Relazione sulla costruzione di una pila elettrica

ESERCITAZIONE: Elettrochimica

OBIETTIVO: Costruzione di una pila unendo due elettrodi

SCHEMA DELLA PILA:

(-) Pb_(s) | Pb²⁺_{(0.1 M)} || Ag⁺_{(0.1 M)} | Ag_(s) (+)

FORMULE:

LEGENDA:
E= Potenziale di elettrodo (V);
E⁰= Potenziale standard di elettrodo;
n= numero di elettroni scambiati nella redox;
|ox|= attività della specie in forma ossidata;
|red|= attività della specie in forma ridotta;
a, b= coefficienti stechiometrici relativi;
f.e.m.= forza elettromotrice;
d.d.p.= differenza di potenziale;
Err.%= errore relativo in percentuale.

CALCOLI e RISULTATI:

STRUMENTI, APPARECCHI e SOSTANZE:

RELAZIONE:

CONOSCENZE TEORICHE

Un elettrodo di prima specie è formato da una lamina di metallo immersa in una soluzione ad una certa concentrazione dei suoi ioni. Il potenziale dell’elettrodo dipende proprio dalla concentrazione (più precisamente dall’attività) degli ioni in soluzione.

Una pila è un unione di due semicelle (elettrodi) che può erogare corrente. In una pila le due semicelle sono separate da un setto poroso o collegate con un ponte salino, che hanno il solo compito di assicurare il contatto elettrico, evitando il rapido mescolamento delle soluzioni.
In una pila l’elettrodo più ricco di elettroni, cioè a potenziale minore, è detto anodo e costituisce il polo negativo della pila, mentre l’elettrodo più povero di elettroni, cioè a potenziale maggiore, è detto catodo e costituisce il polo positivo. Attraverso il circuito esterno l’anodo tende a cedere elettroni al catodo.

La forza elettromotrice di una pila è il lavoro massimo che essa può fornire. Essa equivale al lavoro per unità di carica necessario per mantenere costante la differenza di potenziale fra i due elettrodi della pila. La forza elettromotrice coincide con la differenza di potenziale solo nel caso cui il sistema lavori a corrente nulla (in condizioni di equilibrio). In un circuito chiuso, invece, dove la corrente circola, la differenza di potenziale in uscita della pila è sempre minore della forza elettromotrice a causa della caduta di tensione provocata dal passaggio di corrente.

DESCRIZIONE DELLA PROVA

L’obiettivo della prova è la costruzione di una pila unendo due semipile, quindi si preparano prima le semipile (elettrodi).

Prima di preparare la pila bisogna individuare l’anodo e il catodo teorico e l’anodo e il catodo pratico. L’anodo nel nostro caso è l’argento con un potenziale standard di elettrodo di 0,799 V. Mentre il catodo è il piombo con potenziale standard di elettrodo di -0,126 V. Seguendo l’equazione di Nernst, come si può vedere nei CALCOLI e RISULTATI, ci si determina il potenziale di elettrodo reale. I valori sono 0,740 V nel caso dell’argento e -0,155 nel caso del piombo.
Dopo aver individuato il catodo e l’anodo ed aver calcolato il loro potenziale di elettrodo, si calcola la forza elettromotrice teorica della pila. Nel nostro caso 0,895 V.
Completati tutti i calcoli si può procedere con la costruzione della pila e la misura della differenza di potenziale.
Per preparare gli elettrodi si prelevano 25 ml con un cilindro graduato da entrambe le soluzioni (con Ag⁺ e Pb²⁺) sotto cappa e le si versano nei due becher. In seguito si carteggiano le due lamine attraverso la carta vetrata, per eliminare lo strato superficiale di ossido che si forma a contatto con l’aria. Dopo aver carteggiato si inseriscono le lamine nelle loro rispettive soluzioni. In questo modo si hanno due semicelle con reazioni mostrate nella sezione REAZIONI DI ELETTRODO.
Una volta preparate le semipile si costruisce un ponte salino utilizzando una striscia di carta da filtro ripiegata e bagnata in una soluzione satura di nitrato di potassio (KNO₃). Si immergono le due estremità della carta da filtro nelle due semipile in modo da collegarle e formare la pila.
Adesso con il tester, inserito come voltmetro, si misura la differenza di potenziale (ddp) e la si confronta con la forza elettromotrice calcolando l’errore relativo percentuale, che nel nostro caso è del 43%.

OSSERVAZIONI

Come si può notare dal risultato del tester, la differenza di potenziale differisce dalla forza elettromotrice teorica, questo è dovuto a diversi fattori. Innanzi tutto, un errore è dovuto alla soluzione, infatti essa andava preparata sul momento, invece abbiamo realizzato elettrodi con soluzioni già preparate. Un altro errore è dovuto al ponte salino, perché in realtà ci voleva un bel malloppo di carta per favorire il passaggio degli elettroni. Anche il tester riduce la ddp perché per funzionare utilizza un po’ di corrente della pila (resistenza passiva del circuito). Altri errori, anche se di poco conto, sono causati dalla temperatura.
Questi errori dipendono anche dal valore del potenziale di riduzione standard. Infatti più il potenziale è basso, più l’errore è elevato.
Un altro errore è dovuto anche al tempo passato dall’inserimento del ponte salino alla misurazione con il tester. Infatti la corrente che si stabilisce nel circuito è dovuta alla tendenza spontanea del sistema a raggiungere l’equilibrio termodinamico, quando i potenziali dei due elettrodi diventano uguali, il flusso di elettroni cessa e la pila diventa scarica.
Un possibile errore che poteva verificarsi è l’effetto volta che però è stato annullato dal fatto che i i puntali del tester erano dello stesso metallo.

CONCLUSIONE:

Da questa prova si può capire come costruire una pila attraverso due elettrodi e quanti fattori possono influenzare la differenza di potenziale di essa.