La separazione elettrolitica di un metallo. Scheda di Laboratorio

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1 La separazione elettrolitica di un metallo Scheda di Laboratorio

2 Premessa Destinatari: classe seconda di un istituto tecnico commerciale, nell insegnamento di scienze della materia. Argomento proposto: relazione tra gli atomi e la carica elettrica; è pensato come un punto di collegamento tra la chimica e la fisica. Esperienza in laboratorio: segue le indicazioni del corso IPS ed è il naturale proseguimento di un primo studio sulla carica elettrica.

3 Premessa teorica Esperimenti fatti sulla carica elettrica tramite le celle a idrogeno Connessione tra la materia e la carica elettrica Metodo per misurare la carica elettrica con un amperometro ed un cronometro Le esperienze sull elettrolisi dell acqua hanno permesso di: determinare la carica associata ad un atomo di idrogeno e di ossigeno riflettere sulla relazione esistente tra le due quantità di carica.

4 Premessa teorica Proseguimento dello studio sulla carica elettrica con lo stesso metodo. Determinazione della quantità di carica necessaria a far depositare un singolo atomo di un elemento da una soluzione Studio delle celle elettrolitiche

5 Esperienza in laboratorio Organizzazione dell attività in laboratorio: si può suddividere la classe in gruppi di lavoro e trattare così in parallelo la separazione di diversi metalli in modo da avere la possibilità, alla fine del percorso, di analizzare e confrontare i risultati relativi ai vari metalli. Scopo: determinare la quantità di carica necessaria a liberare un atomo di un metallo (zinco, rame o piombo) da una soluzione contenente il metallo stesso.

6 Esperienza - apparato sperimentale La cella per la separazione elettrolitica consiste di due elettrodi del metallo e di una soluzione contenente il metallo stesso. Gli elettrodi devono essere perfettamente puliti e occorre contrassegnarli e fare attenzione a non toccarli nella parte in cui avverrà il deposito. Soluzione solfato di zinco ZnSO 4 nitrato di piombo Pb(NO 3 ) 2 cloruro di rame CuCl solfato di rame CuSO 4 Elettrodi zinco piombo rame rame

7 Esperienza - apparato sperimentale Collegamento in serie della cella con un amperometro. AA Figura 1: Schema del circuito con cella elettrolitica. La batteria si collega all amperometro e alla cella quando si può iniziare a prendere il tempo con il cronometro (si regola precedentemente la corrente tra 100 ma e 200 ma).

8 Esperienza procedimento I metalli considerati sono elementi solidi a temperatura ambiente: si depositano sull elettrodo come solido, e la massa depositata (m) sarà misurata per differenza tra la massa dell elettrodo prima e dopo l elettrolisi. Prima di iniziare l esperienza, occorre misurare con cura la massa dei due elettrodi. Per effetto del passaggio della corrente la massa m+ dell elettrodo collegato al polo positivo della batteria diminuisce, mentre quella (m-) dell elettrodo collegato al polo negativo dovrebbe aumentare della stessa quantità (per effetto del deposito di ioni positivi del metallo). Oss: Nei calcoli successivi è consigliabile utilizzare la diminuzione della massa relativa all elettrodo collegato al polo positivo poiché piccole quantità di deposito sull altro elettrodo potrebbero disperdersi.

9 Esperienza procedimento La conoscenza della massa (m) del metallo depositato ad un elettrodo e il valore noto della massa di un atomo (m atomo ) del metallo stesso permette di determinare il numero n di atomi del metallo che si depositano durante l esperimento. n = m m atomo Osservazione: la massa di un atomo del metallo si determina moltiplicando la massa atomica relativa del metallo per l unità di massa atomica.

10 Esperienza procedimento Con l amperometro ed il cronometro si misura in A s la carica totale Q che passa nel circuito. Dopo circa 20 minuti dovrebbe essersi depositata una quantità sufficiente di metallo affinché la sua massa possa essere misurata con la bilancia. Poiché la corrente varia in questo intervallo di tempo, è utile una lettura dell amperometro ogni minuto (le letture vanno riportate nella tabella apposita).

11 Esperienza tabella Osservazioni: * Considerando i tempi di reazione, l errore sul tempo T si può assumere pari a 1 s. t (min) * 1 I (ma) I (ma) ** ** L errore sulla corrente è pari alla sensibilità dell amperometro utilizzato. 20

12 Esperienza procedimento Dopo aver fatto asciugare bene i due elettrodi, si misura di nuovo la loro massa (m+ e m- ) e si fa un confronto tra le due variazioni. Se tali variazioni sono circa uguali, si assume come massa m la loro media, altrimenti si considera la diminuzione della massa relativa all elettrodo collegato al polo positivo, poiché piccole quantità di deposito sull altro elettrodo potrebbero essersi disperse. m = m+ - m+ = m- - m-

13 Esperienza procedimento Per determinare la carica totale Q necessaria a separare il metallo si calcola il valore medio della corrente (I media ) e si tiene conto dell intervallo di tempo trascorso (T). Q = I media T Infine, si può determinare la carica q necessaria per far depositare un atomo del metallo. q = Q / n

14 Esperienza elaborazione dati m = m+ - m+ = m- - m- m = 2 m+ ( L errore assoluto sulla massa ( m+ ) è pari alla sensibilità della bilancia). n = m n = m (m atomo costante) m atomo m atomo

15 Esperienza elaborazione dati Q = I media T I media = I max I min 2 Q Q = T T + I I media media = I I media media L errore relativo su T è trascurabile q = Q / n q q = Q Q + n n

16 Esperienza risultati m+ = (... ±...)g m+ = (... ±...)g m = (... ±...)g m- = (.. ± )g m- = (.. ±...)g m = (. ±.)g n ± n = (. ±.) e% (n) =.%

17 Esperienza risultati I media ± I media = ( ± ) ma T ± T = (. ±..) s Q ± Q = (. ±..) A s e% (Q) =.% q ± q = (.. ± ) A s e% (q) =..%

18 Esperienza analisi dei risultati Carica necessaria per far depositare un atomo del metallo: q ± q = (. ±. ) A s e% (q) =..% Si confronta questa carica con quella necessaria a liberare un atomo di idrogeno (e = 1, A s): q e ± q e = (... ±... ) e% (q / e) =..% (si considera e costante)

19 Esperienza analisi dei risultati Conclusione del singolo gruppo. Conclusione tra gruppi: si riportano in una tabella i risultati relativi alle esperienze degli altri gruppi che hanno operato con lo stesso metallo. carica per atomo dell'elemento carica per atomo di idrogeno Il rapporto è sempre espresso dallo stesso numero intero.

20 Esperienza analisi dei risultati Infine si calcola il valore medio v m del rapporto q/e e si assume come errore assoluto v m il più grande tra la semidispersione e i singoli errori assoluti (q/e). Conclusione generale. La carica necessaria a liberare un atomo di idrogeno è la più piccola esistente in natura e la carica richiesta per far depositare un atomo di qualunque elemento è un multiplo di essa secondo un numero intero piccolo. Osservazione: raccogliendo i risultati di più classi diventa significativo rappresentare i risultati con un istogrammma.