ESPERIMENTO di EMANUELE DATA CLASSE III C GENERATORE

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1 ESPERIMENTO di EMANUELE DATA CLASSE III C IL MIO GENERATORE

2 L esperimento scelto vuole cercare di imitare il funzionamento di una batteria, sapendo che quest ultima è un dispositivo che trasforma l energia chimica in energia elettrica (da qui il titolo Il mio generatore). Per questo motivo ci poniamo i seguenti obiettivi: costruire una pila attraverso la stessa soluzione elettrolitica presente in più provette, che reagisce con laminette di magnesio, per accendere un led; comprendere e dimostrare la reazione che consente al led di accendersi. La scelta del led è giustificata dalla sua bassa tensione e quindi dalla sua efficienza.

3 Bisogna chiarire che nel corso dell esperimento è stato necessario aggiungere delle sostanze (che all inizio non avremmo pensato di utilizzare) in seguito a fallimenti nella riuscita della prova e alla luce delle nuove ipotesi avanzate. Scriviamo ora gli strumenti utilizzati in tutto l esperimento: Provette; Un porta-provette; Fili di rame (come conduttori); Un led; Due morsetti a coccodrillo; Un bicchiere graduato e una beuta; Capsula; Una siringa; Una pipetta; Una spatola; Un agitatore o miscelatore; Bilancia (sensibilità=0.01g) Un voltmetro (sensibilità1=0,1v;sensibilità2=0,5v; portata1=1,5v; portata2=15v); Una pila 4,5 V; Cartina con indicatore universale.

4 Le sostanze utilizzate sono le seguenti: 20 ml di acqua distillata (H 2 O) per provetta; Una spatolina di sodio solfato anidro (Na 2 SO 4 ) per provetta; Circa dieci gocce di acido solforico (HSO 4 ) per provetta; Acido cloridrico(hcl); Indicatore universale; Fenolftaleina; Timolftaleina; Blu di bromotimolo;

5 DESCRIZIONE DELLA PROVA Prepariamo una soluzione di NA 2 SO 4 in un bicchiere graduato ( 40 ml di H 2 O + due spatoline di sostanza). Dividiamo la soluzione in due provette e le colleghiamo in serie con i fili di rame e le laminette di magnesio (come in figura) al led. fili di rame magnesio

6 VERIFICA CONTATTI Il led dovrebbe accendersi, ma non è così. Decidiamo quindi di controllare che i collegamenti siano corretti e che i contatti siano ben bloccati. A tal scopo utilizziamo i morsetti a coccodrillo. Proviamo inoltre ad aumentare la concentrazione della soluzione aggiungendo del soluto.

7 OSSERVAZIONE SULL EFFERVESCENZA Il led dovrebbe ora accendersi, ma non è così. Pensiamo allora che il problema sia nelle laminette di magnesio che sono ossidate. Dopo aver pulito queste ultime con dell acido cloridrico (HCl), ripetiamo l esperimento. Il led non si accende, tuttavia notiamo ora che nelle due provette c è un effervescenza perché si stanno formando delle bollicine.

8 Non può trattarsi di anidride carbonica perché nei reagenti non sono presenti degli atomi di carbonio. Ipotizziamo che il gas liberato sia idrogeno. Per verificarlo prepariamo in un altra provetta la soluzione di sodio solfato anidro. Misuriamo il ph di quest ultima e di una di quelle in cui è stato immerso il magnesio. La prima risulta essere neutra, la seconda, invece, basica. Questo significa che la concentrazione di H + nella soluzione è diminuita. Pertanto è stato liberato dell idrogeno. La reazione che avviene è la seguente: Mg (s) + 2 H 2 O (l) Mg(OH) 2 (aq) + H 2 (g) Il ph diventa basico per la formazione dell idrossido. Qualunque processo di ossidazione avviene sempre in concomitanza con un processo di riduzione, e viceversa. Da questo possiamo dedurre che sta avvenendo una reazione di ossidoriduzione come spiegheremo meglio più tardi.

9 Nella seguente immagine possiamo notare che il magnesio tende ad ossidarsi anche nell acqua distillata, ma nella soluzione la reazione è più facilitata. L ossidazione del magnesio è dimostrata dalla colorazione rosa che la fenolftaleina assume in ambiente basico.

10 Per avere un altra conferma, aggiungiamo nelle provette la timolftaleina e la fenolftaleina, che, in ambiente basico, prendono rispettivamente un colore blu e rosa. Fenolftaleina Timolftaleina

11 VERIFICA DEL FUNZIONAMENTO DEL LED E CONSIDERAZIONE SULLO SPESSORE DEI CAVI Verifichiamo che il led funzioni attraverso una pila da 4,5 V. Pensiamo inoltre anche allo spessore dei fili di rame che utilizziamo. Infatti tanto maggiore sarà il loro diametro o la loro lunghezza, tanto più sarà difficile accendere il diodo, poiché sarà necessaria una maggiore produzione di energia. Ci occupiamo pertanto di tagliare gli elettrodi con la minima lunghezza sufficiente a collegare le provette.

12 OMOGENEITA DELLE SOLUZIONI Dopo aver aumentato la concentrazione della soluzione e dopo aver bloccato i contatti, l esperimento non ha ancora raggiunto il suo primo obiettivo. Probabilmente la reazione sopracitata non può avvenire poiché la soluzione non è abbastanza omogenea; proviamo dunque ad miscelarla con un agitatore. Dopo questa considerazione, notiamo che il led inizia a emettere luce, ma solo per pochi istanti. La produzione di H 2, inoltre, aumenta notevolmente.

13 MISURE DI TENSIONE ELETTRICA Il led utilizzato è da 1,5 V. vogliamo cercare di capire se il nostro generatore è in grado di accenderlo per un tempo prolungato. Per questo motivo colleghiamo i due elettrodi (prima sempre a contatto con il led) ad un voltmetro per misurare la differenza di potenziale elettrico prodotta. Quello che utilizziamo presenta due scale che vengono lette a seconda di come i cavi sono collegati. Ciò consente di aumentare la sensibilità dello strumento per generatori (come il nostro) che non producono un alta tensione.

14 L ago del voltmetro segna 1,2 V e, quando agitiamo, la soluzione arriva fino a 1,5 V. Al trascorrere del tempo, notiamo che la lancetta scende sempre di più. Ciò avviene poiché la reazione si sta esaurendo.

15 REAZIONE DI OSSIDO-RIDUZIONE Occorre ora ragionare sulla reazione che avviene all interno delle provette e, quindi, in che modo si forma la differenza di potenziale elettrico. Come già accennato, se avviene un processo di ossidazione, significa che si sta verificando anche un processo di riduzione. Ad ossidarsi è il magnesio, che cede elettroni, mentre l idrogeno, che li acquista,si riduce. Il magnesio si ossida: Mg 2+ (aq) + 2 e Mg (s) L idrogeno si riduce: 2 H + (aq) + 2 e H 2 (g)

16 Da questo deriva l importanza del fatto che i collegamenti fra led, fili di rame e laminette di magnesio siano corretti. Il magnesio, infatti, libera elettroni che devono arrivare all anodo (cavo nero). Quest ultimo è sempre l elettrodo su cui avvengono processi di ossidazione; nel nostro caso sul magnesio, che è attaccato al cavo. Invece, il catodo è sempre l elettrodo su cui avvengono processi di riduzione; nelle provette, infatti, l idrogeno si riduce acquistando gli elettroni ceduti dal magnesio.

17 Possiamo rappresentare la nostra pila (riportando prima la coppia di ossidazione e poi quella di riduzione) come Mg/Mg 2+ // H + /H 2. Inoltre, è possibile analizzare la reazione che avviene attraverso i potenziali standard di riduzione E relativi ad un elettrodo campione. Come tale è stato scelto l idrogeno (in una soluzione acida 1 M a 25 C), al quale si assegna convenzionalmente E = 0.00 V, che si riduce o si ossida a seconda che abbia maggiore o minore capacità dell altro elemento di attirare a sé gli elettroni. Nella nostra pila, l altro reagente è costituito dal magnesio, il quale ha E = V. Pertanto, l idrogeno, avendo un potenziale standard di riduzione maggiore rispetto al magnesio, si riduce, mentre l altro elemento si ossida.

18 ACCENSIONE DEL LED Grazie alla differenza di potenziale elettrico creata dalla reazione redox, si forma il flusso di elettroni, che consente al led di accendersi.

19 RIFLESSIONE SULL ELETTROLITA UTILIZZATO In base a quanto detto precedentemente circa la reazione, quest ultima sarà più facilitata se la concentrazione di H + aumenta. Questo ci premette inoltre di capire perché, anziché una soluzione di Na 2 SO 4, avremmo dovuto utilizzarne una di idrogenosolfato di sodio (NaHSO 4, sostanza che noi non avevamo a disposizione), che avrebbe dato un ph acido. Infatti: NaHSO 4 (aq) Na + + HSO - 4 HSO 4 - H + + SO 4 2- H + che si riducono

20 Invece nella soluzione di sodio solfato anidro: Na 2 SO 4 2Na + + SO 4 - Come si può notare, dalla dissociazione del sodio solfato anidro, non si formano H +. Gli unici presenti all interno delle soluzioni sono quelli dell acqua.

21 PROVE DI INCREMENTO DELLA TENSIONE Dopo aver compreso che per incrementare la tensione occorre abbassare il ph, decidiamo di aggiungere una decina di gocce di acido solforico(hso 4 ) nelle provette. Misuriamo poi la differenza di potenziale elettrico e notiamo che è aumentato arrivando a 1,5 V. (Leggi scala superiore)

22 Vogliamo adesso provare ad incrementare la tensione creata aumentando il numero delle provette collegate in serie tra loro e cercare di capire se può esserci una relazione tra numero provette e d.d.p. Per ogni provetta il soluto sarà circa 1,55 g. Dopo aver aggiunto una decina di gocce di acido solforico, per verificare ancora una volta la reazione di ossidoriduzione sopracitata, mettiamo nelle due provette l indicatore universale e il blu di bromotimolo. Al trascorrere del tempo, il loro colore dovrebbe cambiare, poiché le soluzioni dovrebbero diventare basiche a causa della liberazione dell idrogeno. Dopo aver preparato tutti i cavi e dopo averli collegati al voltmetro, la tensione risulta essere di 2 V.

23 Possiamo notare nell immagine a fianco l intensità della liberazione del gas. Poi aumentiamo il numero delle provette.

24 Riportiamo ora nella tabella i dati rilevati NUMERO PROVETTE d.d.p. (V) HSO HSO HSO HSO HSO 4 6.0

25 L irregolarità degli intervalli è probabilmente giustificata dal fatto che la concentrazione degli ioni deve essere omogenea in tutte le soluzioni e gli elettrodi devono essere ben inseriti al loro interno. Come si può notare nell immagine l operazione non è così semplice come potrebbe sembrare.

26 Infatti, dopo aver sostituito gli elettrodi troppo corti con alcuni più lunghi e dopo aver agitato le soluzioni, otteniamo un picco di 7,5 V. (Leggi scala superiore)

27 Risulta pertanto molto difficile riuscire a stabilire una relazione, che in teoria dovrebbe essere di proporzionalità diretta. d.d.p. (V) - N PROVETTE d.d.p. (V) acido 2+acido 3 3+acido 4 4+acido 5 5+acido d.d.p. (V) N PROVETTE

28 Nell immagine si possono vedere le provette al termine dell esperimento. Sono ancora presenti le bollicine di idrogeno. Inoltre nelle prime due provette da destra, ossia quelle in cui avevamo messo il blu di bromotimolo e l indicatore universale, il colore è cambiato. Ciò dimostra ancora una volta che si è liberato idrogeno.

29 Nelle seguenti fotografie possiamo vedere il cambiamento subìto dalle laminette di magnesio a causa dell ossidazione. Prima della reazione Dopo la reazione

30 Desideriamo infine vedere ancora una volta il led acceso.