Informazioni su questo esperimento
Una pila galvanica trasforma una reazione chimica in elettricità. Metti lo zinco in una soluzione di solfato di zinco e il rame in una soluzione di solfato di rame, collega i metalli con un filo e le soluzioni con un ponte salino: gli elettroni fluiscono dallo zinco al rame. Ogni metallo ha una propria tendenza a cedere elettroni, misurata dal suo potenziale di elettrodo; la differenza tra i due determina la tensione. Abbina metalli diversi, cambia le concentrazioni e la temperatura, poi collega un carico e osserva la pila scaricarsi mentre la reazione procede.
Obiettivi di apprendimento
- Individua l’anodo, il catodo e la direzione del flusso di elettroni in una pila galvanica
- Calcola il potenziale standard della pila a partire dai potenziali standard degli elettrodi
- Scrivi le semireazioni e la reazione complessiva di una pila
- Spiega con l’equazione di Nernst come la concentrazione e la temperatura modificano la tensione
- Spiega il ruolo del ponte salino e perché una pila finisce per scaricarsi
Come si usa
- 1Con zinco e rame a 1 M, leggi la tensione sul voltmetro. Confrontala con E°(Cu²⁺/Cu) - E°(Zn²⁺/Zn).
- 2Sostituisci il rame con l’argento e poi con il magnesio dall’altro lato. Quale coppia produce la tensione più alta e quale elettrodo è l’anodo ogni volta?
- 3Torna allo zinco e al rame. Riduci la concentrazione degli ioni rame a 0,01 M. Di quanto cambia la tensione? Confronta il risultato con l’equazione di Nernst.
- 4Metti il rame su entrambi i lati, con concentrazioni di 1 M e 0,001 M. Perché c’è una tensione anche se entrambi gli elettrodi sono dello stesso metallo?
- 5Premi «Collega un carico» e scarica la pila. Osserva gli elettrodi, il colore della soluzione di rame e il grafico della tensione. Quando la tensione diminuisce rapidamente?
- 6Riduci la resistenza di carico. Come cambiano la corrente e la durata della cella?
Il modello
Ipotesi
- Per i potenziali degli elettrodi si usano i valori standard a 25 °C e l’equazione di Nernst con le concentrazioni al posto delle attività.
- Ogni becher contiene 100 mL. Il ponte salino ha una resistenza che, insieme a quella delle soluzioni, viene considerata una resistenza interna di 2 Ω.
- La corrente non può superare quella fornita dalla diffusione: è limitata a 2 A per ogni mol/L di ioni al catodo. Per questo la tensione diminuisce rapidamente quando gli ioni del catodo si esauriscono.
- Le reazioni secondarie, come la reazione diretta dello zinco con l’acido nella soluzione, vengono ignorate. Durante la scarica della cella, passa un’ora ogni secondo.
Provalo in classe
- Q1Quale metallo dell’elenco è l’agente riducente più forte? Come si può capirlo dai potenziali degli elettrodi?
- Q2Scrivi l’equazione complessiva di una pila composta da magnesio e argento. Qual è il suo potenziale standard di cella?
- Q3Perché una pila smette di funzionare se si rimuove il ponte salino?
- Q4Perché la tensione di una pila zinco-rame cambia a malapena per gran parte della sua durata e poi cala improvvisamente?
- Q5Una pila a concentrazione ha lo stesso metallo su entrambi i lati. Quale lato è il catodo e cosa succede alle due concentrazioni durante la scarica?
Domande frequenti
Perché l’anodo è negativo in una pila galvanica, mentre è positivo nell’elettrolisi?
L’ossidazione avviene sempre all’anodo. In una pila galvanica, l’ossidazione libera elettroni nel metallo, perciò l’anodo diventa il terminale negativo. Nell’elettrolisi, una sorgente esterna sottrae elettroni all’anodo, che è quindi collegato al terminale positivo.
A cosa serve il ponte salino?
Permette agli ioni di spostarsi tra le soluzioni, in modo che ciascuna rimanga elettricamente neutra, senza che si mescolino. Gli ioni negativi si spostano verso l’anodo e quelli positivi verso il catodo.
Perché la lettura del voltmetro diminuisce quando si collega un carico?
Quando scorre corrente, una parte della forza elettromotrice viene usata per far passare la corrente attraverso la resistenza interna della cella. La tensione ai capi del carico è la forza elettromotrice meno I per r.