Pila elettrochimica

Pila elettrochimica

Fase sperimentale

Materiale occorente:

2 matracci da 100 ml,

1 bilancia digitale,

spruzzetta con acqua distillata,

solfato di rame (CuSO₄),

solfato di zinco (ZnSO₄),

amperometro,

spatola,

imbuto in vetro,

navicella,

becher,

carta filtro,

cloruro di potassio (KCl).

Procedimento:

Dopo aver acceso la bilancia digitale, si mette al di sopra di questa un becher e poi azzeriamo la bilancia così da poter effettuare la misurazione di 15,97 g di solfato di rame, granulare e cristallino di colore azzurro, che vengono messi all'interno di questo becher attraverso una spatola.

Dopo di che mettiamo questa sostanza all'interno di un matraccio da 100 ml attraverso un imbuto in vetro. Questa sostanza verrà diluita con dell'acqua distillata necessaria per poter sciogliere l'intera soluzione.

Contemporaneamente vengono misurati sulla bilancia, tramite una navicella(vaschetta), 16,14 g di solfato di zinco che poi verranno messi in un secondo matraccio, anche questo da 100 ml.

A questo punto dopo aver diluito entrambe le soluzioni, questi matracci vengono portati a volume cioè a 100 ml ciascuno.

La seconda fase di quest'esperienza, consiste nel prendere un becher e riempirlo con un po' di cloruro di potassio a sua volta diluito con un po' d'acqua distillata. Si prendono circa 75 ml di solfato di rame in un becherino, e altri 70 ml di solfato di zinco in un altro becher.

Dopo di che scartavetriamo una lamina di rame e contemporaneamente prendiamo una lamina di zinco, ed entrambi vengono immerse nelle soluzioni precedentemente realizzate, in particolare viene immersa la lamina di zinco nella soluzione di solfato di rame mentre la lamina di rame viene immersa nella soluzione di solfato di zinco.

Le due lamine sono collegate con due cavetti dotati di pinze a coccodrillo ad un amperometro a corrente continua. La lamina dove si verifica l'ossidazione ( lamina di zinco) costituisce l'anodo della pila e corrisponde al polo negativo, mentre la lamina dove si verifica la riduzione ( lamina di rame) costituisce il catodo della pila e corrisponde al polo positivo.

L'anodo, in seguito al processo di ossidazione, si corrode; il catodo, invece, in seguito al processo di riduzione, aumenta di massa.

Osservando l'amperometro possiamo vedere che tra le due soluzioni circola corrente pari a 0,6 V , che teoricamente dovrebbe essere 1,1 V.

Il passaggio della corrente da una soluzione all'altra, è possibile attraverso un ponte salino. Questo ponte è costituito da un po' di carta filtro che viene immersa nella soluzione di cloruro di potassio precedentemente preparata.

Pertanto il ponte salino permette il collegamento elettrico delle due soluzioni mediante migrazione dei suoi ioni K⁺ e Cl^- nei versi opposti.

Questo sitema viene detto anche "cella elettrochimica"  che può essere schematizzata nel seguente modo:

Zn/Zn²⁺(1M)//Cu²⁺(1M)/Cu,

dove Zn/Zn²⁺(1M) rappresenta il passaggio di ossidoriduzione, le doppie barre rappresentano il ponte salino, e infine Cu²⁺(1M)/Cu rappresenta il passaggio di riduzione.

Fase di problematizzazione

Durante quest'ultima esperienza di laboratorio, abbiamo osservato una pila realizzata con strumenti da noi posseduti in laboratorio.

Ma che cosa è una cella elettrochimica o pila?

Le pile sono dispositivi che permettono di trasformare l'energia chimica di una reazione di ossido-riduzione spontanea in energia elettrica.

Tutte le pile derivano dall pila di Volta, che sostanzialmente era costituita da dischi metallici intervallati da cartoncini imbevuti di soluzione salina.

Una pila elettrica è, in genere, un dispositivo costituito da due sti distinti, ma tra loro comunicanti per esempio da un ponte salino o da un setto poroso, conteneti ciascuno dei due un elettrolita, che può essere liquido o solido, in cui è immerso un elettrodo fatto di materiale conduttore a bassa resistenza.

La prima pila fu ideata da Daniell per poter alimentare un telegrafo. La pila di Daniell è costituita da due due semicelle riempite rispettivamente da solfato di rame e da solfato di zinco,entrambi 1 M.

All'interno di queste celle vengono immerse due lamine metalliche che prendono il nome di elettrodi, e sono collegate con due cavetti ad un amperometro che abbia la capacità di visualizzare il voltaggio. Per collegare elettricamente le due semicelle si usa in ponte elettrochimico detto ponte salino. Questo ponte può essere di vario tipo, ricordiamo un ponte in vetro piegato ad U , riempito di una soluzione di cloruro di potassio, o altrimenti un po' di carta filtro che viene immerso e imbevuta da una soluzione di cloruro di potassio.

Quando si chude il circuito elettrico, nella pila si verifica passaggio di corrente che è possibile da dimostrare osservando un amperometro o un voltometro.

Lo zinco, presentando una maggiore capacità ossidante rispetto al rame, passerà in soluzione. Attraverso questo processo lo zinco diminuisce di massa e gli elettroni ceduti dallo zinco si trasferiscono attraverso il circuito esterno sulla lamina di rame, dove vengono consumati nella riduzione degli ioni Cu²⁺.

La reazione globale che si verifica è pari a:

Zn + Cu²⁺ Zn²⁺ + Cu.

Ciascuna semicella è caratterizzata da un certo potenziale elettrico. Questo misura la tendenza di una semireazione ad avvenire.

La forza elettromotrice (f.e.m) di una pila, che si indica con E, e si misura in Volt (V), corrispondente ad uan differenza di potenziale. In particolare, è uguale alla differenza tra il potenziale della semireazione che agisce come catodo e il potenziale della semicella che agisce da anodo.

f.e.m.= E_catodo - E_anodo.

La forza elettromotrice di una pila misura la forza con cui gli elettroni vengono spinti dall'anodo al catodo attraverso il circuito esterno,che nel caso teorico vale 1,1 V.

Più pile collegate in serie costituiscono una batteria.

Distinguiamo diversi tipi di batterie, che possono essere suddivise in due principali gruppi: batterie primarie, e batterie secondarie.

La differenza sostanziale tra una  batteria primaria ed una secondaria è: le batterie primarie non sono ricaricabili, mentre le batterie secondarie sono ricabili.