• Didattica della Chimica
  • Materiali didattici
  • Esercitazioni di Laboratorio
  • Sicurezza di Laboratorio
  • Atomi e Molecole
  • Studiare la Chimica
  • Bisceglia.eu
Didattica della Chimica
 
   
 

La conducibilità elettrica


Materiali occorrenti:

Rame - Zinco - Grafite - Zolfo - Solfato di rame - Ioduro di potassio - Benzene - Alcool etilico - Paraffina - Acido acetico glaciale e sol. 0.5 M - Acido cloridrico sol. 0.5 e 0.01 M - Solfato di rame - Idrossido di sodio cristallino - Elettrodi in grafite - Alimentatore in c.c. da 6 v - Cavi - Conducimetro - Multimetro - 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 fuso.

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 alcuni metalli e non metalli:

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

Nel caso di zinco e rame si osserva l'accensione della lampadina; i due elementi 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.

Identica situazione si ha ponendo tra i due terminali un pezzetto di paraffina ( formula generica:CH3-(CH2)n-CH3 con n compreso tra 15 e 25 ); anche questa sostanza ha struttura covalente, per cui si comporta da isolante.

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.

Parte seconda: prove di conducibilità di alcuni liquidi:

In tre beckers si versano, rispettivamente, acqua, alcool etilico e benzene. 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 tre sostanze presentano anch'esse legami di tipo covalente e perciò agiscono da isolanti.

Parte terza: prove di conducibilità di sostanze allo stato puro e sciolte in acqua:

Si prendono quattro beckers e si pone, nel primo una spatolata di ioduro di potassio, nel secondo una di saccarosio, nel terzo 5 o 6 mL di acido acetico glaciale e nel quarto una di idrossido di sodio cristallino. Si immergono, in successione, gli elettrodi in grafite e si osserva che in nessun caso si ha l'accensione della lampadina.

Terminata questa fase si aggiungono 20 o 30 mL di acqua distillata nei beckers di cui sopra; in un quarto becker si versano 20 mL di acido acetico in sol. 0.5 M e si ripete l'esperienza. Si osserva che la soluzione di ioduro di potassio conduce corrente, permettendo l'accensione della lampadina; allo stesso modo si comporta la soluzione 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.

Lo ioduro di potassio 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 K+ e I - 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 soluzioni di altri sali, quali ad esempio: NaCl, Na2SO4, KNO3, etc.

Nel caso dell'acido acetico, esso non è formato da ioni, ma è un composto di tipo covalente; il legame è di tipo polare 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. L'acido ionizza negli ioni CH3COO - e H+ anch'essi solvatati; 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.

L'idrossido di sodio è un composto ionico poliatomico, nel quale gli ioni Na+ e OH - sono imprigionati nel reticolo cristallino. Come avviene per lo ioduro di potassio, l'acqua è in grado di liberare gli ioni che possono, così, migrare ai poli di segno opposto, chiudendo il circuito elettrico.

E' evidente che nei casi precedenti ha avuto luogo una elettrolisi. Acidi, basi e sali sono elettroliti.

Il saccarosio disciolto in acqua non è in grado di formare ioni, anzi si disperde in molecole neutre. Per questo motivo anche in soluzione acquosa agisce da isolante.

Parte quarta: conducibilità di sostanze allo stato fuso:

Si dispongono su treppiedi con reticella ceramica due capsule in porcellana; in una si pongono due spatolate di ioduro di potassio, nell'altra altrettanta paraffina.

Si accende il bunsen sotto la capsula con lo ioduro di potassio e si immergono nel sale gli elettrodi in grafite, protetti da una lastrina di amianto. Dopo alcuni secondi si ha la fusione del composto e contemporaneamente si osserva l'accensione della lampadina. L'energia termica fornita è, infatti, in grado di rompere il reticolo cristallino e liberare gli ioni K+ e I - che possono quindi migrare ai poli di segno opposto in un processo elettrolitico.

Si puliscono o si sostituiscono gli elettrodi e li si immergono nella paraffina, accendendo il bunsen sotto la capsula; in pochi secondi l'alcano fonde ma non si osserva l'accensione della lampadina. In questo caso l'energia termica fornita produce una fusione: le molecole sono libere di muoversi, pur rimanendo a contatto le une alle altre ma, non formandosi ioni, il comportamento è quello di un isolante.

Parte quinta: influenza della concentrazione nella conducibilità di una soluzione:

5.1 - Soluzione di un sale ( solfato di rame ) :

In un becker da 250 mL si pone una spatolata di solfato di rame ( o di un qualsiasi altro sale ) aggiungendo 50 mL di acqua distillata; si agita fino a completa soluzione e si immergono gli elettrodi in grafite osservando l'accensione della lampadina. Valgono per questo le considerazioni fatte per lo ioduro di potassio nella parte terza. Si aggiungono, quindi, 150 mL di acqua, osservando che la luce emessa dalla lampadina diviene più fioca. La conducibilità della soluzione salina diminuisce, infatti, con il diminuire della concentrazione, in quanto gli ioni Cu2+ e che possono migrare agli elettrodi di segno opposto sono di meno nell'unità di volume.

5.2 - Soluzione di un acido forte ( acido cloridrico ) :

In un becker si versano 20 mL di acido cloridrico sol. 0.5 M e in un secondo becker altrettanti di soluzione 0.01 M. Si immergono gli elettrodi in grafite nel primo becker e si osserva l'accensione della lampadina, secondo quanto già considerato nella parte terza. Si applica, di seguito, il circuito al secondo becker e si nota l'affievolimento della luce emessa dalla lampadina. Questo avviene in quanto HCl è un acido forte e completamente ionizzato e, pertanto, la conducibilità è dipendente dalla quantità di ioni H+ e Cl - presenti nell'unità di volume.

5.3 -Comparazione tra soluzioni 0.5 M di acido cloridrico ed acido acetico :

Si preparano due beckers contenenti uno 20 mL di acido cloridrico sol. 0.5 M ed il secondo altrettanti di soluzione equimolare di acido acetico. Si applica il circuito al becker contenente HCl e si osserva l'accensione della lampadina con luce viva. Disponendo di un conducimetro si può effettuare una accurata misurazione della conducibilità. Si puliscono gli elettrodi e si passa al secondo becker contenente CH3COOH: in questo caso non si osserva alcuna luminosità della lampadina; infatti la conducibilità, come sopra detto, non è tale da rendere il filamento incandescente. Si deduce che, a parità di concentrazione, è maggiore la conducibilità di una soluzione di un acido forte, più dissociato, rispetto ad un acido debole meno ionizzato.

Disponendo, in luogo del conducimetro di un più economico multimetro ( tester ), collegandolo in serie al circuito, è possibile misurare la resistenza che, come è noto, è l'inverso della conducibilità. Le soluzioni più conduttrici avranno, di conseguenza, resistenza minore. In alternativa o a complemento è anche possibile misurare l'intensità della corrente: ad una minore conducibilità corrisponde, infatti, un minor flusso di corrente e, di conseguenza, una minore intensità.

Nota operativa: la distanza tra gli elettrodi in grafite deve rimanere costante durante tutte le esperienze.


Sommario

 


 
Aggiornamento: 17-Lug-2015 14:00
©Didattica della Chimica- http://www.bisceglia.eu/chimica