Cartesio
La didattica con le calcolatrici
Chimica
Unità didattiche
La conducibilità elettrica nelle soluzioni di elettroliti forti 
di Salvatore Regalbuto e Sonia Formica - 8° Istituto Statale di Istruzione Secondaria Superiore "Quintiliano" Siracusa
Misurazione della conducibilità elettrica in funzione della concentrazione di una soluzione.
Introduzione
Una sostanza che in soluzione acquosa conduce la corrente elettrica è definita elettrolita. Composti ionici, come NaCl e Ca(OH) 2 possono disciogliersi in acqua, formando soluzioni acquose di ioni. Poiché tali soluzioni conducono la corrente elettrica, i composti ionici sono generalmente elettroliti. NaCl e molti altri composti ionici, sciogliendosi in acqua, si dissociano completamente, quindi la concentrazione ionica è molto elevata, e la soluzione è un buon conduttore di corrente. Queste sostanze si definiscono elettroliti forti. Altre sostanze, gli elettroliti deboli, si dissociano solo in parte quando sono disciolte in acqua, e quindi sono cattivi conduttori di corrente elettrica. E' il caso dell'acido acetico, di cui solo una piccola percentuale di molecole è ionizzata per formare un catione ed un anione. Esistono anche sostanze che si sciolgono in acqua, ma che non si ionizzano, e le soluzioni non conducono corrente elettrica. Saccarosio, amido, etanolo, glicole etilenico sono non elettroliti.
a) non elettrolita b) elettrolita debole c) elettrolita forte
La conducibilità elettrolitica implica il trasporto di anioni verso l'anodo e di cationi verso il catodo, mentre gli elettroni sono ceduti o acquistati dagli ioni alle superfici degli elettrodi per completare il cammino della corrente.
L'aumento di temperatura migliora la mobilità delle specie cariche e quindi aumenta la conducibilità (la cui unità di misura è il Siemens, oppure l'Ohm -1). Nelle soluzioni elettrolitiche, inoltre, la quantità di corrente elettrica dipende dal numero e dalle specie di ioni presenti, dalla loro mobilità, dalla natura del solvente e dalla tensione applicata. Il numero di ioni dipende dalla concentrazione, ma per elettroliti deboli dipende anche dal grado di ionizzazione.
Scopo dell`esperienza
In questa esperienza si intende verificare l'effetto della concentrazione sulla conducibilità elettrica di una soluzione salina. Inoltre si confronta, a parità di concentrazione formale, la conducibilità elettrica nelle soluzioni di sali che, dissociandosi, liberano una diversa quantità di ioni. Per la misurazione, la raccolta e l'elaborazione dei dati analitici sono stati utilizzati una sonda di conducibilità, il datalogger CBL2 TM e una TI-89 con il software DATAMATE.
Strumenti e materiale
Per l'esecuzione dell'attività occorre il seguente materiale:
| - Calcolatrice TI-89 Texas Instruments; - Datalogger CBL2 TM Texas Instruments; - Sonda di conducibilità Vernier; - Software DATAMATE Vernier (vers 1.1); - Soluzione di NaCl 0.05 M; - Soluzione di CaCl 2 0.05 M; - Soluzione di FeCl 3 0.05 M - Alcuni contagocce; - Acqua distillata; - 3 Becher da 100 mL. |
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a) Effetto della concentrazione sulla conducibilita` elettrica
Procedimento
1. Versare 50 mL di acqua distillata in un becher.
2. Collegare la sonda al canale 1 del CBL2, posizionando l'interruttore dell'amplificatore sul range di misura 0-2000 µS.
3. Collegare la calcolatrice al CBL2.
| Operazione | Screen |
|---|---|
| 4. Avviare DataMate. |  |
| 5. Se la sonda è AutoID, è riconosciuta automaticamente dal software. |  |
6. Impostare la modalità di raccolta dati:
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7. Inserire la sonda dentro il becher ed avviare le misurazioni.
| Operazione | Screen |
| 8. Premere "2": START.
9. Quando il valore visualizzato si stabilizza, premere ENTER |
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| 10. Digitare il valore di concentrazione (nella prima misurazione è 0) |  |
11. Aggiungere 10 gocce di soluzione di NaCl 0.05 M ed omogeneizzare, servendosi della stessa sonda.
12. Ripetere la procedura ai punti 9-11 per almeno 5 volte (50 gocce in totale).
Poiché la concentrazione è direttamente correlata alla quantità di soluzione presente, inserire come valore il numero di gocce totali aggiunte.
| Operazione | Screen |
|---|---|
| 13. Premere il tasto STO => per interrompere le misurazioni. |  |
| 14. Sono visualizzate le coordinate dei punti misurati; per muoversi lungo il grafico usare i cursori < >. |  |
| 15. Premere ENTER per tornare al menù principale. | |
| 16. Per salvare i risultati e le impostazioni nella memoria del CBL2, premere "1": SETUP, quindi scegliere l'opzione "4": SAVE/LOAD. |  |
| 17. Premere "1": SAVE EXPERIMENT, quindi digitare il nome dell'esperimento. |   |
| 18. Tornare al menù di setup, premendo "5": RETURN TO MAIN SCREEN, e poi al menù principale, con "1": OK. |  |
Elaborazione
| Operazione | Screen |
| 19. Dal menù principale selezionare "4": ANALYZE. | |
| 20. Scegliere "2":CURVE FIT, quindi l'opzione "1": LINEAR (CH1 VS ENTRY). |  |
| 21. Il sistema effettua una regressione lineare, visualizzando i coefficienti e la retta risultante. |   |
NOTA: questa relazione vale per soluzioni molto diluite. Per concentrazioni più elevate esistono alcuni fenomeni (effetto elettroforetico e tempo di rilassamento) che diminuiscono la mobilità dello ione, e, conseguentemente, la conducibilità elettrica.
b) effetto delle specie ioniche liberate sulla conducibilita` elettrica
Procedimento
1. Versare 50 mL di acqua distillata in un becher.
2. Collegare la sonda al canale 1 del CBL2, posizionando l'interruttore dell'amplificatore sul range di misura 0-2000 µS.
3. Collegare la calcolatrice al CBL2.
| Operazione | Screen |
|---|---|
| 4. Avviare DataMate. 5. Se sono state svolte altre misurazioni dopo l'attività A), passare al punto 6., altrimenti andare direttamente al punto 8. |
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| 6. Caricare l'esperimento dalla memoria del CBL2. Dal menù principale premere "1": SETUP. Quindi selezionare "4": SAVE/LOAD | |
| 7. Premere "2": LOAD EXPERIMENT, e selezionare il nome dell'esperimento, confermando con ENTER. |   |
| 8. Sul menù di setup, scegliere l'opzione "5": TOOLS. Scegliendo la funzione "1 ": STORE LATEST RUN, i dati precedenti vengono spostati in un'altra colonna, e non vengono perduti alla misurazione successiva. |  |
| 9. Tornare al menù principale premendo "4": RETURN TO MAIN SCREEN. |  |
10. Eseguire la procedura dell'esperimento A) ai punti 7-16 utilizzando la soluzione di CaCl 2.
11. Ripetere la procedura ai punti 8-10 con la soluzione di FeCl 3.
Elaborazione
| Operazione | Screen |
| 12. Uscire da DataMate premendo "6": QUIT. |  |
| 13. Per visualizzare i dati, entrare in ambiente Data/Matrix premendo il tasto APPS e selezionare "Current". |   |
| 14. Effettuare una regressione lineare per ogni serie di dati e memorizzare rispettivamente in Y1, Y2, Y3. |   |
| 15. Rappresentare graficamente le tre rette. |  |
Conclusioni
Si conferma la relazione diretta tra concentrazione e conducibilità elettrica. La regressione lineare, per ogni specie chimica, presenta un valore di r 2 intorno a 0.98.
Dal confronto tra le tre rette, si osserva che quella relativa a NaCl ha pendenza minore, mentre questa assume valore sempre maggiore rispettivamente per CaCl 2 e FeCl 3.
Le reazioni di dissociazione in acqua dei tre sali sono:
NaCl -> Na + (aq) + Cl - (aq)
CaCl 2 -> Ca ++ (aq) + 2Cl - (aq)
FeCl 3 -> Fe +++ (aq) + 3Cl - (aq)
Nel primo caso la concentrazione ionica è doppia rispetto a quella formale, nel secondo è tripla, nel terzo quadrupla. Poiché la conducibilità è legata al numero di ioni, si spiegano i risultati ottenuti per le tre specie chimiche.
Alcune considerazioni: la conducibilità elettrolitica corrisponde alla somma della conducibilità specifica delle specie ioniche in soluzione; a parità di concentrazione ionica, la conducibilità di due elettroliti diversi può dunque essere differente, poiché è diversa la mobilità degli ioni. Per ottenere una correlazione quantitativa più precisa, bisogna calcolare la concentrazione esatta e tener conto della conducibilità specifica di ogni specie ionica interessata.
Bibliografia
- Bauer, Christian, O'Reilly - Analisi Strumentale - Ed. Piccin.
- Kotz & Treichel - Chimica - Ed. EdiSES.
- Vemulapalli - Chimica Fisica - Ed EdiSES.
- Holmquist, Randall, Volz - Chemistry with CBL - Ed. Vernier Software.
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