Pila come funziona

UN PO’ DI CHIMICA
La Pila
www.unpodichimica.wordpress.com

Oggi vedremo come
si può ottenere
energia elettrica
da
Una reazione
chimica

Proviamo a
mettere una
lamina di zinco in
una soluzione di
solfato di rame
cosa notate?
Sulla lamina si
forma una roba
nerastra
La soluzione sta
diventando più
chiara !

Sta avvenendo una
reazione, quella che i
chimici chiamano
ossidoriduzione
Il rame si riduce
depositandosi sullo zinco
in forma di rame metallico
Cu
Mentre lo
zinco si
ossida
passando in
soluzione
sotto forma
di ioni Zn++
Cu+2
(aq) + Zn(s)  Cu(s) + Zn+2
(aq)

Questa reazione avviene
spontaneamente ed è
possibile sfruttarla per
ottenere energia. Anzi ci
potete accendere una
lampadina!
Cu+2
(aq) + Zn(s)  Cu(s) + Zn+2
(aq)

Il principio di
funzionamento è
analogo a quello della
pila di Volta e delle
pile in generale
Ecco qui lo strumento
che ci permetterà di
ottenere da quella
reazione
energia elettrica.
Quella che vedete
qui è una pila di
Daniel.
Vediamone i
singoli
componenti

Cominciamo dai liquidi.
Sono soluzioni di
concentrazione 1M di sali in
acqua
Soluzioni di questo
tipo si dicono
soluzioni
elettrolitiche
Che cosa significa ?
Gli elettroliti sono
sostanze le cui
molecole, poste in
acqua, si scindono in
ioni positivi e ioni
negativi.

Il cloruro di sodio NaCl, il
normale sale da cucina è una di
queste sostanze e messo in
acqua si scinde nei suoi ioni
Na+ e Cl-
Quindi ogni giorno
butto la pasta in una
soluzione elettrolitica?
Proprio così,
Luca!

Anche lo zinco Zn e
il rame Cu formano
dei sali, per esempio il
solfato di zinco e il
solfato di rame, che
si comportano come
elettroliti.
il solfato di zinco si scinde in
ioni positivi Zn2+ e in ioni
solfato negativi formati da un
atomo di zolfo e quattro atomi di
ossigeno (SO4
2– è la loro formula
chimica). Analogamente, il
solfato di rame si scinde in ioni
Cu2+ e ioni SO4
2–.
ZnSO4 Zn++ + SO4
-
-- ---
CuSO4 Cu++ + SO4
-- --

Le lamine di metallo, che
vediamo nella pila di
Daniel,
sono di zinco Zn e di rame
Cu
Dove posso
trovare tutti
questi
ingredienti?Mmm … I sali potresti trovarli
in negozi che vendono articoli
per l’agricoltura; per il rame
puoi scorticare un pezzo di filo
elettrico. Lo zinco è più
difficile da reperire: vecchie
grondaie, lastre per incisioni,
mah!
se hai però un po’ di pazienza,
vedremo una pila che
sicuramente potrai fare a casa!

Ora vediamo cosa
succede se metto in un
becker una soluzione di
solfato di zinco e vi
immergo una lamina di
zinco
e in un altro becker metto
una soluzione di solfato di
rame e vi immergo una
lamina di rame
ovvero
pongo un metallo
in una soluzione
dei suoi stessi ioni
Metallo Zn
Ione Zn++
Metallo Cu
Ione Cu++
Zn
Cu
Zn+
+
Cu++
Zn+
+
Zn+
+
Cu++
Cu++

niente
Non osservo alcun
fenomeno particolare :
questo non significa
che non stia
succedendo niente.
??????????
niente
niente
Assolutamente
niente

•alcuni atomi del metallo
Me si staccano dal
reticolo cristallino e
vanno in soluzione come
cationi , ioni positivi,
lasciando i loro elettroni
esterni sul metallo
• Me ↔ Men+ + ne-
•Alcuni ioni positivi dalla soluzione si
depositano sul metallo allo stato di
atomi neutri
Men+ + ne- ↔ Me
A B
In realtà avvengono due
processi
e-= elettroni

- -
- -
- -
+ +
+ +
+ +
-
metallo
soluzione
+ Si forma un doppio
strato elettrico che
comporta una
differenza di
potenziale ddp
La situazione è
quella dello
Zinco
Supponiamo
che il processo
A
sia più veloce
Dopo un certo periodo si
raggiungerà uno stato di
equilibrio caratterizzato da un
eccesso di elettroni sul
metallo e da un eccesso di
ioni positivi nelle
immediate vicinanze della
superficie del metallo

Supponiamo ora che il
processo
B
sia più veloce
Qualcuno di voi saprebbe disegnare la
nuova situazione ?
Ci provo!
Bene!

+ +
+ +
+ +
- -
- -
- -
+
soluzione
metallo
-

Prova a
spiegare il
disegno che hai
fatto!
Anche in questo caso
avvengono i due processi : si
staccano atomi dal metallo
lasciando elettroni, mentre
dalla soluzione si depositano
ioni positivi sul metallo
Questa volta però il processo
più veloce sarà quello in cui
dalla soluzione si depositano
ioni positivi sul metallo
Si avrà così un eccesso di
cariche positive sul metallo e
uno di cariche negative vicino
alla lamina
Perfetto !
La situazione
che hai descritto
è quella del
rame
anche in questo caso si
forma un doppio strato
elettrico che comporta una
differenza di potenziale ddp

I due metalli si comportano quindi in
modo molto differente: lo zinco ha la
tendenza a cedere altri ioni Zn2+
alla propria soluzione;
il rame, invece, cattura ioni Cu2+
dalla propria soluzione.

. Sullo zinco rimarranno perciò elettroni
liberi in eccesso, la sbarretta si caricherà di
elettricità negativa e assumerà un
potenziale negativo rispetto alla
propria soluzione.
Nel rame avverrà l’opposto: ioni Cu2+ si
depositeranno sulla sbarretta e questa si
caricherà di elettricità positiva e assumerà
un potenziale positivo rispetto alla
propria soluzione
Comunque, in entrambi i
casi,tra il metallo e la
soluzione si crea una ddp
che viene detta potenziale
dell’elettrodo

Per avere il passaggio di
corrente elettrica, bisogna
avere una differenza di
potenziale (ddp) che è
responsabile del flusso di
elettroni.
Il sistema metallo /soluzione
dei suoi ioni viene chiamato
semicella
Ponendo a contatto le due
semicelle si ha passaggio di
corrente

Perché questa pila
funzioni è
necessario anche
un altro elemento:
Il ponte salino
A cosa serve?

Durante il processo la soluzione di
zinco avrebbe ioni positivi Zn++ in
eccesso mentre quella di rame e
quella di rame si troverebbe ad avere
ioni negativi SO4
--
in eccesso. Perché il processo
continui. è necessario che le due
soluzioni rimangano neutre.
Il ponte salino
serve quindi a
mantenere la
neutralità
elettrica delle
soluzioni,

È un tubicino di vetro piegato a U che
contiene una soluzione elettrolitica di KCl,
cloruro di potassio. Questa soluzione
naturalmente non si deve mischiare con le
altre due e quindi gli estremi del tubicino
sono chiusi, ma con una sostanza porosa per
permettere il passaggio degli ioni K + e Cl-
Come è fatto?

Adesso colleghiamo i
fili alla lampadina e …

Dopo un certo periodo di funzionamento la
corrente cessa (cioè la pila “si scarica”) perché
tutti gli ioni Cu2+ ,inizialmente presenti nella
soluzione, si sono depositati sulla sbarretta di
rame, oppure la sbarretta di zinco si è tutta
disciolta: il serbatoio di energia viene a essere
esaurito e la reazione che determina il
passaggio di corrente non può più aver luogo.
Zn Zn2+ + 2e–
ANODO
OSSIDAZIONE
Cu2+ + 2e– Cu
CATODO
RIDUZIONE

Immergiamo ora la barretta di
rame nello zinco
Non si osserva nessun deposito di Zinco
sula lamina di rame. Questo significa
che la reazione di riduzione dello
zinco ad opera del rame non è
spontanea!

Questo significa anche che in
una pila con gli elettrodi di
rame e di zinco,
Lo zinco si ossida sempre e
sarà l’anodo della pila,
Il rame invece si riduce
sempre e sarà il catodo della
pila.
Ma la pila si fa solo
con rame e zinco
No, si può fare
con altri metalli

E come faccio a capire
chi è il catodo e chi
l’anodo?
Esiste la Tabella dei
potenziali standard
di riduzione Cioè???
I valori dei potenziali degli
elementi, misurati rispetto
all’ elettrodo di idrogeno, ci
dicono che tendenza ha il
metallo. Se il valore è
positivo tende a ridursi, se
negativo tende ad ossidarsi

Per esempio i valori dei potenziali sono
Zn++/Zn = -0,76 V
Cu++/Cu = + 0,34
Il rame è più positivo dello zinco ed è quello
che si riduce .
La forza elettromotrice della nostra pila,
cioè la forza che fa sì che gli elettroni
si muovano in una certa direzione, è
1,1 V ed equivale alla somma dei potenziale
dei due elettrodi:
f.e.m.= E0 Catodo - E0 anodo

Prof! Mi dice
come adesso
come faccio a
fare una pila
a casa?Giusto! Ti basta un
filo elettrico spellato o
una monetina da 5
centesimi, una
graffetta, 5 coccodrilli
per i collegamenti, un
led, e … un limone!
Un
limone?

Anche in questo caso abbiamo due metalli e
una soluzione acida, il succo di limone, che
funziona da elettrolita. La corrente sviluppata
è poca, sufficiente però per accendere un led,
Il limone dopo, è da buttare!!!!
Io l’ho vista fare con le patate!
Io con la frutta!
Ricordate: due
metalli e una
soluzione
elettrolitica !

• mettete in ogni limone i due elettrodi facendo
attenzione che non si tocchino
•Collegate con i coccodrilli i quattro limoni in
serie
Zn/Cu Zn/CuZn/Cu Zn/Cu
come in figura ,
•collegate il led e vedrete che si accenderà !

fine

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