Concetti Chiave
- Le pile convertono energia chimica in energia elettrica tramite reazioni redox spontanee, coinvolgendo due semicelle con elementi in differenti stati di ossidazione.
- Il ponte salino è essenziale per mantenere la neutralità elettrica, permettendo il passaggio di ioni tra le semicelle senza mescolarle.
- Sperimentazioni con pile Daniell, zinco-argento e rame-argento permettono di osservare le variazioni di voltaggio e il ruolo delle lamine come anodo e catodo.
- Le reazioni redox nelle pile coinvolgono il trasferimento di elettroni, con l'elettrodo di ossidazione definito anodo e quello di riduzione definito catodo.
- L'esperimento verifica il potenziale di riduzione degli elementi rispetto all'idrogeno, classificandoli come ossidanti o riducenti a seconda del flusso di corrente.
Relazione, le pile
Scopo: verificare il funzionamento delle pile.
Materiali:
-Voltmetro;
-Becker;
-Lamina di zinco;
-Lamina di rame;
-Lamina d’argento;
-Soluzione di nitrato di rame 0,1M;
-Soluzione di nitrato di zinco 0,1M;
-Soluzione di nitrato d’argento 0,5M;
-Ponte salino;
-Soluzione di nitrato d’ammonio;
Riferimenti teorici
Una pila ospita reazioni redox spontanee e converte energia chimica in energia elettrica. Essa è costituita da due semicelle (o semielementi) ciascuna delle quali contiene lo stesso elemento in due stati di ossidazione differenti.
Voltmetro: misura la differenza di voltaggio.
Voltaggio: differenza di potenziale fra i due elettrodi. Si misura in volt.
Ponte salino: dispositivo che permette di mantenere la neutralità elettrica in una cella elettrochimica, collegando le due semicelle in cui avvengono rispettivamente l'ossidazione e la riduzione. Esso deve contenere una soluzione di sale solubile che dissocia in ioni.
Procedimento1- Pila Daniell, Pila zinco-rame
Metto all’interno di un becker la soluzione di nitrato di rame 0,1M e inserisco la lamina di rame. Nel secondo becker verso la soluzione di nitrato di zinco 0,1M e inserisco la lamina di zinco. Inserisco nel ponte salino una soluzione di nitrato di ammonio e tappo le estremità con del cotone. Collego il voltmetro. Verifico la possibile attività del voltmetro e segno l’eventuale voltaggio.
Procedimento2- Pila argento-zinco
Metto all’interno di un becker la soluzione di nitrato di argento 0,5M e inserisco la lamina di argento. Nel secondo becker verso la soluzione di nitrato di zinco 0,1M e inserisco la lamina di zinco. Inserisco nel ponte salino una soluzione di nitrato di ammonio e tappo le estremità con del cotone. Collego il voltmetro. Verifico la possibile attività del voltmetro e segno l’eventuale voltaggio.
Procedimento3- Pila argento-rame
Metto all’interno di un becker la soluzione di nitrato di argento 0,5M e inserisco la lamina di argento. Nel secondo becker verso la soluzione di nitrato di rame 0,1M e inserisco la lamina di rame. Inserisco nel ponte salino una soluzione di nitrato di ammonio e tappo le estremità con del cotone. Collego il voltmetro. Verifico la possibile attività del voltmetro e segno l’eventuale voltaggio.
Dati e reazioni
1: Zn⁰ - 2e⁻ --> Zn²⁺
Cu²⁺ +2e⁻ --> Cu⁰
Voltaggio: 3,6V
2: Ag⁺ + e⁻ --> Ag⁰
Zn⁰ - 2e⁻ --> Zn²⁺
Voltaggio: 5,6V
3: Cu⁰ -->Cu2+ + 2e-
Ag+ + e- --> Ag⁰
Voltaggio: 1,7V
Osservazioni
Se tolgo il ponte salino, il voltemetro non segna alcun voltaggio.
Conclusioni
Nel primo esperimento abbiamo preso in considerazione la pila di Daniell in cui avviene la reazione tra ioni Cu+ e zinco metallico. Nella seconda abbiamo utilizzato argento e zinco. Nella terza argento e rame.
Prendiamo come esempio la seconda reazione. In essa gli ioni argento passano dalla soluzione alla lamina. Questa è chiamata semicella di riduzione. Gli ioni della lamina di zinco passano invece nella soluzione. Essa è la semicella di ossidazione. Se dopo un certo intervallo di tempo provassimo a misurare la massa delle due lamine, avremmo una massa minore per l’elettrodo di zinco, e una massa maggiore per l’elettrodo di argento.
Diagramma di cella: - Zn⁰ / Zn2+// Ag+ / Ag0 +
/ --> lamina
// --> ponte salino
Le due soluzioni sono collegate tramite il ponte salino ed esso è indispensabile perchè permette il passaggio di ioni da una semicella all’altra senza che esse si mescolino. Se esso viene tolto l’equilibrio elettrico non sarebbe ristabilito e il circuito non sarebbe più chiuso. Di fatto il nitrato di ammonio si dissocia in NH₄⁺ e NO₃¯ Gli ioni NO₃¯ vengono attirati dagli ioni zinco e bilanciano l’eccesso di ioni positivi. Stessa cosa avviene con gli ioni NH₄⁺, che attirati nella semicella dell’argento, bilanciano gli ioni negativi.
L’elettrodo in cui avviene l’ossidazione è chiamato anodo, mentre quello in cui avviene la riduzione è chiamato cadoto.
Dato che la corrente passa solo se vi sono due elementi, è stata realizzata una tabella contenente i voltaggi dei vari elementi prendendo come campione l’idrogeno. Ad esso è stato assegnato valore 0. Chi è meno riducente dell’argento ha valori positivi, chi è più riducente ha valori negativi. Per verificarlo hanno provato il precedente esperimento abbinando all’idrogeno ogni elemento, e hanno verificato se la corrente andava nel verso corretto. In caso affermativo l’elemento era classificato come ossidante, quindi l’idrogeno cede elettroni. In caso negativo l’elemento veniva classificato come riducente. Tutto questo a temperatura di 25 ° e con soluzioni 1M.
Domande da interrogazione
- Qual è lo scopo principale dell'esperimento descritto nel testo?
- Quali materiali sono stati utilizzati per l'esperimento delle pile?
- Come funziona il ponte salino in una cella elettrochimica?
- Quali sono le reazioni redox osservate nei diversi esperimenti di pile?
- Cosa succede se si rimuove il ponte salino durante l'esperimento?
Lo scopo principale è verificare il funzionamento delle pile attraverso reazioni redox spontanee che convertono energia chimica in energia elettrica.
Sono stati utilizzati un voltmetro, becker, lamine di zinco, rame e argento, soluzioni di nitrato di rame, zinco e argento, un ponte salino e una soluzione di nitrato d'ammonio.
Il ponte salino mantiene la neutralità elettrica collegando le due semicelle, permettendo il passaggio di ioni senza mescolare le soluzioni, essenziale per il funzionamento del circuito.
Le reazioni redox osservate sono: Zn⁰ - 2e⁻ → Zn²⁺ e Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu⁰ per la pila Daniell; Ag⁺ + e⁻ → Ag⁰ e Zn⁰ - 2e⁻ → Zn²⁺ per la pila argento-zinco; Cu⁰ → Cu²⁺ + 2e⁻ e Ag⁺ + e⁻ → Ag⁰ per la pila argento-rame.
Se si rimuove il ponte salino, il voltmetro non segna alcun voltaggio poiché l'equilibrio elettrico non è ristabilito e il circuito non è più chiuso.
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