pila come funziona
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UN PO’ DI CHIMICA
La Pila
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Oggi vedremo come si può ottenere energia
elettrica da
Una reazione chimica
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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 !
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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)
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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)
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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
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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.
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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!
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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
-- --
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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!
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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+
+
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niente
Non osservo alcun fenomeno particolare : questo non significa che non stia succedendo niente.
??????????
niente
niente
Assolutamente niente
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•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
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- -- -- -
+ ++ ++ +
-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
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Supponiamo ora che il processo
B sia più veloce
Qualcuno di voi saprebbe disegnare la nuova situazione ?
Ci provo!
Bene!
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+ ++ ++ +
- -- -- -
+
soluzione
metallo
-
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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
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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.
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. 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
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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
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Perché questa pila funzioni è
necessario anche un altro
elemento:Il ponte salino
A cosa serve?
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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,
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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?
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Si è accesa!!!
Adesso colleghiamo i fili
alla lampadina e …
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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
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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!
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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
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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
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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
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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?
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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 !
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• 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 !
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fine