DENTRO LA PILA: PROPOSTE DI EXHIBITS

La proposta consiste nella costruzione di pile e di due celle elettrolitiche, una per l’elettrolisi dell’acqua e l’altra per l’elettrodeposizione del rame, con materiali di uso comune.

L'attività è stata svolta nell’anno scolastico 2004/2005 con la classe III E, all’interno di un percorso sull’elettricità. Al termine del percorso sono state realizzate lezioni-laboratorio per bambini delle scuole elementari, tenute dai ragazzi delle medie. La ricaduta sotto l’aspetto dell’interesse e della motivazione è risultata evidente. Dai commenti dei ragazzi è emerso infatti il piacere di lavorare “con le mani”, di esplorare, di condividere con compagni ed insegnanti l’impegno a realizzare un prodotto comune, di immergersi nel ruolo di animatori. Si è osservata una positiva ricaduta anche sul piano cognitivo. Infatti la necessità di comunicare le proprie esperienze a compagni più piccoli ha fatto sì che gli alunni ponessero maggior attenzione nel loro lavoro e fossero stimolati ad impegnarsi nell’interpretare e comprendere più a fondo i fenomeni in esame.

ARGOMENTAZIONI SULLA SCELTA DEL FENOMENO

L’esplorazione del funzionamento di pile e celle elettrolitiche offre spunti interessanti dal punto di vista didattico in quanto:

è possibile svilupparla attraverso esperienze semplici, facilmente riproducibili e nello stesso tempo efficaci nello stimolare la curiosità
fa indagare su esperienze ampiamente diffuse nella vita quotidiana
permette di inserire le esperienze all’interno di percorsi più ampi, riguardanti l’elettricità, le trasformazione della materia, l’energia
si presta bene ad un’analisi sia qualitativa che quantitativa di relazioni tra variabili
fa riflettere su concetti fondamentali quali l’equilibrio, la reversibilità/irreversibilità e la spontaneità/non spontaneità nelle trasformazioni

EXHIBITS

Pila alla frutta, pila con lattina e aria, pila con lattina e moneta, pila a mano, smontare l'acqua, ricoprire con il rame.

1. PILA ALLA FRUTTA
Cosa fare e cosa notare

 

 

 

Prendi due limoni, premili un po’ sul tavolo facendoli rotolare, in modo da liberare un po’ di succo al loro interno, mettili nei bicchieri vuoti. Inserisci in ciascun limone una barretta di rame ed una di zinco, prelevate tra quelle a disposizione. Utilizzando i cavetti elettrici, collega i due limoni tra loro e con l’orologio digitale, come nel disegno. L’orologio dovrebbe iniziare a funzionare. Se ciò non accade, inverti i collegamenti con l’orologio. Al posto dei limoni puoi utilizzare altra frutta a disposizione.

2. PILA CON LATTINA E ARIA
Cosa fare e cosa notare

Osserva la lattina: è stata avvolta internamente con carta assorbente tipo Scottex imbevuta in una soluzione satura di sale da cucina e poi riempita con carbone attivo (cioè con pezzetti di carbone particolarmente poroso; nei pori resta intrappolato l'ossigeno dell'aria). All'interno del carbone attivo è inserita una mina di grafite, collegata al multimetro digitale tramite un cavetto elettrico (vedi disegno). L'altro cavetto elettrico è fissato alla lattina stessa.
Se colleghi al multimetro il filo elettrico libero, il multimetro segnala passaggio di corrente. Prova a scambiare tra loro i collegamenti dei cavetti con il multimetro. Cosa osservi?

3. PILA CON LATTINA E MONETA
Cosa fare e cosa notare

Una lattina è piena di acqua distillata, l’altra di una soluzione satura di acqua e sale da cucina. In entrambe è immersa, senza toccare la lattina, una moneta da 2 centesimi. In questo caso i due elettrodi sono costituiti rispettivamente dalla lattina (di alluminio) e dalla moneta (di rame). Collega i cavetti di ciascuna lattina al tester, come nel disegno. Nel caso della lattina contenente acqua distillata non accade nulla di evidente, mentre nell’altra il tester segnala passaggio di corrente. Come mai?

4. PILA A MANO
Cosa fare e cosa notare

Collega due piastre metalliche a tua scelta al tester (vedi disegno). Appoggia la mano sinistra su una, la destra sull’altra ed osserva se il tester registra passaggio di corrente. Ripeti la prova strofinando tra loro le mani, in modo da aumentare la produzione di sudore. Osserva anche cosa accade appoggiando le mani su altre coppie di metalli. Noti sempre passaggio di corrente? Con quali coppie di metalli la corrente è più intensa? Noti qualche differenza se scambi la mano destra con la sinistra? Chiedi la collaborazione di altre persone. Tenetevi per mano in modo da formare una catena. Invita le due persone esterne alla catena a tenere rispettivamente una mano su una piastra di rame ed una sulla piastra d’alluminio. Noti la stessa intensità di corrente con la pila formata da una, due o tre persone?

Cosa accade in una pila

Gli elementi essenziali che costituiscono una pila sono:

una sostanza, chiamata elettrolita (un acido, un sale o una base) che ha la caratteristica di dissociarsi spontaneamente in ioni (particelle con carica positiva e con carica negativa). Nel caso della pila alla frutta l’elettrolita è costituito dal succo di limone, nella pila a mano dal sudore e dalle particelle cariche che circolano all’interno del nostro corpo, nelle pile con la lattina l’elettrolita è il sale da cucina. Se i due elettrodi fossero messi direttamente a contatto, ci sarebbe un trasferimento di elettroni tra l’uno e l’altro con liberazione di energia sotto forma di calore, in quanto il trasferimento avverrebbe in modo disordinato. In una pila gli elettrodi non sono posti a diretto contatto, ma sono collegati tra loro da un filo di rame lungo il quale gli elettroni fluiscono nella stessa direzione, in altri termini si ha produzione di corrente elettrica. Collegando gli elettrodi con il filo di rame si turba però l’equilibrio che c’è a circuito aperto, basato sulla prevalenza di elettroni ad un elettrodo rispetto all’altro. Perché la corrente elettrica possa continuare a fluire è necessaria la presenza dell’elettrolita, che ha il compito di assicurare il flusso di cariche tra gli elettrodi anche all’interno della soluzione, ripristinando così le condizioni di equilibrio.

5. SMONTARE L’ACQUA
Cosa fare e cosa notare

 

 

 

 

1 - Riempi un recipiente di vetro a bocca larga (ad es. un becker da 500 cc) con acqua resa leggermente acida per aggiunta di acido solforico o cloridrico.
2 - Collega ad un pezzetto di grafite grossa (lungo qualche centimetro) un cavetto elettrico lungo circa 20-30 cm.
3 - Riempi una provetta con la stessa acqua resa acida che c'è nel becker , tappala con un dito, capovolgila all'interno del becker e, stando sotto il pelo dell'acqua inserisci con attenzione al suo interno il pezzo di grafite, facendo uscire il cavetto elettrico dalla provetta ed evitando, durante questa operazione, di farvi entrare aria. E' necessario utilizzare dei guanti.
4 - Aiutandoti con una molletta di legno, fa in modo che la provetta resti in posizione verticale all'interno del becker.
5 -Ripeti i punti 2, 3 e 4, in modo da sistemare una seconda provetta contenente acqua e un elettrodo di grafite con collegato un cavetto elettrico all'interno del becker.
6 - Collega i cavetti elettrici provenienti dai due elettrodi di grafite ad un alimentatore da 9 - 12 Volt.
Osserva ciò che accade nel giro di una decina di minuti.

Dopo poco nei due tubi laterali noterai la formazione di bollicine, che è più intensa in quello collegato al polo negativo. Se attendi un po’ più di tempo, puoi osservare che il livello dell’acqua nei due tubi comincia a scendere, perchè in essi si sta raccogliendo del gas. Il volume del gas raccolto nel tubo collegato all’elettrodo negativo è circa doppio rispetto a quello del gas raccolto nell’altro. Da dove vengono questi gas?

6. RICOPRIRE CON IL RAME
Cosa fare e cosa notare

Nel becker c'è una soluzione di solfato di rame in cui sono immersie due viti in acciaio. Collega l’apparecchiatura (vedi disegno) alla batteria da 4,5 V. Noterai che un elettrodo si ricopre di rame metallico, da dove viene? Osservi altri effetti in prossimità degli elettrodi?

Cosa accade nelle celle elettrolitiche (esperienze n. 5 e n. 6)

Nelle celle elettrolitiche avviene il processo inverso rispetto a quello osservato nelle pile: qui la corrente elettrica produce delle trasformazioni chimiche. Nel caso dell’elettrolisi dell’acqua la corrente elettrica smonta la molecola d’acqua in due particelle cariche, una con carica positiva e una con carica negativa.Le particelle con carica positiva vanno all'elettrodo collegato con il polo - della pila e si riuniscono a due a due formando il gas idrogeno, quelle con carica negativa si muovono verso l’altro elettrodo e formano sulla sua superficie il gas ossigeno. Il gas idrogeno raccolto si riconosce perché è esplosivo. Se si estrae la provetta che lo contiene dall'acqua, tenendola ben tappata con un dito, la si capovolge e si avvicina rapidamente un fiammifero nel momento in cui si toglie il dito, si sente un piccolo botto. Nell'altra provetta si raccoglie ossigeno, che si riconosce perché, avvicinandovi un fiammifero, la sua fiamma per un istante si ravviva.
Nell’elettrodeposizione del rame accade che su un elettrodo (chiodo) si deposita del rame, contemporaneamente l’altro si “rovina”, diventa nero. Il rame proviene dal solfato di rame in soluzione (gli ioni del rame con carica positiva presenti nella soluzione di solfato di rame acquistano elettroni trasformandosi in rame metallico). Anche qui la trasformazione chimica è evidente, perchè il solfato di rame è un sale blu, mentre il rame metallico depositato sul chiodo è rosso e lucido..

MATERIALI

Tutti i materiali utilizzati per le cinque postazioni sono di uso comune.

1. frutta (limoni, arance, mele…), fili elettrici con pinze a coccodrillo, bicchieri in cui inserire i due frutti, barrette di zinco e rame dello spessore di 1 o 2 mm, lunghe circa 6 cm, vaschette per contenerle, orologio digitale

2. una lattina da bibita di alluminio, carta assorbente tipo Scottex, sale, un recipiente per preparare la soluzione salina, carbone attivo per acquari, fili elettrici con pinze a coccodrillo, una mina lunga 10-12 cm e con sezione di circa 5 mm, multimetro digitale o un microamperometro (possibilmente con lo zero centrale)

3. due lattine da bibita di alluminio completamente aperte nella parte superiore, monete da 2 centesimi , due sostegni per i fili elettrici cui sono agganciate le monete, fili elettrici con pinze a coccodrillo, multimetro digitale o un microamperometro (possibilmente con lo zero centrale), acqua distillata, sale da cucina, recipiente per preparare la soluzione salina, etichette

4. due piastre di rame, una di alluminio ed una di zinco, di grandezza sufficiente per appoggiarvi la mano, un multimetro digitale o un microamperometro (possibilmente con lo zero centrale), fili elettrici con pinze a coccodrillo, etichette

5. un alimentatore da 6/12 Volt, fili elettrici per i collegamenti, soluzione di acido solforico al 5 %, un recipiente in vetro a bocca larga, due provette da inserire – rovesciate e piene della soluzione acida – all’interno del recipiente, due pezzi di grafite (sezione di circa 5 mm) da inserire nelle provette rovesciate, facendo attenzione a non far entrare aria

6. un becker da 250 cc, soluzione di solfato di rame, chiodi e vaschetta per contenerli, fili elettrici con pinze a coccodrillo, pila da 4,5 V o alimentatore da 6 V, sostegni per i chiodi.

BIBLIOGRAFIA

Nuffield- Scienze integrate – ed Zanichelli 1973; libro insegnanti sezione 5 (elettricità) R. Graf, Safe and simple electrical experiments – Dover publications, inc. New York M.G. Fortuzzi, La materia - Corso di scienze fisiche, chimiche naturali - Ed. Zanichelli 1978 A Bargellini, Il mondo della chimica – ed C. Signorelli 1995

http://www.exploratorium.edu/snacks
http://www.scienzaviva.it/pubbl/pdf/Batteria_All_aria2.pdf (batteria alluminio-aria)