Elettrolisi di una soluzione

La conducibilità elettrica

Premessa: esistono due tipi di conduttori, i conduttori di prima specie, come per esempio i metalli, dove la corrente elettrica è costituita da un flusso di elettroni, e i conduttori di seconda specie, come per esempio le soluzioni, dove la corrente elettrica è costituita da un flusso di ioni positivi e negativi che migrano verso i poli di segno opposto.

Materiali occorrenti:

Rame - Zinco - Grafite - Zolfo - Solfato di rame - - Alcool etilico - vasellina- Acido acetico  - Acido cloridrico -Idrossido di sodio cristallino - Elettrodi in grafite - Alimentatore in c.c. da 6 v - Cavi - Conducimetro - Lampadina da 6 v, 0.5 A - Vetreria.

Esecuzione dell'esperienza:

Lo scopo dell'esercitazione è quello di effettuare prove comparative di conducibilità elettrica tra varie sostanze: metalli, nonmetalli, liquidi, sostanze ioniche cristalline, in soluzione e allo stato puro.

Preliminarmente si appronta un circuito elettrico formato da un alimentatore in c.c. da 6 volts connesso ad una lampadina adeguata. Il circuito è aperto in un punto con terminali dei cavi a coccodrillo. Si verifica la continuità dello stesso connettendo i due terminali ed osservando l'accensione della lampadina. Si deduce che interponendo nel circuito un conduttore si osserverà la stessa cosa, mentre, nel caso di un isolante la lampadina resterà spenta.

Parte prima: prove di conducibilità di sostanze solide e di alcuni elementi metallici e non metallici:

Conducibilità di metalli e non metalli

Si eseguono, nel modo indicato, prove di conducibilità delle seguenti sostanze: grafite, zinco, rame, e zolfo.

Nel caso di grafite, zinco e rame si osserva l'accensione della lampadina; zinco e rame sono, infatti, dei metalli. Questi, come è noto, conducono corrente elettrica in quanto nei loro atomi gli elettroni sono " delocalizzati " e, per questo, in grado di spostarsi da un atomo all'altro.

Con lo zolfo non si osserva l'accensione della lampadina. Questo elemento è infatti un nonmetallo ovvero un solido molecolare ( S₈ ) i cui atomi sono legati da legami covalenti ; gli elettroni possono, tutt'al più, essere condivisi tra gli atomi e non possono muoversi liberamente. I solidi molecolari covalenti sono, perciò, in massima parte, degli isolanti.

L'esperienza con il carbonio grafite rileva che questo solido è un ottimo conduttore, pur essendo anch'esso un solido covalente. In un atomo dei quattro elettroni di valenza, tre sono legati covalentemente con tre atomi vicini su un piano, formando una struttura stabile, mentre il quarto elettrone forma doppi legami -C=C-C=C- coniugati; esso è delocalizzato e quindi in grado di spostarsi da un atomo all'altro. Questa struttura determina l'ottima conducibilità di questa sostanza.

Conducibilità di composti ionici e covalenti

Si prendono quattro beckers e si pone, nel primo una spatolata di cloruro di sodio, nel secondo una di saccarosio, nel terzo una di solfato di rame e nel quarto una di idrossido di sodiocristallino. Si immergono, in successione, gli elettrodi in grafite e si osserva che in nessun caso si ha l'accensione della lampadina. Dei quattro composti tre contengono cationi metallici, sono cioè composti ionici, ma allo stato solido gli ioni sono bloccati nel reticolo cristallino e non può esserci passaggio di corrente. Il saccarosio è invece un composto covalente, privo di ioni.

Parte seconda

Conducibilità dei liquidi

In due beckers si versano, rispettivamente, acqua e  alcool etilico. Si connettono ai terminali due elettrodi in grafite e si immergono successivamente nei liquidi.

In nessun caso si ha accensione della lampadina; infatti le sostanze liquide pure, ad eccezione del mercurio che è un metallo, si comportano da isolanti. Le due sostanze presentano anch'esse legami di tipo covalente e perciò agiscono da isolanti.

Parte terza: prove di conducibilità di sostanze sciolte in acqua:

Terminata questa fase si aggiungono 20 o 30 mL di acqua distillata nei beckers contenenti cloruro di sodio, saccarosio, solfato di rame e idrossido di sodio;. Si osserva che la soluzione di cloruro di sodio conduce corrente, permettendo l'accensione della lampadina; allo stesso modo si comporta la soluzione di solfato di rame e di idrossido di sodio, al contrario quella di saccarosio agisce da isolante.

Tutte queste sostanze allo stato puro si comportano, quindi, da isolanti ma la loro struttura è però diversa e, per questo, diverso è il loro comportamento in soluzione acquosa.

Il cloruro di sodio è un sale e quindi un composto tipicamente ionico; gli ioni sono, però, impacchettati nel reticolo cristallino e quindi non sono in grado di muoversi liberamente. L'acqua, per la sua caratteristica fortemente dipolare è in grado di interagire con gli ioni impacchettati nel reticolo cristallino, strappandoli lentamente a questo. Gli ioni Na⁺ e Cl ^- vengono immediatamente circondati da molecole di H₂O ( solvatazione ) e sono, perciò, in grado di chiudere il circuito dirigendosi verso gli elettrodi di segno opposto. Il processo è detto di dissociazione ionica. Lo stesso comportamento si manifesta, ovviamente, con altri sali, come il CuSO₄^.5H₂O, e con l’idrossido di sodio formato da ioni Na⁺ e OH^-.

elettrolisi di una soluzione di NaCl

elettrodo negativo(-) 2 H⁺ + 2e^-                   H_2(g)         gli elettroni vengono prelevati dall’elettrodo (-)

elettrodo positivo (+)  2 Cl^-                   Cl_2(g)   + 2e^-     e ceduti all’elettrodo (+)   

                   2 H⁺  +   2 Cl^-                     H_2(g)    +      Cl_2(g)               

elettrolisi di soluzione acquosa di solfato di rame:

(-)  2 Cu²⁺ +  4e^-             2 Cu                               gli elettroni vengono prelevati dall’elettrodo (-) 

(+)  2 H₂O                 O_2(g)  + 4H⁺  +  4e^-               e ceduti all’elettrodo (+)   

2 Cu²⁺ +  2 H₂O                2 Cu   +   O_2(g)  + 4H⁺ 

Elettrolisi di una soluzione di NaOH

(-)   4H₂O   +   4e^-                      2H_2(g)   +    4OH^-                gli elettroni vengono prelevati dall’elettrodo (-)                                 

(+)  4OH^-                         O_2(g)    +     2H₂O    +    4e^-      e ceduti all’elettrodo (+)           

    2H₂O                          2H_2(g)   +   O_2(g)    

Il saccarosio invece è un solido covalente formato da molecole neutre che l’acqua separa nel processo di solubilizzazione. Poiché in soluzione non ci sono ioni essa si comporta da isolante.

Comportamento degli acidi in acqua

Fin qui abbiamo operato con sostanze che vengono portate in soluzione dall’acqua senza reagire con essa. Nel caso degli acidi, invece, il contatto con l’acqua porta ad una reazione che trasforma la molecola covalente dell’acido in ioni.  

Soluzione di un acido forte ( acido cloridrico, HCl ):

Un acido si considera forte se reagisce completamente con l’acqua. E’ il caso dell’acido cloridrico, esso non è formato da ioni, ma è un composto di tipo covalente; il legame però è polarizzato per cui la condivisione di elettroni non è equilibrata; l'acqua per la sua caratteristica dipolare fa sì che gli elettroni passino del tutto su uno dei due atomi.

HCl  +  H₂O                    H₃O⁺(in seguito H⁺)   +    Cl^-

Si immergono gli elettrodi in grafite nel becker e si osserva l'accensione della lampadina.

Elettrolisi di una soluzione di HCl:

elettrodo negativo(-) 2 H⁺ + 2e^-                   H_2(g)          gli elettroni vengono prelevati dall’elettrodo (-)                                   

elettrodo positivo (+)  2 Cl^-                   Cl_2(g)   + 2e^-      e ceduti all’elettrodo (+)        

                     2 H⁺   +  2 Cl^-                  H_2(g)  +    Cl_2(g)            

Soluzione di un acido debole ( acido acetico, CH₃COOH):

Un acido è considerato debole se reagisce solo in parte con l’acqua. E’ il caso dell'acido acetico, esso,  al pari dell’acido cloridrico, non è formato da ioni, ma è un composto di tipo covalente; reagendo con l’acqua l'acido si ionizza negli ioni CH₃COO^- e H⁺ anch'essi solvatati;

CH₃COOH  +  H₂O                     CH₃COO ^-    +      H⁺

Questo processo interessa, però, solo una molecola su 100 circa, per cui la conducibilità risulta estremamente bassa, rilevabile solo dal conducimetro tarato in mS, non tale da permettere l'accensione della lampadina.

Elettrolisi della soluzione di acido acetico:

(-) 4 H⁺ + 4 e^-                  2 H_2(g)                   gli elettroni vengono prelevati dall’elettrodo (-)     

(+)  2  H₂O                 O_2(g)  + 4H⁺  +  4e^-      e ceduti all’elettrodo (+)   

  2 H₂O                   2 H_2(g)   +    O_2(g)            

Nei casi in cui si è accesa la lampadina in soluzione ha avuto luogo una elettrolisi, cioè un processo attraverso il quale avvengono delle reazioni grazie al passaggio di una corrente di elettroni nel circuito.  Acidi, basi e sali sono elettroliti.