza per rimuovere eventuali impurità che
comprometterebbero la riuscita dell’esperimento. Successivamente si devono prendere due cavi elettrici
muniti alle estremità di coccodrilli per poi collegarli rispettivamente uno al catodo e uno all’anodo della
batteria, fatto ciò bisogna collegare (possibilmente in contemporanea) le altre due estremità dei cavi una al
chiodo (anodo) e l’altra alla lastra di rame (catodo). Dopo aver aspettato 20 secondi circa staccare dai
coccodrilli il chiodo e la lastra di rame per poi pesarli separatamente.
Dati quantitativi
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Pila da 4,5 volt, ma passavano attraverso gli elettrodi soltanto 3,5 volt
m1(lastra di rame): 12,480 g (prima dell’esperimento)
m1(chiodo): 13,562 g (prima dell’esperimento)
m2(lastra di rame): 12,462 g (dopo l’esperimento)
m2(chiodo): 13,600 g (dopo l’esperimento)
Dati qualitativi
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Il solfato di rame CuSO4 si presenta con un colore blu intenso ed inodore
Il chiodo immerso nel solfato di rame con la lastra di rame diventa ramato (ovvero di colore
arancione rame)
Dati bibliografici
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Libro
http://www.zanichelli.it/
http://www.chimica-online.it/
Elaborazione dati
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Collegando Il polo positivo della pila(+) alla lamina di rame e quello negativo (-) al
chiodo, si da inizio ad un flusso di elettroni. La lamina di rame (anodo) perde
elettroni, in quanto attratti dal polo positivo della pila e rilascia quindi ioni Cu 2+ (
che si ossidano ) nella soluzione di CuSO4.
Gli elettroni si accumulano quindi nel chiodo (anodo), il quale richiama gli ioni Cu2+
dalla soluzione. Essi si dirigono verso il polo negativo (cioè il chiodo), dove vi si
depositano (riducendosi) e formando lo strato di rame metallico che riveste il ferro .
Per far avvenire la reazione non spontanea la differenza di potenziale deve essere
maggiore della tensione necessaria a far avvenire quella spontanea ( 1.1 V ).
Ciò giustifica la necessità di utilizzare una pila da 4.5 V.
Osservazioni e conclusioni
Possiamo innanzitutto osservare che si tratta di una reazione chimica non spontanea. Questa volta
non abbiamo le celle galvaniche (che ospitano reazioni spontanee) ma abbiamo delle celle
elettrolitiche che rendono la reazione non spontanea. Perciò è necessario avere una sorgente di
energia che, in questo caso, sarà una comune pila da 4,5 volt. Collegando l’anodo con la lastra di
rame e con un estremità della pila, e il catodo con il chiodo e con l’altra estremità della pila diamo
il via ad un ciclo. La lastra cederà i suoi elettroni, diventando rame metallico, al chiodo, il quale
cambierà il suo colore da grigio scuro ad arancione (solo nella parte immersa nel solfato di rame).
Questo mutamento ci indica che si viene a creare un ciclo di elettroni tra la lastra di rame e il
chiodo, ma bisogna ricordare che questi elettroni sono ceduti dalla pila a cui è collegato il tutto.
Possiamo affermare che l’esperimento è riuscito e che abbiamo raggiunto l’obiettivo di verificare
che esiste uno scambio di elettroni tra il chiodo e la lastra di rame