Il Rame a Scuola, per esempio Una proposta didattica per gli Istituti Tecnici Tecnologici

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1 Il Rame a Scuola, per esempio Sentire parlare di riciclo, sostenibilità, ambiente...è noioso Fare riciclo, sostenibilità, ambiente...è avventuroso

2 Molti Istituti tecnici o professionali del settore elettronico producono in proprio circuiti stampati Il progetto del circuito viene trasferito con un processo fotografico su delle lamine di rame incollate ad un supporto isolante. Successivamente il rame in eccesso viene rimosso con energici ossidanti. Il rame ossidato, che ricopriva gran parte della superficie della lamina, finisce quindi in soluzioni che debbono essere smaltite da ditte specializzate, perchè i sali di rame possono essere nocivi per l ambiente 2

3 Uno dei processi di stampa più utilizzati usa come ossidante del rame una soluzione quasi satura di persolfato di sodio Il persolfato si riduce a solfato, il rame metallico si ossida a ione rameico. La reazione è esotermica e veloce con alte concentrazioni di persolfato. Quando la concentrazione di persolfato diventa troppo bassa si preferisce cambiare la soluzione per evitare sbavature delle piste e disomogeneità dei circuiti. Le soluzioni esauste sono quindi una miscela di solfato di rame, solfato di sodio ed un sensibile residuo di persolfato 3

4 All aspetto la soluzione esausta si presenta di un colore azzurro più o meno intenso, a seconda di quanto è stata utilizzata In attesa di smaltimento conviene conservarla in bottiglie di vetro scuro ben chiuse, in luogo fresco. E bene non riempire le bottiglie fino all orlo ed aprirle con cautela sotto una cappa aspirante perché, conservandole per lunghi periodi, il persolfato residuo può indurre ulteriori reazioni, accumulando gas all interno. 4

5 Il rame, come metallo o come solfato, ha un suo valore di mercato non trascurabile. E vero che in ambito didattico se ne usano modeste quantità, ma......intanto cerchiamo un modo economico e pratico per recuperarlo. Non diventeremo ricchi con mezzo chilo di rame o un chilo di solfato di rame, ma eviteremo il ricorso ad una ditta specializzata per lo smaltimento o, peggio, di disperdere in modo illegale sostanze inquinanti nell ambiente. 5

6 Il problema è stato posto ad un piccolo gruppo di studenti del primo e del secondo anno Prima di tutto: come eliminare il persolfato residuo? Abbiamo raccolto tutti I ritagli e gli scarti di lavorazione delle lamine e li abbiamo usati per consumare completamente il persolfato 6

7 Facendo questo abbiamo anche verificato che la reazione è esotermica Circa dieci gradi in più durante la reazione di 200 cc di soluzione con tre lamine di rame 7

8 Finalmente la soluzione ha smesso di ossidare il rame. A questo punto abbiamo provato a far evaporare il solvente Purtroppo solfato di rame e solfato di sodio cristallizzano insieme: non avviene alcuna separazione Evidentemente hanno solubilità simili. Sarà così a qualsiasi temperatura? 8

9 Cercando su internet abbiamo trovato queste due tabelle La solubilità del solfato di rame secondo questa tabella è di 20g/100 ml a 0 C e 30g/100 ml a 30 C A 0 C la solubilità del solfato di sodio è indicata in 4g/100ml, a 30 C in 30g/100ml 9

10 La solubilità dei due sali a temperatura ordinaria è molto vicina, a temperature vicino a 0 C invece è nettamente diversa Abbiamo messo in freezer la soluzione e alla lezione successiva abbiamo constatato che il ghiaccio era molto disomogeneo Montata la beuta su un sostegno, il liquido sgocciolava attraverso un filtro, mentre il sistema tornava a temperatura ambiente 10

11 Il giorno dopo osserviamo: Nella beuta superiore e nel filtro ci sono cristalli celesti o bianchi. Deduciamo che sia prevalente il solfato di sodio. Nella beuta inferiore, sotto l imbuto, è raccolta una soluzione limpida nettamente più azzurra della soluzione di partenza. Deduciamo che la percentuale di solfato di rame sia ora decisamente maggiore. In questo procedimento non interviene alcuna reazione chimica. Solo passaggi di stato e filtrazione 11

12 E volendo avere una separazione più accurata? A questo punto è stato proposto di cercare una reazione chimica specifica che convolgesse in modo selettivo il rame. Sono state fatte alcune prove aggiungendo quantità diverse di NaOH e Carbonato di Sodio per cercare di ottenere Carbonato di Rame e/o Ossido di Rame, cioè composti del rame indicati dalla letteratura (wikipedia) come insolubili. 12

13 Questa volta quello che ci interessa è il precipitato che rimane sul filtro. Secondo noi il precipitato fangoso celeste (carbonato di rame) è più semplice da filtrare. L ossido nero invece è una polvere molto sottile che passa facilmente al di sotto. Però per avere il precipitato di carbonato siamo dovuti ricorrere a grandi quantità di carbonato di sodio. Alla fine abbiamo aggiunto sia idrossido che carbonato di sodio. A volte la soluzione in uscita dal filtro ha mantenuto un colore celeste, segno che non tutto il rame era precipitato. 13

14 Il precipitato rimasto sul filtro è stato fatto reagire con acido solforico, ottenendo di nuovo una soluzione di solfato di Rame, questa volta pura, dalla quale per evaporazione, nei giorni successivi, si sono formati cristalli. Mentre facendo evaporare il solvente dalla soluzione incolore uscita dalla filtrazione, abbiamo ottenuto una polvere bianca che riteniamo essere solfato di sodio 14

15 questa volta la separazione è stata ottenuta con una sequenza di reazioni chimiche ( ed una filtrazione) n.b.: il solfato di rame in cristalli viene usato come reagente nel laboratorio stesso per altri esperimenti 15

16 Con la classe seconda si è cercato il modo per recuperare il rame come metallo. Abbiamo realizzato una cella per elettrolisi utilizzando: la soluzione esente da persolfato, un alimentatore recuperato ed un resistore variabile dismesso da un altro laboratorio Per ottenere un deposito compatto e tenace è necessario mantenere bassa la corrente. Al polo positivo della cella, come elettrodo inerte, è stato collegato un filo di platino, intorno al quale era ben visibile una effervescenza 16

17 Il rame metallico è stato fatto depositare su una sottile lamina di rame collegata al polo negativo dell alimentatore. Si è ottenuta una deposizione di rame sulle lamine anche collegando la cella direttamente ad un pannello fotovoltaico. In questa prova però le quantita depositate, a parità di tempo, erano molto inferiori 17

18 Una proposta per un corso di elettronica potrebbe essere quella di mettere a punto un sistema fotovoltaico con regolazione e controllo di tensione e corrente. Per un corso di chimici stabilire le potenze necessarie, studiare le condizioni migliori di tensione o anche valutare la possibilità di ottenere per via elettrolitica di nuovo il persolfato... Le tensione misurata nella cella con l alimentatore era di circa 7 Volt, con il pannello fotovoltaico intorno ai 2 Volt. Nel primo caso in poco meno di un ora si sono depositati 0,36 grammi di rame 18

19 in un'economia circolare i flussi di materiali sono di due tipi: quelli biologici, in grado di essere reintegrati nella biosfera e quelli tecnici, destinati ad essere rivalorizzati senza entrare nella biosfera ellenmacarthurfoundation.org 19