SCHEDA DI LABORATORIO

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1 SCHEDA DI LABORATORIO Elettrolisi dell Acqua e Separazione Elettrolitica di un Metallo Premessa Teorica Connessione tra materia e la carica elettrica Metodo per misurare la carica elettrica mediante elettrolisi dell acqua (ed elettrolita) Utilizzando lo stesso metodo, si prosegue l analisi sulla carica elettrica determinando la quantità di carica necessaria a far depositare un singolo atomo di un elemento da una soluzione, studiando le celle elettrolitiche. Elettrolisi soluzione acquosa PREMESSA Dall analisi del fenomeno dell elettrolisi, osservando che più a lungo circola corrente maggiori sono i volumi dei due gas prodotti, si arriva all idea di usare la quantità di uno dei gas prodotti nell elettrolisi come misura della quantità di carica elettrica passata. Quindi per misurare la quantità di carica che passa in un certo punto di un circuito elettrico, basta interrompere il circuito in un punto e inserire lo strumento che la misura. Le reazioni previste in ambiente acido sono: Riduzione al catodo: 2 H+ (aq) + 2e > H 2 (g) Ossidazione all anodo: 2 H 2 O(l) O 2 (g) + 4 H+ (aq) + 4e SCOPO Scopo principale dell esperienza è studiare la relazione esistente tra la carica che attraversa un semplice circuito elettrico in un certo intervallo di tempo e la quantità di gas 1

2 (H 2, O 2 ) sviluppato in una cella contenente una soluzione elettrolitica di acqua e H 2 SO 4 inserita in serie nel circuito. APPARECCHIATURE E MATERIALI Becker, elettrodi, acqua, acido solforico, amperometro&generatore, cavetti elettrici, morsetti. PREPARAZIONE DELL APPARATO SPERIMENTALE : La cella elettrolitica deve essere predisposta riempiendo il becker con acqua con acido solforico (H 2 SO 4 ) in soluzione circa al 5%. Il circuito è costruito collegando in serie gli elementi. Con la chiusura del circuito si verifica il fenomeno dell elettrolisi dell acqua (l acido è aggiunto per velocizzare il processo): gli ioni positivi H+ della soluzione sono attratti dall elettrodo negativo, e in prossimità di questo, catturando gli elettroni, formano idrogeno gassoso (si possono notare le bollicine intorno al catodo). Impostare una adeguata differenza di potenziale e poi chiudere il circuito. OSSERVAZIONI volume gas prodotti densità di corrente elettrica carica elettrica Q 2

3 Separazione Elettrolitica di un Metallo SCOPO Lo scopo è di determinare la quantità di carica necessaria a ridurre per via elettrochimica un metallo (zinco, rame o piombo) da una soluzione contenente un sale del metallo stesso, in modo da avere la possibilità, alla fine dell esperienza, di analizzare e confrontare i risultati relativi ai vari metalli. Prima legge di Faraday La massa di una sostanza liberata agli elettrodi è direttamente proporzionale alla quantità di carica che li attraversa; cioè la quantità di materia che reagisce agli elettrodi è proporzionale al numero di elettroni scambiati, e poiché ogni elettrone ha una sua carica elettrica (1, Coulomb), allora la massa coinvolta agli elettrodi è proporzionale alla quantità di carica elettrica transitata. q = i t dove q = carica lettrica transitata (Coulomb, C) i = intensità di corrente (Ampere) t = tempo di elettrolisi (secondi) Seconda legge di Faraday Al passaggio di 1 F (Faraday pari a C) agli elettrodi viene coinvolta una quantità di sostanza proporzionale alla sua massa atomica/molecolare. La proporzionalità è data dal numero di elettroni necessari nella semireazione redox. Esempio K+ + e > K Cu+2 + 2e > Cu Fe+3 + 3e > Fe Il passaggio di 1 F avrà come conseguenza la formazione di un deposito di 1 mole nel caso di K, di 0,5 moli per Cu e 0,33 moli per Fe. Quindi, riassumendo le due leggi si ha: m = Q PF F n dove: m = massa in grammi della sostanza che reagisce Q = quantità di carica che attraversa la soluzione n = numero di elettroni scambiati F = costante di proporzionalità = costante di Faraday = Coulomb 3

4 APPARECCHIATURE E MATERIALI Becker, elettrodi, acqua, sali dei metalli, amperometro&generatore, cavetti elettrici, morsetti, bilancia. PREPARAZIONE DELL APPARATO SPERIMENTALE : La cella per la separazione elettrolitica consiste di due elettrodi e di una soluzione acquosa contenente un sale del metallo. I sali utilizzati sono: Sale solfato di zinco - ZnSO4 nitrato di piombo - Pb(NO3)2 cloruro di rame - CuCl solfato di rame CuSO4 Deposito zinco piombo rame rame Gli elettrodi devono essere perfettamente puliti e occorre contrassegnarli e fare attenzione a non toccarli nella parte in cui avverrà il deposito. La cella deve essere collegata in serie con un amperometro (come in fig. 1). Si procede in condizioni galvanostatiche (cioè a corrente costante): si regola inizialmente la densità di corrente a circa 50 ma/cm 2. A Figura 1: Schema del circuito con cella elettrolitica. 4

5 DESCRIZIONE DEL PROCEDIMENTO SPERIMENTALE Gli ioni metallici possono spesso essere ridotti a metallo mediante un processo elettrochimico che segue la reazione generale: Me+x + xe > Me Poiché i metalli considerati sono elementi solidi a temperatura ambiente, si depositano sull elettrodo come solido, e la massa depositata sarà misurata per differenza tra la massa dell elettrodo prima e dopo l elettrolisi. Occorre quindi, prima di iniziare l esperienza, misurare con cura la massa degli elettrodi. Per effetto del passaggio della corrente la massa dell elettrodo collegato al polo negativo (dove avviene la riduzione) aumenta per effetto del deposito di ioni positivi del metallo. La conoscenza della massa (m) del metallo depositato ad un elettrodo e il valore noto della massa atomica di un elemento (PA) permette di determinare il numero n di moli del metallo che si depositano durante l esperimento. Con l amperometro ed il cronometro si misura in A s la carica totale Q che passa nel circuito. (via software). Dopo circa 30 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 continua dell amperometro (via software). Dopo aver fatto asciugare bene l elettrodo, si misura di nuovo la sua massa. 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)*. Infine si può determinare la carica q necessaria per far depositare un atomo del metallo. * Considerando i tempi di reazione, l errore sul tempo t si può assumere pari a 1 s. L errore sulla corrente è pari alla sensibilità dell amperometro utilizzato. 5

6 ELABORAZIONE DEI DATI Il calcolo delle misure delle grandezze e dei rispettivi errori necessari per l esperienza sono riportati di seguito. L errore assoluto sulla massa ( m) è pari alla sensibilità della bilancia. Considerando P.A. costante, l errore assoluto su n (numero di moli) si determina dividendo m per P.A.: n = m PA Δn = Δm PA Come errore assoluto su I media si assume la semidispersione: ΔI media = I max I min 2 Per l errore assoluto su Q si esegue la somma degli errori relativi su t e su I media : Q = I media t ΔQ Q = Δt t + ΔI media I media ΔI media I media ** Per l errore assoluto su q si esegue la somma degli errori relativi su Q e su n q = Q n Δq q = ΔQ Q + Δn n **L errore relativo sul tempo può essere considerato trascurabile 6

7 RISULTATI I valori relativi all esperienza svolta sono: m = (... ±...)g m = (... ±...)g n = (. ±.) I media ± I media = ( ± ) ma t ± t = (. ±..) s Q ± Q = (. ±..) A s q ± q = (.. ± ) A s ANALISI DEI RISULTATI La carica necessaria per far depositare un atomo del metallo q ± q = (. ±. ) A s è stata calcolata con un errore percentuale del... Si confronta questa carica con quella teorica (legge di Faraday) La resa della riduzione è: η = 100 m (reale) /m (teorico) 7