Pila come funziona

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UN PO’ DI CHIMICA

La Pila


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

cosa notate?

Sulla lamina si forma una roba

nerastra

La soluzione sta diventando

più chiara !


Sta avvenendo una reazione, quella che i chimici chiamano

ossidoriduzioneIl rame si riduce depositandosi sullo

zinco in forma di rame metallico Cu Mentre lo

zinco si ossida

passando in soluzione

sotto forma di ioni Zn++

Cu+2(aq) + Zn(s) Cu(s) + Zn+2

(aq)


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)


Il principio di funzionamento è analogo a quello

della pila di Volta e delle pile in

generale

Ecco qui lo strumento che ci

permetterà di ottenere da quella

reazione energia elettrica.

Quella che vedete qui è una

pila di Daniel.

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, Luca!


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.

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 (SO4

2– è la loro formula chimica). Analogamente, il solfato di rame si scinde in ioni Cu2+ e ioni SO4

2–.

ZnSO4 Zn++ + SO4

--- ---

CuSO4 Cu++ + SO4

-- --


Le lamine di metallo, che vediamo nella pila

di Daniel,sono di zinco Zn e di

rame CuDove 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!


Ora vediamo cosa succede se metto in un becker una soluzione di solfato di zinco e vi immergo una lamina di zinco

e in un altro becker metto una soluzione di solfato di rame e vi immergo una lamina di rame

ovveropongo un metallo in una soluzione dei suoi stessi ioni

Metallo ZnIone Zn++

Metallo CuIone Cu++

ZnCu

Zn++

Cu++

Zn++

Zn++

Cu++

Cu+

+


niente

Non osservo alcun fenomeno particolare : questo non significa che non stia succedendo niente.

??????????

niente

niente

Assolutamente niente


•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-

•Alcuni ioni positivi dalla soluzione si depositano sul metallo allo stato di atomi neutri

Men+ + ne- ↔ Me

A B

In realtà avvengono due processi

e-= elettroni


- -- -- -

+ ++ ++ +

-metallo

soluzione+ Si forma un

doppio strato elettrico che

comporta una differenza di

potenziale ddp

La situazione è quella dello

Zinco

Supponiamo che il

processo

A sia più veloce

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


Supponiamo ora che il processo

B sia più veloce

Qualcuno di voi saprebbe disegnare la nuova situazione ?

Ci provo!

Bene!


+ ++ ++ +

- -- -- -

+

soluzione

metallo

-


Prova a spiegare il

disegno che hai fatto!

Anche in questo caso avvengono i due

processi : si staccano atomi dal metallo

lasciando elettroni, mentre dalla soluzione si depositano ioni positivi

sul metalloQuesta 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

Perfetto ! La situazione

che hai descritto è quella del

rame

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 e 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,


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-

Come è fatto?


Si è accesa!!!

Adesso colleghiamo i fili

alla lampadina e …


Dopo un certo periodo di funzionamento la corrente cessa (cioè la pila “si

scarica”) perché tutti gli ioni Cu2+ ,inizialmente presenti nella soluzione, si sono depositati sulla

sbarretta di rame, oppure la sbarretta di zinco si è tutta disciolta: il serbatoio di

energia viene a essere esaurito e la reazione che determina il passaggio di

corrente non può più aver luogo.

Zn Zn2+ + 2e–

ANODO

OSSIDAZIONE

Cu2+ + 2e– Cu

CATODO

RIDUZIONE


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

Cioè???

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



Per esempio i valori dei potenziali sonoZn++/Zn = -0,76 VCu++/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


Prof! Mi dice come

adesso come faccio a fare una pila a casa?

Giusto! Ti basta un filo elettrico

spellato o una monetina da 5 centesimi, una

graffetta, 5 coccodrilli per i

collegamenti, un led, e … un

limone!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!!!!

Io l’ho vista fare con le patate!

Io con la frutta!

Ricordate: due metalli e una soluzione elettrolitica !


• mettete in ogni limone i due elettrodi facendo attenzione che non si tocchino• Collegate con i coccodrilli i quattro

limoni in serieZn/Cu Zn/CuZn/Cu Zn/Cu

come in figura , • collegate il led e vedrete che si

accenderà !


fine

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