DETERMINAZIONE della COMPOSIZIONE di un MISCUGLIO METALLICO. OBIETTIVO: determinare la composizione di un miscuglio Cu-Zn ed esprimerla in % (m/m)

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1 DETERMINAZIONE della COMPOSIZIONE di un MISCUGLIO METALLICO OBIETTIVO: determinare la composizione di un miscuglio Cu-Zn ed esprimerla in % (m/m) Approccio al problema: 1) Zn (s) + Cl (aq) (g) + Zn ++ (aq)+ Cl (aq) poiché E + > E 1 Zn + Zn ) Cu (s) + Cl (aq) non avviene alcuna reazione poiché E + < E 1 Cu + Cu da 1) si ricava che n moli di = n moli di Zn Determinando il numero di moli di liberate è possibile risalire a quelle di Zn presenti nel miscuglio e quindi alla composizione di quest ultimo Applicando l equazione dei gas ideali, si ottiene che n = P V R T perciò il n di moli di formato è ricavato misurando il volume di gas liberato quando la reazione 1) avviene a pressione e temperatura ambiente. 1 Vedi punti e 3 delle pagine allegate Per saperne di più Vedi punto 1 delle pagine allegate Per saperne di più Gianantonio Battistuzzi Determinazione composizione miscela Cu/Zn 1

2 PARTE SPERIMENTALE Sostanze Miscela solida Cu-Zn a composizione incognita Soluzione Cl concentrato (37%) Acqua distillata Materiali Provettone codato (A) Imbuto gocciolatore (B) Beuta codata da 400ml (C) Becker da 400 ml (D) Sifone di collegamento (E) B E A C D A) Provettone codato, dove va posto il campione da analizzare B) Imbuto gocciolatore, dove va posto Cl C) Beuta codata, riempita di O distillata fino a 4-5 cm dalla coda D) Becker da 400 cm 3, riempito con circa 00 cm 3 di O distillata E) Sifone di collegamento fra la beuta codata ed il becker Funzionamento 1) Cl gocciola dall imbuto gocciolatore B al provettone A, dove avviene la seguente reazione Zn (s) + Cl (aq) (g) + Zn ++ (aq)+ Cl (aq) ) liberato passa dal provettone codato A alla beuta C, spostando un volume di O pari al suo che andrà nel becker D 3) Determinando la massa di O spostata è possibile risalire al suo volume (punto del paragrafo Calcoli), che coincide con quello di liberato dalla reazione fra Zn e Cl. Noto quest ultimo, è poi possibile calcolare il numero di moli di liberato (sfruttando l equazione dei gas ideali), che coincidono con quelle di Zn presenti nel campione. Gianantonio Battistuzzi Determinazione composizione miscela Cu/Zn

3 gruppo: data: Procedimento Pesare su un vetrino da orologio circa 0. gr del campione incognito di Cu-Zn m campione = Porre il solido nel provettone A e coprirlo con 5ml circa di acqua distillata Montare l imbuto gocciolatore B e riempirlo con 10ml di Cl conc.(con il rubinetto chiuso) Riempire la beuta codata C con acqua distillata fino a 5cm circa dalla coda Versare nel becker D 00ml circa di acqua distillata Pesare il becker D contenente l`acqua m iniziale (becker+acqua) = Riempire il sifone E con acqua distillata aiutandosi con una siringa e un secondo becker (evitare bolle d`aria); chiudere la pinza centrale e collegare come in figura Aprire la pinza del sifone Aprire lentamente il rubinetto dell`imbuto gocciolatore B e far gocciolare Cl sul campione Cosa osservi? Chiudere il rubinetto dell`imbuto prima di svuotarlo completamente Che gas si é sviluppato nella reazione? Cosa è successo al livello di acqua nella beuta? Cosa è successo al livello di acqua nel becker? Una volta terminata la reazione, abbassare il becker in modo che i livelli di liquido nei due recipienti siano uguali, così che la pressione del gas raccolto in C sia uguale alla pressione atmosferica che insiste sul liquido del recipiente D Chiudere la pinza del sifone, toglierlo e pesare il becker con l`acqua m finale (becker+acqua) = Gianantonio Battistuzzi Determinazione composizione miscela Cu/Zn 3

4 gruppo: data: CALCOLI 1. La massa di acqua spostata: m = m(finale ) m( iniziale ) = becker + becker+ m. Il volume di acqua spostata: V = = d d = densità dell acqua a temperatura ambiente (vedi tabella allegata) 3. Il volume di idrogeno sviluppato si calcola sottraendo al volume di acqua spostata il volume di Cl aggiunto nel provettone (che anch'esso ha contribuito a spostare acqua dalla beuta): V = V V = Cl 4. Poichè le pressioni che insistono sui liquidi sono uguali: P (beuta) = P P (becker) = P atm La pressione dell idrogeno prodotto è pari a: P = P = atm P ATM = pressione atmosferica (sperimentale, ricavata dalla lettura del barometro del laboratorio) P V 5. Le moli di idrogeno: n = = RT R = costante dei gas T = temperatura ambiente (sperimentale, espressa in K) P = pressione dell idrogeno espressa in atmosfere 6. Data la stechiometria della reazione: n = n = Zn 7. La massa di zinco reagito: m = n PM = Zn Zn Zn m 8. La percentuale di zinco nel campione iniziale: %Zn = Zn 100 = m campione Gianantonio Battistuzzi Determinazione composizione miscela Cu/Zn 4

5 PER SAPERNE DI PIÙ. a) Equazione dei gas ideali PV = nrt Dove: P = pressione V = volume n = numero di moli T = temperatura assoluta (espressa in gradi K) R = costante dei gas ( R= 0,081 atm l mol -1 K -1 oppure R= 8,311 kpa dm 3 mol -1 K - 1 ) L equazione dei gas ideali è soddisfatta, con buona approssimazione, da quasi tutti i gas (in certi intervalli di temperatura e pressione). Essa è un mezzo estremamente utile e valido per studiare il comportamento dei gas, in quanto, note tre delle quattro variabili che descrivono lo stato di un gas (P, V, n, T), permette di calcolare la quarta b) Attacco acido di metalli: Alcuni metalli a contatto con acido cloridrico subiscono corrosione secondo la reazione: M (s) + n Cl (aq) n (g) + M n+ (aq)+ n Cl (aq) In questa reazione si ha un trasferimento di elettroni da una specie ad un altra e quindi è una reazione di ossidoriduzione. Nell esempio, Il metallo cede elettroni e si ossida passando in soluzione acquosa sotto forma di ione. L idrogeno acquista elettroni e si riduce nella sua forma elementare gassosa. c) Scala dei potenziali standard di riduzione Considerando una generica reazione di ossidoriduzione (e trascurando i coefficienti stechiometrici): A ox + B rid A rid + B ox A ox = specie A nella forma ossidata B rid = specie B nella forma ridotta A rid = specie A nella forma ridotta B ox = specie B nella forma ossidata Qualunque reazione di ossidoriduzione si può scomporre concettualmente come la risultante di due semi-reazioni, nel nostro caso: A ox + ne - A rid B rid B ox + ne - riduzione ossidazione n = numero di elettroni coinvolti nelle due semireazioni Possiamo immaginare che le due semireazioni rappresentino le reazioni che avvengono nelle due semicelle di una ipotetica pila, ciascuna con il suo potenziale (E semicella ). La differenza rispetto ad una pila consiste nel fatto che, mentre nella pila le due semireazioni avvengono separatamente in due recipienti distinti (collegati da un conduttore elettrico e da un ponte salino in modo da consentire il passaggio di elettroni ed il mantenimento Gianantonio Battistuzzi Determinazione composizione miscela Cu/Zn 5

6 dell elettroneutralità delle soluzioni), nel nostro caso le due semi-reazioni avvengono nello stesso recipiente. La specie A ox acquista elettroni, riducendosi a A red, a spese della specie B red, la quale li cede ossidandosi a B ox, a causa dei differenti potenziali di riduzione (E) delle due seguenti semi-reazioni: A ox + ne - A rid B ox + ne - B rid E A ox E A red B ox Bred Il potenziale di riduzione definisce la tendenza della semireazione di riduzione ad avvenire, perciò maggiore è il valore di E ox/red maggiore è la tendenza della specie ossidata ad acquistare elettroni per ridursi. Nel nostro esempio, avvengono le due semireazioni seguenti A ox + ne - A rid B rid B ox + ne - riduzione ossidazione dal momento che E > A ox A red E B ox B red ne segue che A ox ha una maggiore tendenza a ridursi rispetto a B ox. Il valore del potenziale di riduzione per una generica coppia A ox /A red è definito dall equazione di Nernst (vedi esperienza sulla pila Daniell) e dipende da vari fattori. Il potenziale standard di riduzione (E A ) corrisponde al potenziale di riduzione ox A red misurato in utilizzando soluzioni in cui tutte le specie hanno concentrazione 1M, le pressioni parziali di tutti i gas coinvolti sono 1atm e il comportamento di gas e soluzioni è ideale. Nella pagina seguente è riportata la potenziali standard di riduzione (Eº), costruita assegnando il valore di 0 V al potenziale standard di riduzione della coppia + / (E o + ), che viene quindi presa come zero di tale scala. La scala dei potenziali standard di riduzione permette di prevedere, entro certi limiti, la direzione delle reazioni redox. In prima approssimazione, è quindi possibile affermare che Le specie con maggiori valori di E ossidano le specie a minore E. Nel nostro esempio se E (A ox/rid ) > E (B ox/rid ) allora la reazione avviene nel senso: A ox + B rid A rid + B ox Se invece E (B ox/rid ) > E (A ox/rid ) allora la reazione avviene nel senso: B ox + A rid B rid + A ox Gianantonio Battistuzzi Determinazione composizione miscela Cu/Zn 6

7 gruppo: data: IL METODO DELLA γ A ox B ox E A red B red Esiste un metodo grafico per prevedere la direzione di una reazione di ossidoriduzione osservando la scala dei potenziali standard: si tratta di scrivere le coppie che partecipano alla reazione (nel senso della riduzione) su un asse che rappresenta i potenziali standard, quindi tracciare una γ (gamma): la reazione procederà proprio nel senso in cui si è scritta la γ. In questo esempio: A ox + B rid B ox + A rid Osservando la scala dei potenziali standard di riduzione: Qual`è il potenziale della coppia Cu ++ /Cu : E (Cu ++ /Cu ) = Qual`è il potenziale della coppia + / : E ( + / ) = Qual`è il potenziale della coppia Zn ++ /Zn : E (Zn ++ /Zn ) = Sapresti applicare il metodo della gamma a queste tre coppie? E Secondo te + riesce a ossidare Zn a Zn ++? Secondo te + riesce a ossidare Cu a Cu ++? Se aggiungo Cl a un miscuglio di Cu e Zn cosa prevedi che succeda? Se avessimo avuto una miscela solida Pb/Zn saremmo riusciti a determinarne la composizione con lo stesso metodo (attacco acido)? Perché? Cosa prevedi che succeda a una barra di argento posta in acido cloridrico concentrato? Perchè? Gianantonio Battistuzzi Determinazione composizione miscela Cu/Zn 7

8 Potenziali normali di riduzione a 5 C Semireazione di riduzione Pot. std (E ) F (g) + e - F - +,87 V O e - O + 1,77 V MnO e - Mn O + 1,51 V PbO e - Pb + + O + 1,44 V Au e - Au (s) + 1,50 V Cl (g) + e - Cl - + 1,36 V Cr O e - Cr O + 1,33 V MnO (s) e - Mn + + O + 1,3 V O (g) e - O + 1,3 V Br (l) + e - Br - + 1,07 V NO e - NO (g) + O + 0,96 V NO e - N O 4 (g) + O + 0,80 V Ag + + e - Ag (s) + 0,80 V g + + e - g (l) + 0,79 V Fe 3+ + e - Fe + + 0,77 V O (g) e - O + 0,68 V I + e - I - + 0,54 V Cu + + e - Cu (s) + 0,5 V Cu + + e - Cu (s) + 0,34 V Cu + + e - Cu + + 0,15 V Sn 4+ + e - Sn + + 0,15 V S (s) e - S (g) + 0,14 V NO O + e - NO - + O - + 0,01 V + + e - (g) 0,00 V Pb + + e - Pb (s) - 0,13 V Sn + + e - Sn (s) - 0,14 V Ni + + e - Ni (s) - 0,5V Co + + e - Co (s) - 0,8 V Cd + + e - Cd (s) - 0,40 V Fe + + e - Fe (s) - 0,44 V Cr e - Cr (s) - 0,74 V Zn + + e - Zn (s) - 0,76 V O + e - (g) + O - - 0,83 V Mn + + e - Mn (s) - 1,18 V Al e - Al (s) - 1,66 V Mg + + e - Mg (s) -,37 V Na + + e - Na (s) -,71 V Ca + + e - Ca (s) -,87 V K+ + e - K (s) -,93 V Li+ + e - Li (s) - 3,04 V Gianantonio Battistuzzi Determinazione composizione miscela Cu/Zn 8