elettrochimica energia elettrica da una reazione chimica

TECNOLOGIA
ELETTROCHIMICA
ENERGIA ELETTRICA DA UNA
REAZIONE CHIMICA
Prof. Ing. Vito Russoniello
Oggi vedremo come
si può ottenere
energia elettrica
da
Una reazione
chimica
Proviamo a mettere
una lamina di zinco
in una soluzione di
solfato di rame
Sulla lamina si forma
una roba nerastra
La soluzione sta
diventando più
chiara !
cosa notate?
Sta avvenendo una
reazione, quella che i
chimici chiamano
ossidoriduzione
Il rame si riduce
depositandosi sullo zinco in
forma di rame metallico Cu
Cu+2(aq) + Zn(s)

Cu(s) +
Zn+2(aq)
Mentre lo
zinco si ossida
passando in
soluzione
sotto forma di
ioni Zn++
Questa reazione avviene
spontaneamente ed è
possibile sfruttarla per
ottenere energia. Anzi ci
potete accendere una
lampadina!
Cu+2(aq) + Zn(s)

Cu(s) +
Zn+2(aq)
Ecco qui lo strumento
che ci permetterà di
ottenere da quella
reazione
energia elettrica.
Quella che vedete
qui è una pila di
Daniel.
Il principio di
funzionamento è
analogo a quello della
pila di Volta e delle pile
in generale
Vediamone i
singoli
componenti
Cominciamo dai liquidi.
Sono soluzioni di concentrazione
1M di sali in acqua
Soluzioni di questo
tipo si dicono
soluzioni
elettrolitiche
Che cosa significa ?
Gli elettroliti sono
sostanze le cui
molecole, poste in
acqua, si scindono in ioni
positivi e ioni negativi.
Il cloruro di sodio NaCl, il
normale sale da cucina è una di
queste sostanze e messo in acqua
si scinde nei suoi ioni
Na+ e Cl-
Quindi ogni giorno butto
la pasta in una soluzione
elettrolitica?
Proprio così,
Pietro!
Anche lo zinco Zn e il
rame Cu formano dei
sali, per esempio il
solfato di zinco e il
solfato di rame, che si
comportano come
elettroliti.
ZnSO4 Zn++ + SO4--- ---
CuSO4
Cu++ + SO4-- --
il solfato di zinco si scinde in ioni
positivi Zn2+ e in ioni solfato
negativi formati da un atomo di
zolfo e quattro atomi di ossigeno
(SO42– è la loro formula chimica).
Analogamente, il solfato di rame si
scinde in ioni Cu2+ e ioni SO42–.
Le lamine di metallo, che
vediamo nella pila di Daniel,
sono di zinco Zn e di rame Cu
Dove posso trovare
tutti questi
ingredienti?
Mmm … I sali potresti trovarli in
negozi che vendono articoli per
l’agricoltura; per il rame puoi
scorticare un pezzo di filo
elettrico. Lo zinco è più difficile
da reperire: vecchie grondaie,
lastre per incisioni, mah!
se hai però un po’ di pazienza,
vedremo una pila che
sicuramente potrai fare a casa!
e in un altro becker metto
una soluzione di solfato di
rame e vi immergo una lamina
di rame
Ora vediamo cosa succede se
metto in un becker una
soluzione di solfato di zinco e
vi immergo una lamina di
zinco
Metallo Zn
Ione Zn++
Zn
Zn++
ovvero
pongo un metallo in
una soluzione dei suoi
stessi ioni
Metallo Cu
Ione Cu++
Cu
Cu++
Zn++
Zn++
Cu++
Cu++
niente
niente
Non osservo alcun
fenomeno particolare :
questo non significa che
non stia succedendo
niente.
niente
Assolutamente
niente
??????????
In realtà avvengono due
processi
A
•alcuni atomi del metallo
Me si staccano dal reticolo
cristallino e vanno in
soluzione come cationi ,
ioni positivi, lasciando i
loro elettroni esterni sul
metallo
• Me ↔ Men+ + ne-
B
e-= elettroni
•Alcuni ioni positivi dalla soluzione si
depositano sul metallo allo stato di atomi
neutri
Men+ + ne- ↔ Me
Supponiamo
che il processo
Dopo un certo periodo si
raggiungerà uno stato di equilibrio
caratterizzato da un eccesso di
elettroni sul metallo e da un
eccesso di ioni positivi nelle
immediate vicinanze della
superficie del metallo
A
sia più veloce
metallo
-
+
+
+
-
-
+
+
+
+
soluzione
La situazione è
quella dello Zinco
Si forma un doppio
strato elettrico che
comporta una
differenza di
potenziale ddp
Supponiamo ora che il
processo
B
sia più veloce
Qualcuno di voi saprebbe disegnare la
nuova situazione ?
Bene!
Ci provo!
metallo
+
-
+
+
+
+ + + -
-
soluzione
Prova a spiegare
il disegno che
hai fatto!
Perfetto! La
situazione che hai
descritto è quella
del rame
Anche in questo caso avvengono
i due processi : si staccano
atomi dal metallo lasciando
elettroni, mentre dalla soluzione
si depositano ioni positivi sul
metallo
Questa volta però il processo più
veloce sarà quello in cui dalla
soluzione si depositano ioni
positivi sul metallo
Si avrà così un eccesso di cariche
positive sul metallo e uno di
cariche negative vicino alla lamina
anche in questo caso si forma
un doppio strato elettrico che
comporta una differenza di
potenziale ddp
I due metalli si comportano quindi in
modo molto differente: lo zinco ha la
tendenza a cedere altri ioni Zn2+ alla
propria soluzione;
il rame, invece, cattura ioni Cu2+ dalla
propria soluzione.
. Sullo zinco rimarranno perciò elettroni liberi in
eccesso, la sbarretta si caricherà di elettricità
negativa e assumerà un potenziale negativo
rispetto alla propria soluzione.
Nel rame avverrà l’opposto: ioni Cu2+ si
depositeranno sulla sbarretta e questa si
caricherà di elettricità positiva e assumerà un
potenziale positivo rispetto alla propria
soluzione
Comunque, in entrambi i casi,
tra il metallo e la soluzione si
crea una ddp che viene detta
potenziale dell’elettrodo
Per avere il passaggio di corrente
elettrica, bisogna avere una
differenza di potenziale (ddp)
che è responsabile del flusso di
elettroni.
Il sistema metallo /soluzione dei
suoi ioni viene chiamato semicella
Ponendo a contatto le due
semicelle si ha passaggio di
corrente
Perché questa pila
funzioni è necessario
anche un altro
elemento:
Il ponte salino
A cosa serve?
Durante il processo la soluzione di zinco
avrebbe ioni positivi Zn++ in eccesso
mentre quella di rame si troverebbe ad
avere ioni negativi SO4-in eccesso. Perché il processo continui. è
necessario che le due soluzioni
rimangano neutre.
Il ponte salino serve
quindi a mantenere
la neutralità
elettrica delle
soluzioni
Come è fatto?
È un tubicino di vetro piegato a U che contiene
una soluzione elettrolitica di KCl, cloruro di
potassio. Questa soluzione naturalmente non si
deve mischiare con le altre due e quindi gli
estremi del tubicino sono chiusi, ma con una
sostanza porosa per permettere il passaggio
degli ioni K + e Cl-
Adesso colleghiamo i fili
alla lampadina e …
Dopo un certo periodo di funzionamento la
corrente cessa (cioè la pila “si scarica”) perché il
potenziale elettrochimico (anodo) aumenta mentre
il potenziale elettrochimico (catodo) diminuisce e
ad un certo punto si eguagliano, quindi la differenza
di potenziale si annulla e non avviene più passaggio
di corrente.
ANODO
Zn
Zn2+ + 2e–
OSSIDAZIONE
CATODO
Cu2+ + 2e–
RIDUZIONE
Cu
Immergiamo ora la barretta di
rame nello zinco
Non si osserva nessun deposito di Zinco
sula lamina di rame. Questo significa che la
reazione di riduzione dello zinco ad opera
del rame non è spontanea!
Questo significa anche che in
una pila con gli elettrodi di rame
e di zinco,
Lo zinco si ossida sempre e sarà
l’anodo della pila,
Il rame invece si riduce sempre e
sarà il catodo della pila.
Ma la pila si fa solo
con rame e zinco
No, si può fare con
altri metalli
E come faccio a capire
chi è il catodo e chi
l’anodo?
Esiste la Tabella dei
potenziali standard di
riduzione
I valori dei potenziali degli
elementi, misurati rispetto all’
elettrodo di idrogeno, ci dicono
che tendenza ha il metallo. Se il
valore è positivo tende a
ridursi, se negativo tende ad
ossidarsi
Cioè???
Per esempio i valori dei potenziali sono
Zn++/Zn = -0,76 V
Cu++/Cu = + 0,34
Il rame è più positivo dello zinco ed è quello che
si riduce .
La forza elettromotrice della nostra pila, cioè la
forza che fa sì che gli elettroni si muovano in
una certa direzione, è 1,1 V ed equivale alla
somma dei potenziale dei due elettrodi:
f.e.m.= E0 Catodo - E0 anodo
Giusto! Ti basta un filo
elettrico spellato o una
monetina da 5
centesimi, una
graffetta, coccodrilli per
i collegamenti, un led,
e … un limone!
Prof! Mi dice
come adesso
come faccio a
fare una pila a
casa?
Un limone?
Anche in questo caso abbiamo due metalli e una
soluzione acida, il succo di limone, che funziona
da elettrolita. La corrente sviluppata è poca,
sufficiente però per accendere un led,
Il limone dopo, è da buttare!!!!
Ricordate: due
metalli e una
soluzione
elettrolitica !
Io l’ho vista fare con le patate!
Io con la frutta!
https://www.youtube.com/watch?v=6OXIw5KNucA
• mettete in ogni limone i due elettrodi facendo attenzione che non si
tocchino
•Collegate con i coccodrilli i quattro limoni in serie
Zn/Cu Zn/CuZn/Cu Zn/Cu
come in figura ,
•collegate il led e vedrete che si accenderà !
https://www.youtube.com/watch?v=zfALHfCKDTo
https://www.youtube.com/watch?v=2zVTBzJBshU
fine
Prof. Ing. Vito Russoniello