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Fenomeni di ossidoriduzione: l’elettrolisi/aspetti qualitativi



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Fenomeni di ossidoriduzione: l’elettrolisi/aspetti qualitativi




Scopo della prova


Determinare, osservare e descrivere gli aspetti qualitativi che vengono a prodursi durante una elettrolisi.


Materiale usato


lamina di zinco;



lamina di rame;

ZnSO4;

CuSO4 in soluzione acquosa;

KI in soluzione acquosa;

fenolftaleina;

salda d’amido

Na2SO4 in soluzione acquosa;

tornasole;

lamine di acciaio inox;

ponte salino;

voltmetro;

morsetti a coccodrillo;

fonte di corrente continua;

bicchieri;

materiale per pulizia.





Quando si fa passare elettricità attraverso un composto ionico fuso o una soluzione contenente ioni (un elettrolita) avviene una reazione chimica, una decomposizione detta elettrolisi.

L’energia chimica può venire convertita in elettrica, questo processo avviene nelle pile o celle galvaniche e negli accumulatori.

È stata così costruita una pila (chiamata pila Daniell) costituita da due elettrodi, una lamina di zinco e una di rame immerse rispettivamente in una soluzione di un proprio sale (solfato di zinco e solfato di rame). Le due soluzioni sono in contatto elettrico tramite un ponte salino che serve per mantenere una neutralità elettrica, indispensabile per poter realizzare la trasformazione. Un ponte salino è un tubo riempito con un elettrolita (in questo caso era KNO3), chiuso ai due estremi da tamponi porosi. Senza di esso, quindi, in una cella galvanica non può essere generata energia elettrica.

In seguito sono state messe a contatto le due lamine attraverso un filo elettrico. Si nota un passaggio di corrente dalla cella costituita dallo zinco a quella del rame, dovuto a due reazioni chimiche. La prima reazione è l’ossidazione all’anodo dello zinco:

Zn0 – 2e- ----> Zn2+

l’altra è la riduzione al catodo del rame:


Cu2+ +2e- ----> Cu0


La reazione globale di questa pila è data dalla somma delle reazioni parziali che avvengono al catodo e all’anodo:


Cu2+ + Zn0 ----> Cu0 + Zn2+


Questo si può indicare anche nel modo seguente:


Zn0/Zn2+ // Cu2+/Cu0


Dove a sinistra viene indicato l’elemento all’anodo e a destra quello al catodo.

Osservando le lamine si nota che quella di zinco pesa di meno mentre quella di rame pesa di più rispetto alle condizioni iniziali. Quindi si può prevedere che la soluzione di solfato di rame diventerà incolore perché gli ioni Cu2+ in essa contenuti diventeranno rame metallico.

Leggendo sul voltmetro il valore si nota che il potenziale della pila zinco-rame è di circa 0,9 Volt.


Per eseguire la prova sono stati predisposti tre bicchieri nel modo seguente:

soluzione di colore azzurro di solfato di rame acquoso;

soluzione acquosa di KI con la presenza di fenolftaleina e salda d’amido;

soluzione incolore di Na2SO4 acquosa, con la presenza del tornasole.


Negli ultimi due bicchieri sono presenti tre indicatori di acidità e basicità: la fenolftaleina che diventa rosa se in ambiente basico e incolore se in ambiente acido , la salda d’amido che ha una colorazione blu e il tornasole che, invece, è rossiccio se in soluzione acida e azzurro se in soluzione basica.

In questi bicchieri venivano immerse due lamine di acciaio inox, disposte parallelamente tra di loro, collegate con due morsetti a coccodrillo in una sorgente a corrente continua.

Fatto questo si osservava cosa avveniva al catodo e all’anodo nei tre differenti bicchieri; nel primo bicchiere è stata invertita anche la polarità invertendo gli elettrodi. I risultati ottenuti sono stati raccolti nella seguente tabella:





Elettrodi

Catodo ( - )

Zona Catodica

Anodo ( + )

Zona anodica

Celle elettrolitiche





CuSO4 (aq)

Ramea

più chiaro

gas

niente

CuSO4 (aq) invertito

Gas

Niente

Ramea

più chiaro

KI (aq) + fenol.+salda

Gas (H+)


OH- I-

Basico/colore viola

Na2SO4 (aq) + tornasole

Gas (H+ )

Acido

O2

Base





Si provi ora ad analizzare i tre diversi casi provando a spiegare le ragioni di quello che avveniva.






1° BICCHIERE

Si nota che la lamina di acciaio che costituisce il catodo, o polo negativo, si ricopre di rame mentre alla lamina costituente l’anodo, o polo positivo, si liberano delle bollicine di gas.

Due sono stati i fenomeni:

DISSOCIAZIONE. – le molecole di CuSO4 si sono dissociate in Cu2+ e SO42-

ELETTROLISI. – gli ioni sono stati attirati dai poli di segno contrario: i cationi Cu2+ e H+ al catodo; gli anioni OH- e SO42- all’anodo.


Questo perché cariche elettriche di segno contrario si attraggono e cariche elettriche di segno uguale si respingono. Cosa succede agli ioni?

Cu2+: gli ioni rameici al polo negativo riacquistano gli elettroni che avevano ceduto nella reazione; ritornano allo stato neutro Cu0 diventando rame metallico che si deposita sulla lamina.

SO42-: all’anodo cede gli elettroni che aveva acquistato durante la reazione diventando SO4. Se l’anodo fosse costituito da un metallo capace di reagire, formerebbe un sale; essendo invece formato da acciaio inox, che non reagisce,  non resta che la reazione con acqua. Si ha così:

H2O + SO4 ----------> H2SO4 + O

L’ossigeno liberato forma molecole di ossigeno che si liberano sotto forma di bollicine di gas.

Si nota così che la zona catodica diventa più chiara mentre alla zona anodica non succede niente.


1° BICCHIERE (invertito)


La stessa prova è stata eseguita con un’unica differenza: sono state invertite le polarità cosicché l’anodo è diventato negativo ed il catodo positivo.

Il ragionamento sarà sempre il precedente soltanto con la differenza che si formerà rame metallico che si depositerà all’anodo mentre al catodo si avrà liberazione di ossigeno gassoso.

Attorno alla zona anodica la soluzione diventerà più chiara mentre attorno alla zona catodica non succederà nulla.

Si può così fare una previsione: con il passare del tempo nella zona in cui si forma rame metallico la soluzione diventerà incolore. Quindi nel CuSO4 è l’elemento rame a dare il colre blu.


2° BICCHIERE


Come detto nel bicchiere contenente la soluzione di ioduro di potassio sono stati messi due indicatori acido-base: la fenolftaleina e la salda d’amido.  Si osserva che la lamina di acciaio al catodo forma gas mentre all’anodo si colora di giallo e viola. Anche qui si riscontrano due fenomeni:

DISSOCIAZIONE. – KI si dissocia in K+ e I-;

ELETTROLISI. – gli ioni sono attirati nel seguente modo: K+ e H+ al polo negativo, cioè al catodo, OH- e I- al polo positivo, cioè all’anodo.

Si analizzi ora cosa succede nelle due zone:

Catodo : H+ si riduce, perché prevale sugli ioni K+ ,fino a formare H2 gassoso che quindi libererà bollicine

Anodo : la soluzione si colorerà di viola in quanto l’ambiente diventerà basico per la presenza di ioni OH- e la fenolftaleina colorerà di viola la soluzione circostante. Lo ione I- si ossida e forma un colore giallo con la salda d’amido.



3° BICCHIERE


In questo bicchiere è stato messo un altro indicatore acido-base, il tornasole.

Anche in questo caso i fenomeni sono:

DISSOCIAZIONE. – Na2SO4 si dissocia in Na+ e SO42- ;

ELETTROLISI. – gli ioni H+ e Na+ si muoveranno verso il catodo e gli ioni SO42- e OH- andranno verso l’anodo.

Si può quindi dire che si formano due zone:

Zona acida di colore rossiccia per l’effetto del tornasole, presenza di ioni Na+ e H+, quest’ultimo formerà idrogeno gassoso in seguito alla sua riduzione.

Zona basica di colore azzurrino( sempre per effetto dell’indicatore) dove lo ione OH- prevale sullo ione SO42-, ci sarà quindi la formazione di ossigeno gassoso.


Notiamo che questa è la semplice dissociazione elettrolitica dell’acqua, difatti considerando gli indici da una parte e dall’altra si nota che ci saranno il doppio di ioni H+ rispetto a quelli di OH- (H2O).

Allora ci si può porre la seguente domanda: non bastava mettere solo l’acqua, che ruolo compie in tutto ciò l’ Na2SO4?

Si noti che se si mette solo acqua distillata secondo il voltmetro non si verifica nessun fenomeno in quanto H2O pura è considerata non conduttrice. Quindi l’ Na2SO4 serve per creare l’elettrolisi indiretta dell’acqua fornendo gli ioni che servono per far partire la dissociazione.













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