Laboratorio di chimica in casa/Elettrodi

Gli elettrodi sono i pezzi di materiale conduttore che vengono collegati ai poli di una batteria per essere impiegati come catodo e anodo. Avendo infatti proprietà conduttrici sono materiali molto utili in reazioni di elettrochimica, e sarebbe bene tenerli in uno scompartimento a parte, da utilizzare durante esperimenti quali elettrolisi, costruzione di pile di Volta ed ossidoriduzioni.

Elettrolisi

Il processo qui descritto è spiegato dettagliatamente in Approfondimento: Elettrolisi

Gli ioni al passaggio della corrente migrano verso i due elettrodi: gli ioni positivi (M⁺) verso il catodo(–) e gli ioni negativi (X^–) verso l'anodo(+).

Appena giunti in prossimità dei poli (+) e (–) interagiscono con gli elettroni che passano in soluzione: Gli ioni positivi M⁺ migrati al catodo (polo negativo) rubano un elettrone dalla corrente, trasformandosi da ioni ad atomi neutri.
Gli ioni negativi X^- invece, a contatto con l'anodo (polo positivo) cedono un elettrone al metallo, diventando anch'essi atomi neutri.

Dopo aver ceduto o acquisito uno o più elettroni, l'atomo divenuto elettricamente neutro si troverà con uno o più elettroni spaiati, che metterà in gioco in legami covalenti con altri atomi, che possono essere della sua stessa specie chimica o di un'altra, quale l'acqua di soluzione o il metallo con cui viene a contatto:
gli ioni negativi, dopo aver rilasciato l'elettrone entrando in contatto con l'anodo, si legano al metallo dell'elettrodo generando altri sali:

2 Cl^- + Fe(+) → Cl₂ + Fe → FeCl₂

Al catodo avviene invece un processo di deposizione degli atomi di metallo diventati neutri:

Pb²⁺ + Cu(-) → Pb_(s) su Cu

In questo caso si vedrà il catodo ingrossarsi e ricoprirsi di una patina del metallo ridotto.

Esistono inoltre casi particolari, di reazioni elettrolitiche più complesse, che verranno comunque trattate più avanti.

Grafite

Elettronegatività	Ioni rilasciati all'anodo	Resistività $\Omega \cdot m$	Punto di fusione $^{\circ }\!C$	Massa molare ${\frac {g}{mol}}$
2,55	-	5·10-7	3500	12,011
Precipitati: C, CnOn
Nota: La sostanza è atossica.

Immagine di uno strato di grafene ottenuto con un microscopio a effetto tunnel.

La grafite è una delle forme allotropiche del carbonio. La sua struttura cristallina è composta da strati di atomi di carbonio tutti ibridizzati sp² (come nel benzene), tenuti insieme da deboli forze di Van der Waals, che la rendono un materiale molto friabile.
Proprio la presenza di sequenze di doppi legami molto vicini permette agli elettroni che vi risiedono di passare da un anello all'altro se sottoposti ad un campo elettrico.

La sua caratteristica fondamentale, come elettrodo, è quella di reagire debolmente con gli ioni negativi che ossida al polo positivo. Questa sua caratteristica le permette di essere utilizzata come anodo senza che si formino sali dell'anione, il quale cede il suo elettrone senza legarsi al carbonio della grafite.

Anche la grafite comunque subisce un effetto di decomposizione in cui si riduce in piccoli frammenti.

Struttura cristallina della grafite

Produzione domestica

La grafite è la sostanza di cui sono fatte le mine delle matite. Queste vengono vendute separate dall'involucro di legno all'interno di astuccini di plastica reperibili in cartoleria, e servono come mina per le matite di precisione e per i compassi. Il loro diametro può variare da ½mm a 2 mm. Si consumano abbastanza in fretta, quindi le mine con diametro maggiore sono da preferire a quelle più sottili (per esempio le mine ultrasottili per tratti di precisione).

Le mine all'interno delle matite variano le loro dimensioni da 1,5mm a 2 mm. Esistono anche matite a punta più grande, o rettangolare (matite da muratore) larghe il doppio o il triplo rispetto a quelle per matite normali.

Per estrarle dall'astuccio ligneo da cui sono avvolte, basterà mettere la matita in morsa e stringere finché il legno non si sfalda. Le si schiaccia da un fianco e poi dall'altro, badando che la punta sia assolutamente dritta: la grafite è estremamente resistente alla pressione ma è fragilissima e si rompe facilmente per torsione.

Rame

Elettronegatività	Ioni rilasciati all'anodo	Resistività $\Omega \cdot m$	Punto di fusione $^{\circ }\!C$	Massa molare ${\frac {g}{mol}}$
1,9	+2	1,69·10-8	1084,6	63,546
Precipitati: Cu2O, CuO, Cu(OH)2
Nota: La sostanza è atossica, ma i suoi sali sono acidi di lewis.

Il rame è un metallo nobile, il secondo miglior conduttore di corrente elettrica (dopo l'argento) ed abbastanza resistente a vari tipi di agenti chimici. Solitamente viene smerciato puro (>99,9%) ed è il materiale con cui sono fatti i tubi per il gas, le grondaie, fili elettrici (larghi a fibra unica per trasformatori, sottili a più fibre per cavi della 220V), i paioli ed è presente anche sulle monete da 1, 2 e 5 centesimi, dove forma una patina spessa ~0,1 mm.

Produzione domestica

Il miglior oggetto di rame da usare come reagente sono i cavi presenti nei motorini elettrici degli elettrodomestici. Sono avvolti in spire molto lunghe, costituenti le bobine o gli elettromagneti che muovono il motore, e son ricoperti da un sottile strato di vernice, che è possibile rimuovere grattando il cavo con un taglierino o, meglio ancora, lasciando i cavi per qualche giorno in una soluzione di soda caustica e poi puliti con una paglietta di ferro. Questi cavi sono utilissimi anche per la loro resistenza e praticità d'uso, come cavi elettrici (mantenuti con il proprio strato di vernice) o reggette, ed è possibile saldarli a stagno dopo essere stati ripuliti del loro strato di vernice.
I cavi elettrici che conducono la 220V sono invece estremamente sottili, utili anch'essi in laboratorio ma meno versatili.
Le tubature in rame sono invece reperibili nei negozi di idraulica o ferramenta, o nelle discariche fra le macerie di qualche bagno o cucina demolita. L'unico loro difetto sono il peso e le dimensioni, e se il diametro dei tubi può essere di quasi ogni misura, è difficile trovare pezzi non troppo lunghi. Bisognerà quindi tagliarli.
Anche le grondaie e le fascette per fissarle sono in rame, e sono reperibili in ferramenta o da un lattoniere, ma anche loro hanno il difetto delle dimensioni, anche se, essendo più sottili dei tubi, sono facilmente tagliabili con un seghetto da ferro.
I centesimi di euro sono placcati con uno strato di rame spesso abbastanza per qualche esperimento, ma le loro dimensioni li rendono degli elettrodi poco efficienti dato che si rischia arrivare al ferro e contaminare con esso la soluzione su cui si sta lavorando.

Vista la sua durezza ed elevato punto di fusione, è difficile lavorarlo in casa. L'unica cosa possibile è trovare oggetti di dimensioni diverse, o tagliarli con appositi strumenti (potrebbe essere necessaria anche una morsa).

C'è anche la possibilità di ottenere rame in polvere per ossidoriduzione: in negozi di giardinaggio o di agronomia è reperibile il solfato di rame. Mettendo dei chiodi di ferro ben puliti in una soluzione di questo sale è possibile ottenere rame metallico (parzialmente ossidato a Cu₂O )per ossidoriduzione, e come sottoprodotto solfato ferroso FeSO₄. Lo stesso avviene con pagliette di ferro (non di acciaio) ma si rischia di avere dei pezzetti di ferro misto alla polvere di rame in soluzione. Questi possono però essere rimossi dalla soluzione con un magnete. Lo stesso vale con la limatura e i trucioli.

Ferro

Elettronegatività	Ioni rilasciati all'anodo	Resistività $\Omega \cdot m$	Punto di fusione $^{\circ }\!C$	Massa molare ${\frac {g}{mol}}$
1,83	+2	9,86·10-8	1535	55,84
Precipitati: FeO, Fe2O3, Fe(OH)2, Fe(OH)3, Fe2(SO4)3
Nota: La sostanza è atossica, ma i suoi sali sono acidi di lewis.

Il ferro è un materiale molto comune, dotato di buona resistenza fisica ma molto vulnerabile agli agenti chimici. Forma composti in cui assume stato di ossidazione +2 o +3. L'ultimo stato è il più stabile, mentre il primo è instabile e si ossida facilmente a +3 (FeCl₂ → FeCl₃, Fe(OH)₂ → Fe(OH)₃).

Come elettrodo, presenta una grande tendenza a legarsi con gli anioni con cui viene a contatto. Come catodo, tende a venir lentamente attaccato dalle basi forti formate dai metalli alcalini.
Solitamente si lega all'ossigeno dell'acqua di soluzione durante processi di ossidoriduzione, rilasciando tracce di FeO in soluzione.

Il ferro tende ad arrugginirsi molto infretta; anche dopo essere stato lucidato tende a ricoprirsi di uno strato nero del suo monossido. Quando il ferro è invece ricoperto dal suo triossido significa che è stato corroso da tempo, e quindi in profondità La cosa lo rende difficile da pulire, e lo spesso strato di ruggine gli fa perdere conducibilità elettrica, ma può essere rimosso grattandolo con una spazzola di ottone, carta vetrata e sciacquando con acido muriatico, e poi con acqua.

Produzione domestica

Moltissimi oggetti sono composti da ferro, ma va verificato in che condizione esso si trova: quando questo è cromato significa che è coperto da un sottile strato di cromo metallico, e non è adatto per gli esperimenti (visto che questo strato lo rende chimicamente inerte anche a contatto con gli acidi più forti). Anche l'acciaio inox non va bene, perché contiene molto cromo e tracce di altri metalli come molibdeno e nichel, che generano impurità.

Solitamente, il ferro dolce e quello duro, la ferrite e l'acciaio sono gli unici materiali da cui estrarre ferro puro. Infatti i primi due sono totalmente composti di ferro, mentre gli altri due contengono al massimo il 6% di carbonio. Anche la ghisa è un tipo di lega Fe-C utile.

Il modo migliore per vedere se un materiale è di ferro, è quello di fargli fare la ruggine. Basta lasciarlo in acqua ossigenata per una o più giornate. L'acciaio inox non reagirà, mentre gli altri tipi di ferro faranno la ruggine. Per vedere se è ferro zincato invece va sciolto nell'acido cloridrico. Se fa le bolle allora è zincato, se non le fa è un altro metallo.

La condizione peggiore in cui un pezzo di ferro può trovarsi è rappresentata dai trafiletti per cemento armato, reperibili tra le macerie di edifici o vicino a case appena costruite, ma si possono trovare sepolti nel terreno nei campi e nei prati, pochi centimetri sottoterra. Di solito sono ricoperti di uno strato molto spesso di triossido di ferro(III), difficilissimo da eliminare, dato che corrode il ferro in profondità e vi si incastra all'interno creando avvallamenti in cui è difficile spazzolarlo via, ed il lavaggio con acido facilita l'ossidazione del ferro puro a FeO. Rimangono comunque un'ottima fonte di ferro.

Altre fonti del metallo sono: le lamine di acciaio che i puliscistrada perdono dalle spazzole, facilissime da trovare ai bordi delle strade, le pagliuzze di ferro o acciaio (non inox) per la pulizia dei piatti, chiodi, ferri di cavallo, gli elettromagneti dei motori elettrici fatti di ferrite, i già citati listelli di acciaio reperibili in ferramenta, il filo di ferro (a patto che sia di ferro dolce, che sarebbe il ferro puro, o di acciaio, ma non di ferro zincato, acciaio inox o altro. Vanno bene anche quelli ricoperti di plastica).

Stagno

Elettronegatività	Ioni rilasciati all'anodo	Resistività $\Omega \cdot m$	Punto di fusione $^{\circ }\!C$	Massa molare ${\frac {g}{mol}}$
1,96	+2	1,09·10-7	232	118,71
Precipitati: SnO2
Nota: La sostanza è atossica; i suoi sali sono leggermente acidi.

Lo stagno è un metallo lucido, difficilmente ossidabile, molto malleabile, fonde a 232 °C, temperatura abbastanza bassa da permettergli di essere fuso dalla fiamma di un fornello a gas o di un accendino. Ha una resistenza agli agenti corrosivi media.

Lo stagno è commercializzato sottoforma di fili di diametro variabile da 1mm a 1,5mm o in barre lunghe qualche decina di centimetri e sottili.

Produzione domestica

Lo stagno venduto in fili nei negozi di ferramenta è facilmente piegabile ed intrecciabile a mano. Se si vogliono comunque degli elettrodi grandi e compatti basterà farlo fondere sul fornello in un recipiente metallico (impiegherà pochi minuti) e poi fatto colare in uno stampo (fatto con ferro, argilla, legno o anche un foglio di alluminio).
La forma adatta gli può essere facilmente data battendo il blocco ottenuto (freddo) con un martello.

Piombo

Elettronegatività	Ioni rilasciati all'anodo	Resistività $\Omega \cdot m$	Punto di fusione $^{\circ }\!C$	Massa molare ${\frac {g}{mol}}$
1,8	+2	2,07·10-7	327,5	207,2
Precipitati: PbO, PbSO4
Nota: La sostanza ha effetti tossici cumulativi; i suoi sali sono leggermente acidi.

Il piombo è un metallo pesante dello stesso gruppo dello stagno e del carbonio. È malleabile, resistente alla corrosione acquatica ed a quella di vari acidi. A volte invecchiando o rimanendo esposto agli agenti atmosferici può coprirsi di uno strato scuro di ossido di piombo PbO e diossido di piombo PbO₂.

Il metallo ed i suoi sali sono tossici, e l'esposizione cronica ad essi provoca danni al fegato ed al sistema nervoso.

Produzione domestica

Attenzione: quando si maneggia il piombo vanno indossati i guanti.

I pesi per le bilance da laboratorio o antiche sono fatti di piombo.
In negozi di idraulica viene fornito in barre lucide lunghe ed abbastanza strette.
Sono disponibili, in negozi di articoli per la pesca, dei pesi in piombo per i galleggianti. Altri pesi, detti sempre "piombini" sono a volte dati in dotazione ai muratori, i quali li legano ad un filo quando devono tracciare rette perpendicolari.
In piombo sono anche realizzati proiettili, disponibili in negozi specializzati in armi o strumenti per la caccia.
È inoltre presente in grande quantità nelle batterie per le auto.
Essendo un metallo duttile e malleabile può essere facilmente battuto a freddo con un martello, o fuso e colato in uno stampo per fargli prendere la forma desiderata.

Alluminio

Elettronegatività	Ioni rilasciati all'anodo	Resistività $\Omega \cdot m$	Punto di fusione $^{\circ }\!C$	Massa molare ${\frac {g}{mol}}$
1,61	+3	2,75·10-8	660,3	26,982
Precipitati: Al2O3, Al(OH)3
Nota: La sostanza è atossica, ma i suoi sali sono acidi di lewis.

L'alluminio è un metallo lucido, duro e leggero. È estremamente reattivo con gli acidi, ed il suo carattere anfotero gli permette di reagire anche con le basi forti. Assume sempre stato di ossidazione +3 (AlCl₃, Al₂O₃, Al₂(SO₄)₃). È un acido di Lewis particolarmente forte.

Non è tossico, anche se sono presenti nella storia molti casi di intossicazione da alluminio, precisamente di suoi sali, che si formavano per reazione tra il metallo del pentolame in cui veniva cotto e gli acidi organici contenuti negli alimenti.

Viene tuttora impiegato in edilizia per la sua leggerezza, per produrre scale, telai di biciclette, scaffalature, pezzi di aeroplani ecc.

Produzione domestica

L'alluminio è largamente utilizzato per produrre materiali per il settore alimentare: viene venduto sotto forma di fogli avvolti in rotoli usati per avvolgere gli alimenti, oppure come vaschette e formine per i dolci e i cibi da cuocere nel microonde. La cosa più difficile è trovare alluminio alimentare puro: talvolta è in lega con il ferro o con altri metalli, che rischiano di contaminare le soluzioni con cui viene a contatto, oltre a renderlo meno reattivo.
Trovarlo in giro è facile, basta acquistare della frittura o degli alimenti e conservare la carta che li avvolge, ma va pulita bene e non va rotta o stropicciata. Il modo migliore per conservarla è lavarla, stirarla e piegarla in più parti fino a renderla piatta,e conservarla in una scatolina assieme agli altri fogli conservati. Va comunque tenuto presente che in quel caso bisogna analizzare un frammento del foglio ogni volta per verificare se è alluminio puro o contiene tracce di ferro o altro.
Viene anche venduto in ferramenta sotto forma di barre di diverse dimensioni. Possono essere verniciate, ricoperte di plastica ma mai placcate, perché l'alluminio è autopassivante. Queste possono però essere in lega con il magnesio, il ferro o altri materiali, e va quindi sempre appurato prima se è alluminio puro o altro.

Nonostante il suo basso punto di fusione, fondere in casa l'alluminio è molto difficile, perché si ossida all'aria e diventa difficile da lavorare, specialmente i fogli che non possono essere fusi, perché lo strato di ossido che li ricopre diventa talmente spesso da renderli fragili e non più duttili.

Note

Modulo precedente Strumentazione

Torna a Laboratorio di chimica in casa

Modulo successivo Sostanze di partenza