Le reazioni redox

Materie:Appunti
Categoria:Biologia

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Testo

Scopo dell’esperimento:
Osservare ciò che avviene in una serie di reazioni tra metalli e ioni metallici in soluzione, e quantificare la capacità di un elemento di scambiare cariche elettriche.
Materiale operativo:
* Lastrine dei seguenti metalli:
o Piombo (Pb);
o Zinco (Zn);
o Rame (Cu);
* Soluzioni acquose 0,5 M di:
o AgNO3;
o Cu(NO3)2;
o Pb(NO3)2;
o Zn(NO3)2;
* Carta vetrata;
* 12 Beckers.
Descrizione del procedimento operativo:
Sul tavolo di lavoro erano pronte quattro serie di tre beckerini ciascuna, contenenti la prima soluzioni di nitrato d’argento (AgNO3), la seconda di nitrato di rame (Cu(No3)2), la terza di nitrato di piombo (Pb(No3)2) e la quarta di nitrato di zinco (Zn(No3)2). Per ogni serie abbiamo tre laminette di metalli diversi (Cu, Pb, Zn), ciascuna delle quali verrà immersa in un becker. Prima dell’immersione, però, poiché la maggior parte delle lamelle si era già ossidata a causa di precedenti esperimenti e dalla reazione con l’aria, e poiché questo non avrebbe permesso una nuova reazione con la soluzione in cui la lametta è immersa (mandando a monte il nostro esperimento), le abbiamo prima raschiate con la carta vetrata per eliminare la patina che si era formata sopra la lametta.
Poiché vogliamo studiare le reazioni tra ioni metallici e metalli, consideriamo lo ione nitrato NO3- come ione spettatore, cioè che non partecipa alla reazione anche se è presente nella soluzione. Esprimeremo quindi le reazioni mediante delle equazioni ioniche nette. Inoltre, alcune reazioni sono molto lente, quindi ricontrolleremo i cambiamenti avvenuti in ciascun becker dopo un’ora e dopo circa 24 ore.
Raccolta dei dati

Cu
Pb
Zn
AgNO3(aq)
L’acqua passa da bianca ad azzurra e si formano dei cristalli sulla laminetta
L’acqua diventa giallastra, si formano cristalli di Ag sulla laminetta
Si formano cristalli di Ag sulla laminetta
Cu(No3)2(aq)

Non succede nulla
L’acqua diventa verde smeraldo, si formano cristalli di rame sulla laminetta
L’acqua diventa azzurra e si formano dei cristalli marroni-blu sulla lametta
Pb(No3)2(aq)
Non succede nulla
Non succede nulla
Si formano cristalli grigiastri (Pb)
Zn(No3)2(aq)
Non succede nulla
Non succede nulla
Non succede nulla
Osservazione dei dati
Il fatto che sulla laminetta di alcuni becker si formassero dei cristalli indica chiaramente che l’elemento di cui è costituita la lametta si è ossidato mentre lo ione metallico si è ridotto, e che quindi è avvenuta la reazione.
Nella prima serie di beckers, quelli contenenti la soluzione di nitrato d’argento, le reazioni sono avvenute in tutti e tre i recipienti, secondo le reazioni descritte sotto:
Cu --------> Cu2++2e- il rame si ossida
2Ag++2e-- 2 Ag l’argento si riduce
2Ag+(aq)+ Cu(s) Cu2++ 2Ag(s)
La soluzione, dopo la reazione, assume un colore azzurrino: evidentemente, il rame trasformatosi in ioni Cu2+ si è unito agli ioni NO3-, dando lo stesso colore che ha la soluzione di nitrato di rame (appunto CuNO3).
Lo stesso avverrà per tutte le altre reazioni nella soluzione di nitrato d’argento:
2Ag+(aq)+ Pb(s) Pb2++ 2Ag(s)
2Ag+(aq)+ Zn(s) Zn2++ 2Ag(s)
Nella soluzione di nitrato di rame, invece, le reazioni avvenute sono tra il piombo e lo zinco, secondo le equazioni
Pb --------> Pb2++2e- il piombo si ossida
Cu2++2e- - Cu il rame si riduce
Cu2+(aq)+ Pb(s) Pb2++ Cu(s)
Lo stesso avviene per la reazione tra rame e zinco:
Cu2+(aq)+ Zn(s) Zn2++ Cu(s)
Nella soluzione di nitrato di piombo si può subito notare che le lamine di rame e piombo non subiscono alcun processo ossidoriduttivo; la reazione è avvenuta solo con lo zinco, e possiamo esprimerla con l’equazione
Zn --------> Zn2++2e- lo zinco si ossida
Pb2++2e- - Pb il piombo si riduce
Pb2+(aq)+ Zn(s) Zn2++ Pb(s)
Notiamo innanzitutto che non avviene mai la reazione tra lo ione metallico di un elemento e il suo metallo, perché avendo la stessa capacità di ridursi e di ossidarsi, né lo ione metallico né il metallo riescono a “strappare” gli elettroni l’uno all’altro. Nel caso invece di elementi differenti, uno dei due metalli avrà una maggior capacità di ridursi rispetto all’ altro, e questo sarà quindi l’elemento ossidante.
Inoltre le reazioni vanno solo in un senso: ad esempio nella reazione tra rame e zinco si sviluppano prodotti solo se il rame è sotto forma di ione e lo zinco è metallico, mentre invece non succede nulla nel becker in cui abbiamo ioni di zinco in soluzione e rame metallico. Da questo possiamo dedurre che le reazioni avvenute erano spontanee, mentre evidentemente non lo erano le reazioni inverse: coerentemente, se un metallo ha un maggior potenziale di riduzione dell’altro, quando si trova allo stato solido non riuscirà spontaneamente a ossidarsi, e di conseguenza non avverrà nessuna reazione.
Da queste deduzioni possiamo ipotizzare quindi che l’argento, che si è ridotto e quindi ha reagito in tutte le prove, se si fosse trovato allo stato solido come laminetta metallica, e quindi avesse dovuto ossidarsi, non avrebbe dato nessuna reazione in nessuna delle tre soluzioni di Cu(No3)2,Pb(No3)2, Zn(No3)2. Infatti, in reazione spontanea, l’argento si riduce sempre, mentre partendo come metallo avrebbe fatto molta fatica a fare ciò.
Alla luce delle precedenti osservazioni, possiamo quindi costruire una “scala” che rappresenti in ordine decrescente la capacità degli ioni presi in esame di ridursi.
La scala dei potenziali di riduzione sarà:

Ag+ Max
Cu2+
Pb2+
Zn2+ Min
Sulla base dei confronti tra le reazioni spontanee e quelle inverse non avvenute, possiamo delineare la scala dei potenziali di riduzione.
Zn Max
Pb
Cu
Ag Min
Ovviamente la scala ottenuta risulta invertita rispetto a quella della capacità di ridursi di un elemento, perché chi aveva una maggior tendenza a ridursi, avrà una minor tendenza ad ossidarsi.

Costruzione di una pila
Materiale operativo:
* Laminette dei seguenti metalli:
o Piombo (Pb);
o Zinco (Zn);
o Rame (Cu);
* Soluzioni acquose 0,5 M di:
o Cu(NO3)2;
o Pb(NO3)2;
o Zn(NO3)2;
* Ponte salino
* Beckers;
* Voltmetro;
* Cavi di collegamento.
N.B: La descrizione del ponte salino e del voltmetro seguiranno nel corso dell’esperimento.
Descrizione del procedimento operativo:
Abbiamo verificato che le reazioni di ossidoriduzione consistono in un trasferimento di cariche negative da una sostanza all’altra, generando così un flusso di elettroni, che può essere considerato come dell’energia elettrica. Ora, se costringiamo questi elettroni a passare attraverso un circuito elettrico esterno, creiamo una pila, costituita da due semicelle formate ognuna da una lamina metallica immersa in una soluzione salina dello stesso metallo.
Per creare questa pila, abbiamo quindi preparato due becker, ciascuno dei quali costituiva una semicella elettrolitica, contenente uno dei tre elementi presi in considerazione sia in forma ionica (cioè in soluzione) che in forma metallica (cioè come laminette). Queste due lamine metalliche sono collegate con un cavo ad un circuito esterno in cui è inserito un voltmetro: gli elettroni, partendo dall’elettrodo che ne possiede di più, cioè quello della semicella dove avviene l’ossidazione (polo negativo o anodo) raggiungono l’altro elettrodo (catodo), dove sono consumati dalla reazione di riduzione dell’altro elemento. Grazie al voltmetro è possibile misurare la differenza di potenziale che si é creata e che permette il flusso di elettroni, e abbiamo quindi un’indicazione della capacità di trasferire gli elettroni di un elemento rispetto all’altro. E’ importante specificare che se invertissimo i poli, applicando il catodo all’elemento che si ossida, leggeremmo sul voltmetro lo stesso valore che avremmo ottenuto nel senso opposto, cambiato di segno; infatti abbiamo la stessa quantità di elettroni che si muove lungo il circuito, ma in verso opposto.
Perché ci sia un flusso di corrente elettrica dobbiamo fare in modo che esistano sempre ioni di carica opposta in quantità sufficiente da compensare gli ioni prodotti dalle reazioni: questo avviene grazie al ponte salino, un tubo a U riempito da una sostanza gelatinosa imbevuta di una soluzione ionica di NH4+ e di NO3-, che permette un trasferimento di ioni negativi dove avviene l’ossidazione e positivi dove avviene la riduzione senza però mescolare le due soluzioni.
Ecco, ad esempio, cosa succedeva nella cella elettrolitica costituita da piombo e rame.
Nel becker contenente la soluzione di nitrato di rame avviene la reazione di riduzione degli ioni Cu2+(aq) a rame metallico Cu(s), mentre nell’altra soluzione abbiamo l’ossidazione del Pb(s) a Pb2+(aq).
Quando abbiamo queste due ossidoriduzioni, gli elettroni persi nella semicella contenente il piombo si spostano nel becker contenente gli ioni rame, che si riducono. Per fare questo devono passare attraverso il circuito che abbiamo creato, e nel nostro caso anche attraverso il voltmetro, che può così misurare la d.d.p. tra le due semicelle.
Raccolta dei dati:
La prima ossidoriduzione esaminata è quella tra lo zinco e il rame.
Servendoci delle scale prima ottenute possiamo vedere che il rame tende a ridursi maggiormente dello zinco, quindi situiamo il polo positivo del voltmetro a contatto con la laminetta del rame, mentre quello negativo lo poniamo a contatto con quella di zinco. Le equazioni di ossidoriduzione nelle due semicelle sono le seguenti:
Zn(s) ( Zn2+(aq)+2e-
Cu2+(aq) + 2e- Cu(s)
A questo punto il voltmetro ci misura una differenza di potenziale pari a:
AE= Erid – Eox = (9.10 ± 0.01)*10-1 V
La seconda reazione è quella tra zinco e piombo.
Utilizzando lo stesso procedimento di prima, abbiamo posizionato l’elettrodo negativo a contatto con la laminetta di piombo, mentre il positivo su quella di zinco. Le due equazioni sono:
Pb(s) ( Pb2+(aq)+2e-
Zn 2+(aq) + 2e- Zn (s)
La differenza di potenziale ottenuta è:
iE=(4.05± 0.01)*10-1 V
La terza ossidoriduzione è quella tra rame e piombo.
Poiché il rame ha una maggior capacità di ridursi rispetto al piombo, poniamo il polo positivo nel becker contenente il rame, mentre quello negativo lo situiamo a contatto con quella di piombo.
Pb(s) ( Pb2+(aq)+2e-
Cu 2+(aq) + 2e- Cu (s)
La differenza di potenziale ottenuta è:
LE= (5.02± 0.01)*10-1 V
Osservazioni e conclusioni
Dai dati ottenuti possiamo perfezionare la scala che avevamo creato nella prima parte dell’esperimento, attribuendo anche dei valori numerici alla capacità di un elemento a ridursi grazie ai valori misurati nelle tre prove.
Poiché ciò che misuravamo era però una differenza di potenziale e non un potenziale assoluto dell’elemento, andremo per confronti, scegliendo come potenziale di riduzione massimo quello del rame (che abbiamo visto essere, dopo l’argento, l’elemento con il maggior potenziale di riduzione). 5Se poi prendiamo come livello zero il potenziale di riduzione dello Zinco, possiamo usare i valori rilevati non come differenze di potenziale, ma come valori assoluti rispetto allo zinco.
Cu

0.502 V

Pb

0.911
0.405 V

Zn

Esempio



  


  1. allesia

    non ho trovato nemmeno una tabella di quello che volevo


Come usare