Conversione dell'energia luminosa in energia elettrica e poi in energia chimica

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Sommario

Celle fotovoltaiche

Elettrolisi

Esperimento 1: dalla luce solare all'energia chimica

Esperimento 2: trasformazione di energia elettrica in energia chimica

Esperimento 2A: elettrolisi dell’acqua in ambiente acido

Esperimento 2B: elettrolisi dell’acqua in ambiente neutro

Esperimento 2C: elettrolisi di una soluzione di solfato di rame in ambiente acido

Indicazioni didattiche

IL PROBLEMA ENERGETICO E L'IDROGENO

I links su Internet

Celle fotovoltaiche

La conversione in energia elettrica dell’energia associata alle radiazioni elettromagnetiche, in particolare a quelle provenienti dal sole (coincidenti grosso modo con quelle visibili) viene realizzata attualmente nelle celle fotovoltaiche

Schema di una cella fotovoltaica

A indica una lastra di materiale semiconduttore (nella tecnologia attuale essa è realizzata solitamente con silicio di qualche millimetro di spessore) drogata con donatori di elettroni; B indica uno strato di sostanza (si tratta sempre del substrato di silicio di circa mezzo millimetro) drogata con accettori di elettroni; C, infine, indica uno strato sottilissimo di materiale conduttore (solitamente alluminio) distribuito a ragnatela sullo strato B.

Quando un fascio di luce colpisce la fotocellula, penetra fino alla zona di separazione fra i due strati A e B (detta anche giunzione) producendovi una coppia elettrone-lacuna. Le forze elettriche esistenti alla giunzione separano i portatori di cariche convogliando gli elettroni verso la zona A e le lacune verso la zona B. Se queste due zone sono connesse elettricamente fra di loro esternamente si produce un flusso di elettroni che da A tornano a B per neutralizzare ivi le lacune prodotte dalla radiazione elettromagnetica .
I valori della d.d.p. ottenuta ai capi del pannello e l’intensità di corrente dipendono dal valore della radiazione incidente.
Nel paragrafo dei links sono riportati alcuni indirizzi a siti che descrivono con maggior dettaglio il funzionamento delle celle fotovoltaiche

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Elettrolisi *

Quando una soluzione elettrolitica si trova in una cella elettrolitica i cui elettrodi sono connessi ai poli di un generatore, gli ioni positivi (cationi) migrano all’elettrodo negativo (catodo) collegato al polo negativo di un generatore, gli ioni negativi (anioni) migrano all’elettrodo positivo (anodo) collegato al polo positivo del generatore. Quando gli ioni giungono in prossimità degli elettrodi, si producono scambi di elettroni con gli elettrodi stessi che determinano processi di deposizione laoo stato solido o di liberazione di elementi allo stato gassoso (deposizione elettrolitica)
Con il termine elettrolisi viene indicato il complesso di fenomeni che avvengono in una soluzione elettrolitica o in un elettrolita allo stato fuso al passaggio della corrente elettrica, di solito continua, in una cella elettrolitica (elettrolizzatore ) che realizzano la trasformazione di energia elettrica in energia chimica ( energia di legame ).
Nel nostro esperimento abbiamo elettrolizzato una soluzione acquosa di K₂SO₄.
L’acqua pura ha una conducibilità molto bassa, la corrente che attraversa la cella è bassa e non si osserva sviluppo di gas agli elettrodi, introducendo il sale, la conducibilità della soluzione aumenta di circa un milione di volte, per cui si osserva il passaggio di corrente e il vivace sviluppo di gas agli elettrodi.

Reazioni:	Catodo	4 H₂O + 4e^- 2 H_2(g) + 4 OH^-
	Anodo	6 H₂O O_2(g) + 4 H₃O⁺ + 4e^-
		_______________________________
Reazione globale:		2 H₂O 2 H_2(g) + O_2(g)

Nella soluzione oltre al sale è presente un indicatore che, virando, mette in evidenza la formazione ai due elettrodi di ioni OH^– (ambiente basico) e di H₃O⁺ (ambiente acido)

Voltametro di Hoffmann

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Esperimento 1: dalla luce solare all'energia chimica

Pannello fotovoltaico che alimenta l'elettrolizzatore

Voltametro di Hoffmann collegato al pannello fotovoltaico

Particolare che evidenzia i differenti volumi di H₂ e O₂ e il differente pH dei due compartimenti

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Esperimento 2: trasformazione di energia elettrica in energia chimica

Si realizzano una serie di elettrolisi in soluzioni acquose contenenti solfato di sodio e solfato di rame con elettrodi di carbonio e di rame, per osservare i comportamenti differenti sia delle specie ioniche in soluzione che degli elettrodi.

Materiale occorrente

Pila da 4,5 V
2 fili o lamine di rame carteggiati con carta abrasiva
2 bastoncini di carbonio ben puliti (vanno bene due grosse mine di matita),
soluzione satura di nitrato di sodio (NaNO₃),
soluzione 0,5 M di solfato di rame (CuSO₄),
soluzione al 10% (in volume) di acido solforico (H₂SO₄). ATTENZIONE! CORROSIVO!
becher da 100 ml e da 500 ml carta abrasiva

Esperimento 2A: elettrolisi dell’acqua in ambiente acido

Le reazioni che potrebbero avvenire (con il rispettivo potenziale di riduzione standard) sono le seguenti:

Reazioni catodiche (polo negativo)

Reazione	E°
H⁺ + e- 1/2 H₂	0,00 V
Na⁺ + e- Na	-2,71 V

Reazioni anodiche (polo positivo)

Reazione	E°
H₂O 1/2 O₂+ 2H⁺ + 2e-	1,23 V (a pH =0)
NO₃^- + 2H⁺ + e- NO₂ + H₂O	0,80 V
(*) 2SO₄^2- S₂O₈^2- + 2e-	2,05 V

(*)se al posto dei nitrati avessimo solfati

Procedimento

Versare in un becher 100 ml di soluzione di nitrato (o solfato) di sodio e circa 20 ml della soluzione di acido solforico (per rendere nettamente acido l'ambiente).
Immergere 2 bastoncini di carbonio allacciati ai due poli della pila.
Osservare cosa succede al polo positivo e a quello negativo.

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Esperimento 2B: elettrolisi dell’acqua in ambiente neutro

Le reazioni che potrebbero avvenire (con il rispettivo potenziale di riduzione standard) sono le seguenti:

Reazioni catodiche (polo negativo)

Reazione	E°
H₂O + e- 1/2 H₂+ OH^-	-0,41 V
(*) NO₃^-+2H⁺ + e- NO₂ + H₂O	0,80 V
Na⁺ + e- Na	-2,71 V

(*)se al posto dei solfati avessimo i nitrati

Reazioni anodiche (polo positivo)

Reazione	E°
H₂O 1/2 O₂ + 2H⁺ + 2e-	0,82 (pH = 7)
(*) 2SO₄^2- S₂O₈^2- + 2e-	2,05 V

(*)se al posto dei nitrati avessimo i solfati

Procedimento

Versare in un becher 100 ml di soluzione di nitrato di sodio, ma non acidificare, in modo da poter operare in soluzione neutra.
Aggiungere alla soluzione anche alcune gocce di indicatore universale.
Immergere 2 bastoncini di carbonio allacciati ai due poli della pila, tenendoli ben lontani fra loro.
Osservare cosa succede al polo positivo e a quello negativo, incluse le eventuali variazioni di colore.

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Esperimento 2C: elettrolisi di una soluzione di solfato di rame in ambiente acido

Le reazioni che potrebbero avvenire (con il rispettivo potenziale di riduzione standard) sono le seguenti:

Reazioni catodiche (polo negativo)

Reazione	E°
Cu²⁺ + 2e- Cu	0,34 V
H⁺ + e- 1/2 H₂	0,00 V
Na⁺ + e- Na	-2,71 V

Reazioni anodiche (polo positivo)

Reazione	E°
H₂O 1/2 O₂ + 2H⁺ + 2e-	1,23 (pH = 0)
2SO₄^2- S₂O₈^2- + 2e-	2,05 V

Procedimento
Immergere gli elettrodi di grafite, ben puliti superficialmente con carta abrasiva, in una soluzione ottenuta miscelando 50 ml di soluzione di solfato di sodio con 50 ml di soluzione di solfato di rame e aggiungendovi sempre 10 ml di soluzione di acido solforico.

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Indicazioni didattiche

Guida alle osservazioni.

Osservare accuratamente lo stato superficiale degli elettrodi prima e durante l'elettrolisi
Osservare il colore delle soluzioni durante l'elettrolisi
Formulare ipotesi sulla natura delle sostanze che si formano agli elettrodi
Osservare il colore dei sali di rame e il comportamento dei suoi sali, ossidi e idrossidi.

Guida alle conclusioni

In base alle osservazioni effettuate verificare quali reazioni anodiche e quali catodiche, tra quelle riportate di seguito, sono avvenute.
È possibile preparare sodio in soluzione acquosa?
Come si modifica il pH in prossimità dell'anodo e il catodo?
Perché cambia il colore della soluzione?

Collegamenti con la chimica di tutti i giorni

Come può essere sfruttata la dissoluzione anodica del rame?
Come si possono eseguire della "ramature" di pezzi metallici?
Per rivestire con uno strato metallico le materie plastiche (che non conducono la corrente, per cui l'operazione non sarebbe normalmente possibile per vie elettrolitica) è necessario depositare prima su di esse un sottilissimo strato di materiale conduttore: che cosa usereste?

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IL PROBLEMA ENERGETICO E L'IDROGENO

L'idrogeno è presente in natura praticamente soltanto in forma combinata. L'idrogeno elementare è un gas a bassisima massa molare (2 g/mol), per cui non si accumula nell'atmosfera terrestre dato che l'attrazione gravitazionale non riesce a trattenerlo adeguatamente.
L'idrogeno non è quindi una fonte energetica fossile, in quanto bisogna produrlo, ma rappresenta il trasportatore d'energia ideale dal punto di vista ecologico, dato che per reazione con ossigeno forma acqua: 2 H_2(g) + O_2(g) 2 H₂O + 572,1 kJ Dall'idrogeno si può ottenere energia sostanzialmente con due modalità: sotto forma di energia termica, a sua volta trasformabile in energia meccanica nelle usuali macchine termiche (turbine, motori a combustione interna, ecc), oppure sotto forma di energia elettrica nelle celle a combustibile.
L'utilizzo energetico dell'idrogeno è molto attuale e dibattuto e su Internet sono disponibili molte pregevoli risorse. Alcune che non vogliono certo esaurire l'argomento ma solo indicare alcuni siti particolarmente interessanti sono riportate nel paragrafo dei links. .

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I links su Internet

http://www.enel.it/ambiente/e_nergy/c_glossario_it.shtm#ce

http://www.vivoscuola.it/us/rsigpp3202/solare/fisicaFV.htm

I.T.I. - L.S.T.S. "ETTORE MOLINARI", via Crescenzago 110 - 20132 Milano
Ipertesto assemblato da Mariano Calatozzolo