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