Se immergiamo in acqua distillata 2 elettrodi (2 conduttori metallici collegati uno al polo positivo e l'altro al polo negativo di un generatore di corrente), e inseriamo nel circuito una lampadina, quest'ultima non si accende.
Ma se sciogliamo nell'acqua una piccola quantità di sale (ad esempio sale da cucina, ossia cloruro di sodio, NaCl), o di un acido (per esempio acido solforico, H2SO4), oppure di una base (ad esempio idrossido di sodio, NaOH) allora la lampadina "magicamente" si accenderà.
Perché?
Risposta: perché, come constatato da Michael Faraday, l'acqua pura è una sostanza isolante, mentre unita con le sostanze sopracitate si trasforma in un buon conduttore di elettricità.
Ricordiamo che:
- i conduttori: lasciano passare liberamente le cariche elettriche;
- gli isolanti o dielettrici: non permettono il passaggio di cariche elettriche.
Tutte le sostanze che, mescolate all'acqua, fanno sì che essa diventi un buon conduttore, vengono dette elettroliti.
Le loro soluzioni in acqua sono denominate soluzioni elettrolitiche.
Inoltre, per le soluzioni elettrolitiche vale la prima legge di Ohm (a patto che la temperatura della soluzione non diventi troppo alta):
i = ΔV/R
dove:
- i = intensità di corrente elettrica: si misura in ampere (A);
- ΔV = differenza di potenziale: si misura in volt (V);
- R = resistenza: si misura in ohm (Ω).
Ritornando alle soluzioni elettrolitiche, un cristallo di NaCl è costituito da ioni positivi Na+ e ioni negativi Cl-, che si alternano in una struttura regolare.
Poiché, come stabilito dalla legge di Coulomb, la forza elettrica è inversamente proporzionale alla costante dielettrica relativa del mezzo in cui sono immerse le cariche, nell'acqua, la cui costante dielettrica relativa è εr = 80, l'attrazione tra gli ioni positivi e quelli negativi di NaCl è 80 volte più debole che nell'aria (che ha εr = 1).
A causa del moto di agitazione termica, dunque, gli ioni si staccano dal cristallo e si separano l'uno dall'altro.
Tale processo, che avviene non solo nelle soluzioni di NaCl, ma in tutte le soluzioni elettrolitiche, viene chiamato dissociazione elettrolitica.
L'ELETTROLISI:
In una soluzione elettrolitica nella quale siano immersi 2 elettrodi carichi, gli ioni positivi sono attratti dall'elettrodo negativo, detto catodo, e quelli negativi dall'elettrodo positivo, chiamato anodo.
La corrente elettrica che attraversa la soluzione è pertanto dovuta al moto di cariche di entrambi i segni.
Il movimento ordinato degli ioni disciolti, provocato dal campo elettrico sussistente esternamente agli elettrodi, è denominato elettrolisi.
Il recipiente che contiene la soluzione elettrolitica, la soluzione stessa e gli elettrodi collegati al generatore, nel loro insieme, rappresentano la cella elettrolitica (o elettrolizzatore).
Una cosa importante: il generatore della cella elettrolitica DEVE erogare corrente continua, in quanto, se la corrente fosse alternata, gli elettrodi cambierebbero continuamente polarità.
Gli ioni che giungono sugli elettrodi di una cella elettrolitica neutralizzano la loro carica:
- quelli positivi sottraggono elettroni al catodo;
- quelli negativi cedono elettroni all'anodo.
Na+ + 1e- → Na REAZIONE CATODICA (-)
Cl- → (1/2)Cl2 + 1e- REAZIONE ANODICA (+)
La somma delle reazioni catodica e anodica corrisponde alla trasformazione complessiva che si verifica durante l'elettrolisi:
Na+Cl- → Na + (1/2)Cl2
Gli atomi neutri o le molecole risultanti da questo processo, a seconda della natura della soluzione e del materiale di cui sono fatti gli elettrodi possono:
- fuoriuscire allo stato gassoso dalla soluzione;
- depositarsi sugli elettrodi;
- subire reazioni chimiche.
Per far depositare il metallo sulla superficie dello stampo, si usa lo stampo alla stregua di un elettrodo e un sale del metallo come elettrolito.
Sussistono 2 importanti leggi, formulate da Michael Faraday, inerenti l'elettrolisi.
Prima di spingerci nei meandri di tali leggi, andiamo a scoprire un po' meglio la figura di Michael Faraday.
MICHAEL FARADAY:
Michael Faraday nasce il 22 settembre 1791 a Newington Butts (villaggio che ora fa parte di Londra), da una famiglia di lavoratori manuali, privi di cultura e piuttosto poveri.
Michael riceve un'istruzione rudimentale e all'età di 13 anni viene messo a far pratica presso un libraio, cartolaio e rilegatore di libri.
Tuttavia, oltre a rilegare libri, il giovane li legge anche!
Un giorno, uno dei clienti lo nota e gli fornisce i biglietti d'ingresso alla Royal Institution, per assistere alle lezioni del chimico Humphry Davy.
Così, in pochissimo tempo, Faraday entra a far parte del personale della Royal Institution.
Nel 1813 Sir Humphry e Lady Davy decidono di organizzare un viaggio nel continente, facendosi accompagnare proprio da Faraday in veste di segretario, ma affidandogli anche gli incarichi più umili.
Il viaggio si protrae per 18 mesi, estendendosi dalla Francia all'Italia, alla Svizzera, alla Germania e al Belgio, ed è di fondamentale importanza per l'educazione del giovane.
In primis, egli incontra molti scienziati illustri, tra cui:
- Volta;
- Ampère;
- Gay-Lussac;
- Arago, ecc.
Alcune di queste eminenti personalità riconoscono il valore del modesto giovane.
Infatti, l'attività scientifica di Faraday è magnifica.
Per qualche anno dopo il ritorno dal viaggio europeo si occupa dell'analisi chimica pratica e delle mansioni di dipendente della Royal Institution, fra cui è compresa l'assistenza alle ricerche svolte dallo stesso Davy.
È incredibile pensare che alla fine della sua carriera, ossia intorno al 1860, gli appunti di laboratorio di Faraday contenevano più di 16.000 annotazioni di osservazioni, rigorosamente numerate in successione e raccolte in volumi in cui l'autore si dilettava a porre in evidenza la sua originaria abilità di rilegatore.
Tali annotazioni, assieme ad altre centinaia, sia precedenti che successive ai tomi che egli stesso rilegò, sono state raccolte e costituiscono la base delle celeberrime Experimental researches in electricity (Ricerche sperimentali sull'elettricità).
Questa è una lista di alcuni degli innumerevoli argomenti su cui Faraday ha compiuto minuziose ricerche:
- leghe dell'acciaio;
- composti del cloro e del carbonio;
- rotazioni elettromagnetiche;
- liquefazione dei gas;
- vetri ottici;
- scoperta del benzene (1825);
- induzione elettromagnetica;
- identità dell'elettricità proveniente da varie fonti;
- decomposizione elettrochimica;
- elettrostatica e dielettrici, ecc.
Tra queste "infinite" ricerche spicca, oltre alla notissima induzione elettromagnetica, una scoperta molto importante nel campo della chimica organica, cioè quella del benzene.
Quando lo scoprì, Faraday non si rese conto della sua futura importanza né, naturalmente, della sua singolare architettura molecolare.
Un'interessante descrizione relativa al benzene e alla leggendaria scoperta della sua struttura si riscontra nell'articolo Il sogno di Kekulé del blog Popinga.
Ritornando a Faraday, il suo periodo più fecondo è quello che va dal 1830 al 1839: infatti, in tali anni, egli fu il principale creatore della moderna elettricità.
I suoi studi approfonditi lo portarono alla scoperta di quelle che oggi chiamiamo, appunto, leggi di Faraday per l'elettrolisi:
1° LEGGE DI FARADAY
La prima legge riguarda la relazione tra la quantità di carica elettrica trasportata attraverso una cella elettrolitica e la quantità della sostanza che si libera allo stato gassoso in prossimità di un elettrodo o che su di esso forma un deposito solido.
Ecco la prima legge:
La massa della sostanza che si libera presso un elettrodo in un certo intervallo di tempo è direttamente proporzionale alla carica elettrica che nello stesso tempo, attraverso la soluzione, è giunta allo stesso elettrodo.
La relazione tra quantità di materiale depositato sugli elettrodi e quantità di cariche passate nella cella elettrolitica permette una taratura di precisione di tutti gli strumenti di misura della carica e della corrente elettrica.
Si va a definire così anche un'unità di misura particolare, detta Coulomb internazionale (Cint), che rappresenta la quantità di carica elettrica il cui passaggio in una cella elettrolitica a nitrato d'argento, con anodo d'argento e catodo di platino, fissa sul catodo una quantità di materiale pari a 1,118 mg di argento.
2° LEGGE DI FARADAY
In 2 o più celle elettrolitiche contenenti soluzioni elettrolitiche differenti e collegate in serie tra loro, le masse delle sostanze che si raccolgono presso gli elettrodi sono direttamente proporzionali ai rispettivi equivalenti chimici.
Specifichiamo che l'equivalente chimico di una sostanza è il rapporto tra il suo peso atomico (o molecolare) espresso in grammi e la sua valenza (numero di elettroni che concorrono alla formazione di legami chimici, che rappresentano i più lontani dal nucleo atomico).
Per avere una formula complessiva che riassuma entrambe le leggi, supponiamo che, nell'intervallo di tempo in cui una cella elettrolitica è attraversata da una carica q, su uno dei suoi elettrodi pervengano N ioni di un elemento avente numero di valenza z.
Sapendo che la massa in grammi di un singolo atomo è data dal rapporto fra la massa M di una mole della sostanza e il numero di Avogadro NA (= 6,022 x 10²³ particelle), allora possiamo esprimere la massa complessiva m che si libera o si deposita presso l'elettrodo nella forma:
Inoltre, poiché ogni ione scambia con l'elettrodo, in valore assoluto, una carica z e (carica elementare), si può scrivere:
q = N z e
Combinando le 2 formule precedenti otteniamo l'equazione che compendia le 2 leggi di Faraday:
Per un dato elemento chimico, ossia per z ed M fissati, tale equazione indica, in accordo con la prima legge, che m è direttamente proporzionale a q.
Se, al contrario, si considera costante la carica q, allora essa mostra, in accordo con la seconda legge, che m è direttamente proporzionale al rapporto M/z, cioè all'equivalente chimico.
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