La serie elettrochimica

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1 La serie elettrochimica PREREQUISITI Gli studenti dovrebbero conoscere la struttura dell atomo, la tavola periodica ed avere il concetto di reazione chimica. OBIETTIVI: 1) Acquisizione, da parte degli allievi, della capacità di riconoscere l agente ossidante e l agente riducente nell equazione di una reazione redox. 2) Acquisizione, da parte degli allievi, della capacità di identificare ciò che si ossida e ciò che si riduce, data un equazione ossido-riduttiva (redox). 3) Acquisizione della capacità, data la formula di una molecola o di uno ione molecolare, di determinare il numero di ossidazione di ciascun atomo che vi compare. 4) La capacità, da parte degli allievi, di disporre una serie di ioni in ordine di capacità decrescente a competere per gli elettroni, basandosi sui dati relativi alle reazioni metallo/ione metallico. 5) L apprendimento, da parte degli allievi, di operare la distinzione tra le equazioni che rappresentano processi redox e quelle che rappresentano processi di altro genere 6) L apprendimento, da parte degli allievi, del bilanciamento di un equazione ossidoriduttiva con il metodo del numero di ossidazione. MATERIALE OCCORRENTE PER OGNI GRUPPO Reattivi Strisce dei seguenti metalli: Cu, Pb, Ag, Zn Acqua di bromo (soluzione satura) Acqua di cloro (soluzione satura) Tetracloruro di carbonio Soluzioni: nitrato di rame 0.1 M [24.2 g di Cu(NO 3 ) 2 *3H 2 O /litro] nitrato di piombo 0.1M [33.1 g di Pb(NO 3 ) 2 /litro]; nitrato di zinco 0.1M; [29.8 g di Zn(NO 3 ) 2 *6H 2 O /litro]

2 nitrato di argento 0.1M; I M; FeCl 3 0.1M; KBr 0.1M; [11.9 g di KBr /litro] K 3 Fe(CN) 6 0.1M; KI 0.1M; [16.6 g di KI /litro] KMnO 4 (cristalli); Trucioli di tornitura di rame; NH 4 OH 6M HCl 6M Vetreria e piccola strumentazione Porta provette, 16 provette o becher da 100 ml, lana d acciaio, tela - smeriglio o cartasmeriglio INFORMAZIONI SULLA SICUREZZA Sono prescritti il camice ed il lavoro sotto cappa quando indicato nella metodica. Cautela nella manipolazione del nitrato d argento, perché è una sostanza che macchia gli abiti e la pelle. PROCEDIMENTO A. Rame, zinco, piombo e loro ioni. Si immergano una lamina di rame in 10 cc di soluzione 0.1M di nitrato di zinco e una lamina di zinco in 10 cc di una soluzione di nitrato di rame 0.1M. Ora si provi ad immergere una lamina di piombo (che va pulita con carta abrasiva prima di immergerla) nelle soluzioni di nitrato di rame e nitrato di zinco. Si provi ora ad immergere le lamine di rame e di zinco in una soluzione di nitrato di piombo. Si annotino nella tabella riportata di seguito le variazioni di colore delle soluzioni e delle lamine o la formazione di precipitati. Si scrivano le equazioni nei casi in cui si verifichino reazioni. La tabella che si suggerisce di compilare è la seguente:

3 La tabella che si suggerisce di redigere è la seguente: Catione presente nella soluzione Ag + Argento Rame Piombo Zinco Cu ++ Pb ++ Zn ++ Si confronti la forza del piombo come agente riducente con quella del rame e dello zinco. Si prepari una tabella scrivendo i simboli degli ioni dei tre metalli in una colonna, ponendo l'agente ossidante più forte in alto ed il più debole in basso. Alla destra di ogni simbolo, si tracci una barra e quindi si scriva il simbolo della forma ridotta del metallo; per esempio, Cu ++ /Cu Gli allievi hanno ora una piccola scala di ossido - riduzione. Qual'è l'agente riducente più forte, il rame o lo zinco? Qual'è l'agente ossidante più forte, lo ione piombo o lo ione rame? B. La coppia Argento-ione argento Si correlino i dati del paragrafo precedente con i risultati ottenuti nella preparazione di argento puro per precipitazione con un filo di rame immerso in una soluzione di nitrato di argento 0.1 M. Si predica la posizione della coppia Ag + /Ag nella serie dei potenziali prima costruita. Gli allievi convalidino le conclusioni a cui sono pervenuti provando le combinazioni della soluzione con gli altri tre metalli, o dell' Ag metallico con le soluzioni degli altri ioni metallici, come trovano opportuno. Si riportino nella tabella 1 le osservazioni fatte. C. La coppia Idrogeno -ione idrogeno Si saggi la reattività di ciascuno dei metalli con una soluzione di HCl 6M. Si scrivano le equazioni relative alle diverse prove. Si ponga, quindi, la coppia H + / H 2 nella sede appropriata nella scala dei potenziali. D. Il potere ossidante degli alogeni

4 Si aggiungano, piccole quantità di acqua di cloro in una provetta a 3 cc di KBr 0.1M, e in un altra provetta a 3 cc di una soluzione di KI 0.1M. 1 cc di CCl 4 viene aggiunto a ciascuna provetta: si agiti per disciogliere l' alogeno libero, questo permetterà di distinguere il bromo libero dallo iodio libero in soluzione acquosa. Scrivere cosa si osserva e quindi le equazioni. Esempio: KBr + Cl 2 (aq) + CCl 4 -> descrivere la colorazione che si sviluppa nel CCl 4 Nota Bene. Se gli allievi non hanno familiarità con i colori del Br 2 e dell' I2 liberi disciolti in tetracloruro di carbonio, si aggiunga un pò di CCl 4 a 3 cc di ciascuna soluzione di I 2 e di Br 2 in acqua in provette distinte. Si agiti e si prenda nota del risultato. Come confrontate riguardo al potere ossidante, il cloro con il bromo e lo iodio? Si aggiungano 1 cc di acqua di bromo a 3 cc di una soluzione di KI 0.1M, e 1 cc di una soluzione di iodio a 3 cc di KBr 0.1M. Si usi di nuovo il CCl 4 per controllare i risultati. Scrivere le equazioni. Ora gli allievi dispongano i tre alogeni in una serie dei potenziali separata. E. La coppia ione ferroso/ ione ferrico. Determinare se lo ione ferrico è un agente ossidante più o meno forte dello iodio o del bromo aggiungendo 1ml di soluzione 0.1M di FeCl 3 a 2ml ciascuno di KBr e KI 0.1M. Aggiungere un pò di CCl 4 e agitate, prendete nota del fatto che si formi oppure no alogeno libero. Provare se si forma ione ferroso, aggiungendo un pò di soluzione di ferricianuro di potassio, che forma un precipitato blù scuro di ferricianuro ferroso: Fe 3 [Fe(CN) 6 ] 2. Scrivere le equazioni in tutti i casi in cui si è ridotto lo ione ferroso. Porre la coppia Fe +++ /Fe ++ nella sede appropriata nella scala dei potenziali redox degli alogeni. F. La coppia ione manganoso-ione permanganato Aggiungere un paio di cristalli di permanganato di potassio a 3 cc di HCl 6M. Se necessario scaldare la miscela. Scrivere l' equazione. Porre la coppia MnO - 4 /Mn ++ nella serie dei potenziali scritta dagli allievi. G. La reazione degli alogeni con i metalli

5 Gli alogeni sono agenti ossidanti abbastanza forti da ossidare i metalli ai corrispondenti ioni metallici? Per rispondere al quesito aggiungere 10 cc di acqua di bromo ad uno dei metalli meno attivi; per esempio, ad un pò di tornitura di rame in una provetta lunga 15 cm. Agitare la miscela per parecchi minuti e, se necessario, farla bollire un momento (si operi sotto cappa!) per rimuovere il rimanente bromo libero. Provare la formazione di bromuro aggiungendo un paio di gocce di nitrato di argento. Provare anche se si ha formazione di ioni rameici aggiungendo 1 cc di NH 4 OH 6M (il complesso [Cu(NH 3 ) 4 ] ++ di colore blu indica la presenza degli ioni rame). L'AgBr eventualmente presente non interferisce con l' osservazione. Gli allievi potrebbero concludere da questo risultato che altri metalli più attivi come il ferro il piombo e lo zinco dovrebbero anch' essi essere ossidati dal bromo? Le osservazioni sperimentali degli allievi dovranno permettere loro di combinare le due serie di potenziale separate in una scala redox generale di dieci coppie che mostreranno le tendenze relative dei vari elementi e ioni studiati ad acquistare e a perdere elettroni. VERIFICA 1 data la seguente equazione ossido-riduttiva - Cu + 2NO 3 + 4H + -> Cu NO 2 + 2H 2 O Identificare fra le affermazioni che seguono quella falsa: A nella reazione si ossida il rame B nella reazione si riduce l idrogeno C l agente riducente del processo è il rame D la reazione si deve compiere in ambiente acido E l equazione è bilanciata correttamente 2 Uno solo dei gruppi sotto riportati mostra per ciascun atomo o ione il giusto valore del numero di ossidazione; lo si identifichi. A Cl 2, Na +, Ca 2+, Cl -, O 2- B F 2, Na 2+, Ca 2+, Cl -, O 2- C Br 2, K +, Be +, F -, S 2- D I 2, Rb +, Ca +, Cl, O - E Cl - 2, Cs +, Ba 2+, N 3-, O 2-

6 3 Quale fra le equazioni seguenti non rappresenta una reazione ossido-riduttiva? A 2Mg(s) + O 2 (g) -> 2MgO (s) B MgO(s) + SO 3 (g) -> MgSO 4 (s) C 2SO 2 (g) + O 2 (g) -> 2SO 3 (g) D Mg(s) + 2Ag + + 2NO - 3 -> Mg NO 3 + 2Ag(s) E Mg(s) +Br 2 (g) -> MgBr 2 (s)