Relazione laboratorio (pila), Chimica fisica

MATERIALI E STRUMENTAZIONE:

Pila Weston già allestita;

Termocriostato con regolazione temperatura;

Termoresistenza;

Computer con interfaccia per archiviazione dati;

PRINCIPIO DEL METODO:

Nella cella Weston avvengono le reazioni di ossidoriduzione che generano la forza elettromotrice

secondo le redox: + + 42-

Cd(Hg) → Cd + 2e Hg SO +2e → 2Hg + SO

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Elettrodo di sinistra (anodo) Elettrodo di destra (catodo)

Misurando i valori di fem (E) di celle elettrochimiche che lavorano in condizioni di reversibilità, è

possibile determinare grandezze termodinamiche delle reazioni chimiche che costituiscono il

processo elettromotore della pila. Ipotizzando che venga prodotto solo lavoro elettrico è possibile

determinare il valore di energia libera secondo l’equazione:

ΔG = -nFE

Dove n è il numero di elettroni scambiati nella reazione e F la carica di una mole di elettroni (96485

C/mol). L’entropia del processo è quindi proporzionale al coefficiente termico della pila e vale:

[ ] [ ]

∂∆G ∂E

S ∆ S=nF

=−∆ quindi avremo:

∂T ∂T

p p

Ora dalla relazione ΔG = ΔH –TΔS è possibile estrapolare il valore di entalpia del processo dalle

equazioni precedenti: ∂E

( )

∆ H=nF [T −E ]

∂T p

E abbiamo ottenuto tutti i valori di grandezze termodinamiche del processo in questione.

ELABORAZIONE DATI:

I valori di fem e temperatura archiviati durante l’esperienza permettono di elaborare un grafico che

rende l’idea dell’andamento della forza elettromotrice al variare della temperatura; la cella Weston è

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Leonardo Calabresi RELAZIONE PILA WESTON 20/02/2013

una pila con ΔG negativo quindi

all’aumentare della temp avremo una

diminuzione della fem come si può vedere dal

grafico:

Ad ogni variazione di temperatura

corrisponde una variazione di fem; quando

negli intervalli entrambe diventano costanti, è

possibile determinare un valore medio.

In questo modo possiamo costruire, tramite il

fitting lineare, una retta dove la sua equazione

esprime il comportamento della pila con la

temperatura: la derivata rispetto a T di tale

equazione ci permette di calcolare il

coefficiente termico della pila e, di partire per

i calcoli termodinamici successivi.

Prima di tutto conviene calcolare l’entropia del processo che equivale ad un solo valore; per farlo

calcoliamo il coefficiente termico della pila che sarebbe la derivata rispetto alla

temperatura dell’equazione della retta di

fitting che vale: -0.00021487

quindi avremo: [ ]

∂E =−0.00021487

∂T p

E otteniamo così facilmente il valore dell’entropia:

[ ]

∂E

∆ S=nF =¿

∂T p

C

2∗96485 ∗(−0.00021487 )=−41,463

mol

Conoscendo il valore del coefficiente termico

Possiamo ricavarci semplicemente i valori

di ΔH di reazione riportati in tabella

utilizzando la relazione nota: [ ]

∂E

( )

∆ H=nF T −E

∂T p

Ora utilizzando l’equazione: ΔG = ΔH – TΔS

Possiamo determinare agevolmente i valori di energia libera del processo considerato.

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Leonardo Calabresi RELAZIONE PILA WESTON 20/02/2013

Nelle equazioni precedenti, T corrisponde alle temperature medie espresse in Kelvin, convertite

quindi nella scala assoluta, ed E alla forza elettromotrice media; i valori sono riportati in tabella.

<fem> (V) <T> (K) ΔG (J) ΔH (J)

5 5

1.0366 292,35 -2,0003 * 10 -2,1215 * 10

5 5

1.0367 291,74 -2,0005 * 10 -2,1215 * 10

5 5

1.0369 290,73 -2,0009 * 10 -2,1215 * 10

5 5

1.0371 290,02 -2,0013 * 10 -2,1215 * 10

5 5

1.0373 289,18 -2,0017 * 10 -2,1216 * 10

5 5

1.0375 288,19 -2,0021 * 10 -2,1216 * 10

5 5

1.0377 287,28 -2,0024 * 10 -2,1216 * 10

5 5

1.0379 286,29 -2,0028 * 10 -2,1215 * 10

5 5

1.0381 285,33 -2,0032 * 10 -2,1215 * 10

5 5

1.0383 284,24 -2,0036 * 10 -2,1215 * 10

ΔS = -41,463 J/K

PROCEDIMENTO, OSSERVAZIONI FINALI:

La cella Weston consiste in un tubo di vetro a

forma di "H". Gli elettrodi sono costituiti uno

da una miscela di mercurio e solfato di

mercurio (HgSO ) e l'altro da un' amalgama di

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cadmio in mercurio; entrambi gli elettrodi si

trovano a contatto con una soluzione di solfato

di cadmio (CdSO ). Questa soluzione funge

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anche da giunzione tra i 2 semielementi. il comportamento della pila Weston dipende molto dalla

concentrazione di cadmio in mercurio nell'amalgama; una cella standard contiene il 12.5% in peso

di Cd in Hg. I collegamenti elettrici avvengono attraverso dei fili di platino immersi da un lato nel

mercurio e dall'altro nell'amalgama. La misura della fem ai capi dei due elettrodi va effettuata

ipoteticamente con passaggio di corrente che tende a zero (quindi a impedenza infinita); ciò

ovviamente non è possibile ma grazie ai voltmetri elettronici si può raggiungere un' impedenza di

circa 10 GΩ, ciò rende il passaggio di corrente trascurabile e il processo può essere considerato

reversibile.

Preparare la postazione di lavoro posizionando la pila Weston nel bagno d'acqua del termocriostato;

collegare la cella all'interfaccia del pc ed inserire la termoresistenza per il controllo della

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