IL CANNOCCHIALE DI GALILEO MODULO: Miniature energetiche Docente esperto: Angela Corso Docente Tutor: Maria Paola Purrone

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1 Progetto F.O.R. RENDE: Formazione, Orientamento, Riqualificazione. Il territorio in rete: osservare i fattori di rischio per progettare e realizzare percorsi formativi efficaci codice nazionale: F-3-FSE Programmazione dei Fondi Strutturali 2007/2013 Obiettivo F Azione 3 Iniziative dei centri contro la dispersione scolastica Realizzazione di prototipi di azioni educative in aree di grave esclusione sociale e culturale, anche attraverso la valorizzazione delle reti esistenti IL CANNOCCHIALE DI GALILEO MODULO: Miniature energetiche Docente esperto: Angela Corso Docente Tutor: Maria Paola Purrone 1

2 L ENERGIA Tutti gli oggetti che ci circondano sono il risultato di una trasformazione dovuta all energia Il legno dei mobili, i tessuti, esistono grazie all energia solare che ha permesso alle piante di crescere I materiali in metallo esistono grazie all energia elettrica che ha consentito l estrazione dei metalli da una miniera e poi di modellarli negli oggetti che noi usiamo Poi ci sono oggetti che non solo contengono energia ma la trasmettono: la lampadina trasmette luce, il frigorifero freddo, la lavatrice movimento. Noi stessi siamo frutto di trasformazioni di energia: il nostro carburante è il cibo che a sua volta è frutto di trasformazioni energetiche. 2

3 Da dove proviene l energia della Terra? Tutto in natura è strettamente collegato, vi sono legami non solo terrestri,ma cosmici e la maggior parte delle energie che usiamo sulla terra provengono proprio dallo spazio dal Sole innanzitutto che è responsabile direttamente o indirettamente dell energia idroelettrica, quella del vento, del carbone come risultato della crescita delle piante, o del petrolio come risultato della decomposizione di organismi vegetali ed animali. Quanto all energia nucleare, anch essa è frutto di un evento cosmico moltolontanoquellocheintornoa15-20 milionidianni facreòconuna grande esplosione tutta la materia dell universo sottoforma di atomi 3

4 Cos è l energia Il calore, la luce, l elettricità, il movimento, il suono, la potenza nucleare sono aspetti di una stessa cosa: l energia L uomo usa energia in tutte le sue attività ed è alla costante ricerca di fonti dato che ne consuma in continuazione L energiaèlacapacitàchehauncorpodiprodurrelavoro L energia non si distrugge, ma si trasforma All inizio l uomo usava solo l energia che gli consentiva il suo corpo, poi iniziò a costruire arnesi che gli permettevano di sfruttare meglio la propria energia, quindi iniziò a sfruttare l energia prodotta dagli animali Quando scoprì il fuoco capì che poteva ottenere energia sottoforma di calore e più tardi inventò delle macchine che sfruttavano al meglio questa energia(le macchine a vapore) Algiornod oggilaprincipalefontedienergiaèilpetrolio 4

5 Trasformazione dell energia Un tipo di energia può essere trasformata in un altra, ma non si può creare energia dal nulla, per ottenere un tipo di energia bisogna averne un altra. La maggiore fonte di energia sulla quale possiamo contare è il Sole che, oltre a riscaldare, è responsabile della formazione dei venti, delle precipitazioni, della formazione di laghi e di fiumi che con la caduta delle loro acque alimentano le centrali idroelettriche e consentono la produzione di energia elettrica, sua volta l energia elettrica può essere trasportata e trasformata in luce, calore o movimento. Così l energia solare si è trasformata in calore, il calore in movimento, il movimento in elettricità e l elettricità in diversi tipi di energia. 5

6 DALL ENERGIA CHIMICA ALL ENERGIA ELETTRICA 6

7 La pila al limone La pila al limone è di facile costruzione, consiste di due lamine metalliche, una di zinco e l altra di rame, inserite in un limone e collegate tra loro tramite un filo conduttore o circuito esterno. Le due lamine sono immerse per qualche centimetro nel limone ma non si toccano fra loro. 7

8 Cosa ci serve a) Supporto per limoni b) N 6 elettrodi di rame dotati di boccole rosse c) N 6 elettrodi di zinco dotati di boccole nere d) N 6 fili con alle estremità uno spinotto nero ed uno spinotto rosso e) Orologio con display a cristalli liquidi 8

9 Cosa fare e cosa vedere La pila al limone può funzionare con un numero variabile di limoni, oltre al limone si può utilizzare qualsiasi altro mezzo ionico tipo arance, pomodori e altri ortaggi, nonché una semplice soluzione di cloruro di sodio (NaCl), aceto a)inserire in ciascun limone un elettrodo di rame ed uno di zinco evitando di farli entrare in contatto. b)attraverso gli appositi fili collegare in serie i limoni (elettrodo di rame collegato con l elettrodo di zinco). c)alimentare il display collegando l elettrodo di rame e quello di zinco rimasti liberi alle boccole. A questo punto vedrete il display accendersi. 9

10 Che cos è la pila al limone Il limone o più precisamente il succo di limone è una soluzione acida, in quanto contiene un acido, l acido citrico che in soluzione acquosa libera protoni (ioni idrogeno H + ) che hanno una certa tendenza ad acquistare elettroni (riducendosi) o a reagire con altri elementi. Lo zinco a sua volta è un metallo che ha la caratteristica di poter cedere elettroni (ossidandosi) e quindi precipitando in una eventuale soluzione come ione zinco (Zn 2+ ). Normalmente la reazione di ossido riduzione che è alla base della pila al limone è la seguente: Zn + 2 H + H Zn In realtà potrebbe esserci una reazione concorrente, infatti sulla superficie dell elettrodo di rame c è dell ossido di rame (CuO) che contiene Cu 2+ e questa quantità potrebbe essere sufficiente ad innescare la reazione: Cu 2+ + Zn Cu + Zn 2+ Alle condizioni standard (cioè quando tutte le specie si trovano alla concentrazione 1M ed alla temperatura di 25 C) le reazioni di ossidoriduzione che avvengono in un sistema sono previste dai potenziali di riduzione. Se fossimo alle condizioni standard il rame ionico avrebbe un potenziale di riduzione maggiore rispetto a quello esibito dallo ione H +, ma i potenziali sono fortemente influenzati dalle concentrazioni, le quali risultano incognite, quindi per semplicità assumiamo che l unica reazione che avviene al catodo è quella di riduzione dell idrogeno. 10

11 Questa equazione chimica ci dice che a contatto con una soluzione acida (il succo di limone), lo zinco (Zn) ossidandosi a ioni Zn 2+ cede elettroni ai protoni (H + ) presenti nella soluzione acida, riducendoli ad idrogeno gassoso (H 2 ). Per poter sfruttare il passaggio di elettroni dallo zinco ai protoni ai fini della produzione di un lavoro utile si deve creare un circuito elettrico esterno alla cella galvanica. Ciò si ottiene collegando con dei fili conduttori l elettrodo di Zn ad un elettrodo di metallo inerte (che cioè ordinariamente non reagisce con i protoni presenti in soluzione acida), ad esempio rame o platino. Ricapitolando se immergiamo in una soluzione acida una barretta di zinco ed una di rame collegate tra loro mediante un circuito esterno (filo conduttore) si assiste alla produzione di bolle di gas (H 2 ) sul rame e, contemporaneamente, alla corrosione della lamina di zinco. Nella cella galvanica appena descritta, l elettrodo di zinco è detto anodo e su esso avviene la reazione di ossidazione: Zn 2 e - + Zn 2+ Mentre l elettrodo di rame (inerte) è detto catodo ed è dove avviene la reazione di riduzione. 2 H e - H 2 (gas) La corrente che passa tra zinco e rame (tramite il filo conduttore) dipende dal numero di elettroni scambiati al secondo. Essa è molto bassa perché bisogna che siano soddisfatte una serie di condizioni per lo scambio degli elettroni tra metallo e ioni. Ad esempio, i protoni H + hanno difficoltà a entrare in contatto con la superficie dell elettrodo di rame e poter quindi essere neutralizzati da un elettrone. La corrente dipende molto quindi anche da come sono fatte le superfici dei due metalli (rugosità, purezza ). 11

12 Nel nostro caso la soluzione di H + è rappresentata dalla polpa del limone. Purtroppo, come per tutte le pile, anche questa è destinata a scaricarsi, in primo luogo perché lo zinco metallico si consuma. Inoltre gli elettrodi sono coinvolti in reazioni che bloccano il passaggio di corrente. Quello che accade è la produzione di idrogeno all elettrodo di rame e sullo zinco si depositano ossidi che agiscono da barriera tra il metallo e la soluzione. La tensione prodotta da una pila al limone si aggira intorno ad 1V; per ottenere un sistema che eroghi una tensione maggiore si collegano in serie più pile al limone, ottenendo così una batteria al limone la cui tensione è pari alla somma delle tensioni prodotte da ogni singolo limone. Questo tipo di pila è molto simile a quella costruita da Volta nel Egli infatti utilizzò per costruire il primo esemplare di pila una piccola colonna (pila) di coppie di dischi di rame e zinco, separate da dischi di feltro imbevuti in soluzione acida. 12

13 Scopri l Energia che è in te a)colleghiamo in serie due persone tramite un elettrodo di rame ed uno di zinco. b)alimentiamo il display collegando l elettrodo di rame e quello di zinco rimasti liberi alle boccole. c)a questo punto vediamo il display accendersi. 13

14 Anche l acqua produce energia a)colleghiamo in serie due bicchieri con acqua potabile, un elettrodo di rame ed uno di zinco. b)alimentiamo il display collegando l elettrodo di rame e quello di zinco rimasti liberi alle boccole. c)anche in questo caso vedremo il display accendersi nell acqua potabile sono presenti sali. perché 14