LA SERIAZIONE ELETTROCHIMICA DEGLI ELEMENTI

 

Francesco Giuliano

francesco.giulianolt@libero.it

 

Riassunto

Questo intervento didattico, basato sul metodo induttivo, propone un approccio alternativo allo studio della serie elettrochimica di alcuni elementi metallici.  Questo tipo di insegnamento è stato proposto agli studenti di una seconda classe di un ITG, divisi in gruppi (secondo il metodo Cooperative Learning).  La realizzazione qualitativa della serie elettrochimica di alcuni elementi metallici è stata eseguita, sulla base dei risultati ottenuti sperimentalmente e riportati su di una tabella dagli studenti.  L’analisi della tabella, e la somministrazione di idonee domande ha consentito loro in modo agevole l’apprendimento del processo che governa il fenomeno elettrochimico.

 

Abstract

This project, based on the inductive method, proposes an alternative approach in order to study the electrochemistry series of some metal elements.  This type of teaching has already been proposed to students of Second Year Class at ITG (Technical High School), divided in groups (according to Cooperative Learning method).  The quality realization of the electrochemistry series of some metal elements was made on the base of the results empirically obtained and written on a table by the students.  From this analysis, they discovered the law that is on the base of the electrochemistry process.

 

Scelta del metodo

Una classe seconda di un Istituto Tecnico per Geometri è stata suddivisa in sei gruppi di tre-quattro studenti ciascuno mediante un’indagine sociometrica che ha permesso di costruire un opportuno sociogramma [1].  Ognuno dei sottoindicati gruppi, individuati con il simbolo di uno dei sei metalli utilizzati per l’esecuzione della prova sperimentale, ha lavorato secondo il metodo del Cooperative Learning [2], in cui il docente ha assunto il ruolo di facilitatore, organizzatore e guida dell’apprendimento creando le condizioni di un apprendistato cognitivo [2]:

 

1° gruppo: Al

4° gruppo: Pb

2° gruppo: Cu

5° gruppo: Ag

3° gruppo: Fe

6° gruppo: Zn

 

Obiettivi generali:

Gli studenti devono essere indotti a:

·   imparare ad imparare

·   saper risolvere problemi complessi e prendere decisioni

·   saper esprimere un pensare di livello più elevato

·   sapere collaborare

·   acquisire capacità di auto-analisi, auto-valutazione e auto-controllo

 

Obiettivi specifici:

Al termine dell’intervento gli studenti devono:

·   comprendere la serie elettrochimica degli elementi utilizzati

·   stabilire, data una coppia ione/metallo, se avviene la reazione di ossido-riduzione

·   saper individuare, in caso affermativo, la specie che si ossida e quella che si riduce

·   saper scrivere la reazione di ossido-riduzione come somma delle due semireazioni

 

Prerequisiti e preconoscenze

·   sapere il significato di seriazione

·   riconoscere gli indizi di una reazione chimica

·   conoscere la struttura atomica

·   saper distinguere il concetto di atomo da quello di ione

·   sapere scrivere il simbolo di atomo e quello di ione (catione)

·   sapere cosa è una soluzione

·   saper preparare soluzioni acquose a concentrazione nota

·   saper individuare dalla formula un elettrolita

·   saper scrivere la reazione di dissociazione elettrolitica

·   saper indicare lo ione idratato

·   saper individuare in una soluzione elettrolitica lo ione significativo

·   saper scrivere la semireazione di riduzione

·   saper scrivere la semireazione di ossidazione

·   sapere riconoscere il fenomeno della corrosione dei metalli.

 

Durata dell’intervento

L’intervento didattico richiede un tempo di 3 ore, suddivise in

·   lezione frontale: ½ ora

·   prova sperimentale e compilazione della tabella sinottica: 1 e ½ ora

·   compilazione tabelle, discussione guidata e conclusioni: 1 ora.

 

Strumenti e materiali necessari:

L’esperienza viene eseguita in laboratorio e sono necessari:

·   lavagna luminosa

·   lucidi

·   scheda di laboratorio predisposta con questionario

·   becher da 100 mL

·   palloni tarati da 500 mL

·   bacchette o lamine dei sei metalli scelti (v. sostanze utilizzate)

 

Sostanze utilizzate:

Per l’esperienza si utilizzano 6 metalli: Al, Cu, Fe, Pb, Ag, Zn e i loro sali come: AlBr3·6H2O, CuSO4·5H2O, FeSO4·5H2O, Pb(NO3)2, AgNO3, ZnSO4·7H2O.

 

Ad ogni gruppo:

·   è stato assegnato il compito di preparare 500 mL di una soluzione 0,2 M del sale corrispondente all’elemento assegnatogli;

·   sono state date sette bacchette/lamine del metallo corrispondente al gruppo;

·   è stato detto di prelevare 50 mL di ognuna delle sei soluzioni di sali 0,2 M preparate;

·   è stato detto di immergere ogni bacchetta o lamina in ognuna delle sette soluzioni già preparate e di osservare il fenomeno;

·   è stato suggerito di annotare l’osservazione effettuata, dopo circa un quarto d’ora, nella casella della seguente tabella, corrispondente alla soluzione in cui è stato immerso il metallo X ad esso assegnato:

 

soluzione 0,2 M di

Elemento X(s)

 

Al3+(aq)   (AlBr3·6H2O)

 

 

 

Cu2+(aq)   (CuSO4·5H2O)

 

 

 

Fe2+(aq)   (FeSO4·5H2O)

 

 

 

Pb²+(aq)   (Pb(NO3)2)

 

 

 

Ag+(aq)   (AgNO3)

 

 

 

Zn2+(aq)  (ZnSO4·7H2O)

 

 

 

Il gruppo che ha avuto maggior successo, nel senso che ha ottenuto più indizi, è stato quello denominato Al e che è stato rifornito soltanto di lamine di alluminio.  Il gruppo che, invece, non ha potuto fare nessuna osservazione significativa è stato quello denominato Ag e che è stato rifornito di oggetti raccolti dagli studenti medesimi (monetine, medagliette, catenine, segnalibro, ecc.) di argento.  Tutti gli altri gruppi si sono posti in posizioni intermedie tra i gruppi indicati con i suddetti metalli, Al e Ag.

Per l’esperienza sono state preparate complessivamente 36 soluzioni in altrettanti becher; ogni gruppo ha utilizzato rispettivamente 6 soluzioni delle specie ioniche indicate nella colonna della tabella assegnatagli, ed ha riportato i risultati ottenuti nella seguente tabella sinottica [3]:

 

soluzione acquosa 0,2 M di

Al(s)

Cu(s)

Fe(s)

Pb(s)

Ag(s)

Zn(s)

Al3+(aq)  

Nessuno indizio

Nessuno indizio

Nessuno indizio

Nessuno indizio

Nessuno indizio

Nessuno indizio

Cu2+(aq)  

 Formazione di solido neroà

rosso (Cu)

Nessuno indizio

Formazione di solido neroà

rosso (Cu)

Formazione di solido neroàrosso (Cu)

Nessuno indizio

Formazione di solido neroàrosso (Cu)

Fe2+(aq)  

“solido nero (Fe)

Nessuno indizio

Nessuno indizio

Nessuno indizio

Nessuno indizio

“solido nero (Fe)

Pb2+(aq)  

” solido nero (Pb)

Nessuno indizio

 ” solido nero (Pb)

Nessuno indizio

Nessuno indizio

“solido nero (Pb)

Ag+(aq)  

“solido grigio à nero (Ag)

“solido grigio à nero (Ag);

la soluzione si colora in celeste

“solido grigio à nero (Ag)

“solido grigio à nero (Ag)

Nessuno indizio

“solido grigio à nero (Ag)

Zn2+(aq)  

“ solido grigio(Zn)

Nessuno indizio

Nessuno indizio

Nessuno indizio

Nessuno indizio

Nessuno indizio

 

Tenendo conto della tabella sinottica, gli studenti di ogni gruppo alla domanda:

·   “Quale metallo non ha dato alcun indizio?”,  hanno facilmente risposto “Ag”;

·   “Quale metallo ha dato il maggior numero di indizi?”, hanno facilmente risposto “Al”;

·   “Quale metallo ha reagito con la soluzione contenente lo ione ad esso corrispondente?”, hanno risposto “nessuno”;

·   “Quale metallo è il meno reattivo?, hanno facilmente risposto “Ag”;

·   “Quale metallo è il più reattivo?, hanno facilmente risposto “Al”;

·   “Sulla base delle risposte date, sapreste costruire, usando il segno < (minore), la serie di tutti i metalli utilizzati, a partire dall’argento (meno reattivo), secondo l’ordine crescente del numero di reazioni date da ciascun elemento, via via fino ad arrivare all’alluminio (più reattivo) che ha dato il maggior numero di reazioni?” Risposta: Ag < Cu < Pb < Fe < Zn <Al

 

Sulla base di quest’ultima risposta è stata ricavata da tutti i gruppi la seguente serie:

 

Ag (s) < Cu (s) < Pb (s) < Fe (s) < Zn (s) < Al (s)      (serie 1)

 

Sono state, quindi, poste le seguenti domande:

·   “Sulla base della serie 1 quale metallo ha minor tendenza ad ossidarsi (ovvero a essere corroso?)”, risposta “Ag”.

·   “ ... e quale metallo manifesta maggior tendenza ad ossidarsi”, risposta “Al”.

 

Prendendo poi in considerazione le soluzioni ioniche, invece, è risultato che gli studenti alla domanda:

·   “Quale soluzione ha dato il maggior numero di indizi?”, hanno risposto “la soluzione di Ag+(aq)”;

·   “Quale soluzione ha dato il minor numero di indizi?”, hanno risposto “la soluzione di Al3+(aq)”;

·   “Quale soluzione ha reagito con il metallo ad esso corrispondente?”, hanno risposto “nessuna”

·   “Quale soluzione è risultata più reattiva?”, hanno risposto “la soluzione di Ag+(aq)”;

·   “Quale soluzione è risultata meno reattiva?”, hanno risposto “la soluzione di “Al3+(aq)”;

·   “Sapreste costruire, usando il segno > (maggiore), la serie di tutte le specie ioniche considerate, a partire dalla soluzione di argento Ag+(aq) (più reattiva), che ha dato il maggior numero di reazioni, via via fino ad arrivare alla soluzione di alluminio Al3+(aq) (meno reattiva)?”

Risposta: Ag+(aq) > Cu2+(aq) > Pb2+(aq) > Fe2+(aq) > Zn2+(aq) > Al3+(aq).

 

Sulla base di quest’ultima risposta è stata ricavata da tutti i gruppi la seguente serie:

 

Ag+(aq) > Cu2+(aq) > Pb2+(aq) > Fe2+(aq) > Zn2+(aq) > Al3+(aq). (serie 2).

 

Sono state, quindi, somministrate le seguenti domande:

·   “Sulla base della serie 2 quale specie ionica ha maggior tendenza a ridursi?”, risposta “Ag+(aq)”;

·   “... e quale specie ionica ha minor tendenza a ridursi?”, risposta “Al3+(aq)”.

 

Dato che lo ione positivo (o catione) è un atomo che ha perduto uno o più dei suoi elettroni, confrontando le due serie (1) e (2):

 

 

gli studenti hanno notato, innanzitutto, che le due serie mostravano una similitudine nel susseguirsi dei simboli, accoppiando al metallo la rispettiva specie ionica senza tener conto dei segni < e >, e poi, dalla discussione collettiva, sono pervenuti alle seguenti conclusioni:

* tra tutte le specie ioniche considerate, quella che ha manifestato maggiore tendenza ad acquistare elettroni è stato lo ione Ag+(aq) che, in tal modo, si è trasformato in atomo di Ag venendo a contatto con uno dei metalli i cui ioni lo seguono nella serie 2; lo ione Ag+(aq) ha subito la semireazione di riduzione acquistando dunque un elettrone da una delle specie atomiche della serie 1:

 

Ag+(aq) + e  Ag(s)

 

* ogni specie ionica in soluzione, che nella serie 2 occupa una determinata posizione, ha manifestato tendenza ad acquistare elettroni dal metallo della serie 1 corrispondente alla specie ionica che la segue nella serie 2;

* ogni metallo, che nella serie 1 occupa una data posizione, ha manifestato, viceversa, tendenza a cedere elettroni alla specie ionica della serie 2 corrispondente al metallo che lo precede nella serie 1;

* tra tutte le specie atomiche quella più reattiva è stata quella dell’Al con la maggior tendenza a perdere elettroni trasformandosi in Al3+(aq), venendo a contatto con qualunque specie ionica della serie 2 corrispondente ai metalli che lo precedono nella serie 1:

 

Al(s)  Al3+(aq) + 3e

 

Somministrando quindi le seguenti due tabelle, compilate dal docente soltanto nella prima colonna a sinistra e nella prima riga in alto, gli studenti le hanno completate in questo modo sulla base delle suddette considerazioni:

 

 

La soluzione di ioni

reagisce con

trasfor-mandosi in

e producendo

Ag+(aq)

Cu(s), Pb(s), Fe(s), Zn(s), Al(s)

Ag(s)

Cu2+(aq), Pb2+(aq), Fe2+(aq), Zn2+(aq), Al3+(aq)

Cu2+(aq)

Pb(s), Fe(s), Zn(s), Al(s)

Cu(s)

Pb2+(aq), Fe2+(aq), Zn2+(aq), Al3+(aq)

Pb2+(aq)

Fe(s), Zn(s), Al(s)

Pb(s)

Fe2+(aq), Zn2+(aq), Al3+(aq)

Fe² (aq)

Zn(s), Al(s)

Fe(s)

Zn2+(aq), Al3+(aq)

Zn2+(aq)

Al(s)

Zn(s)

Al3+(aq)

Al3+(aq)

 

 

L’elemen-to

reagisce con

trasfor-mandosi in

e producendo

Al(s)

Ag+(aq), Cu2+(aq), Pb2+(aq), Fe2+(aq), Zn2+(aq)

Al3+(aq)q)

Ag(s),Cu(s), Pb(s), Fe(s), Zn(s)

Zn(s)

Ag+(aq), Cu2+(aq), Pb2+(aq), Fe2+(aq)

Zn2+(aq)

Ag(s) ,Cu(s), Pb(s), Fe(s)

Fe(s)

Ag+(aq), Cu2+(aq), Pb2+(aq)

Fe2+(aq)

Ag(s), Cu(s), Pb(s)

Pb(s)

Ag+(aq), Cu2+(aq)

Pb2+(aq)

Ag(s), Cu(s)

Cu(s)

Ag+(aq)

Cu2+(aq)

Ag(s)

Ag(s)

 

Successivamente, alla seguente domanda: “Alla luce di questi risultati, siete in grado di riordinare la tabella sinottica riportando nella prima riga in alto la serie 1, nella prima colonna a sinistra la serie 2 e nelle caselle i risultati sperimentali relativi alle coppie ione/metallo o viceversa?”:

 

soluzione acquosa 0,2 M di

Ag(s)

Cu(s)

Pb(s)

Fe(s)

Zn(s)

Al(s)

Ag+(aq)

Nessuno indizio

“solido grigio à nero (Ag);

la soluzione si colora in celeste

“solido grigio à nero (Ag)

“solido grigio à nero (Ag)

“solido grigio à nero (Ag)

“solido grigio à nero (Ag)

Cu2+(aq)

Nessuno indizio

Nessuno indizio

formazione di solido neroàrosso (Cu)

formazione di solido neroàrosso (Cu)

formazione di solido neroàrosso (Cu)

formazione di solido neroàrosso (Cu)

Pb2+(aq)

Nessuno indizio

Nessuno indizio

Nessuno indizio

formazione di solido nero (Pb)

formazione di solido nero (Pb)

formazione di solido nero (Pb)

Fe2+(aq)

Nessuno indizio

Nessuno indizio

Nessuno indizio

Nessuno indizio

formazione di solido nero (Fe)

formazione di solido nero (Fe)

Zn2+(aq)

Nessuno indizio

Nessuno indizio

Nessuno indizio

Nessuno indizio

Nessuno indizio

formazione di solido grigio (Zn)

Al3+(aq)

Nessuno indizio

Nessuno indizio

Nessuno indizio

Nessuno indizio

Nessuno indizio

Nessuno indizio

 

Dopo la compilazione della tabella, a conferma di quanto detto precedentemente, gli studenti, hanno notato che:

1. essa risultava divisa in due parti:

a) una parte le cui caselle (in colore grigio) riportano la dicitura “nessun indizio”, e

b) l’altra parte le cui caselle (in bianco) riportano i risultati delle osservazioni effettuate;

2. alle caselle in grigio corrispondevano coppie ione/metallo che non davano nessuna reazione: per esempio

 

Cu2+(aq) + Ag(s)  nessuna reazione

 

3. alle caselle bianche corrispondevano coppie ione/metallo con lo ione che, dando la semireazione di riduzione per l’acquisto di elettroni, si trasformava nella corrispondente specie atomica (come deposito sulla lamina metallica), mentre il metallo, al contrario, ossidandosi, cioè liberando lo ione in soluzione per perdita di elettroni, subiva la corrosione.  Per esempio per la coppia Cu2+(aq)/Pb(s) si hanno le seguenti semireazioni, rispettivamente di riduzione del rame e di ossidazione del piombo

 

Cu2+(aq) + 2 e  Cu(s)

Pb(s)  Pb2+(aq) + 2 e

 

dalla cui addizione si ottiene la reazione di ossidoriduzione

 

Cu2+(aq) + Pb (s)  Cu (s) + Pb2+(aq)

 

In tal caso, quindi, il metallo che subisce la corrosione è il piombo.

 

Conclusioni

La serie elettrochimica degli elementi è un argomento che presenta notevoli difficoltà di apprendimento per gli studenti di un biennio della scuola secondaria superiore, ai quali, con questo metodo, è risultato accessibilissimo concettualmente, se pur in termini qualitativi.  I risultati ottenuti, tuttavia, costituiscono una premessa per il successivo studio quantitativo dei processi elettrochimici.  Lavorando nel gruppo cooperativo e confrontando i dati sperimentali con gli altri gruppi, gli studenti hanno acquisito, innanzitutto, uno strumento di lavoro valido per estendere la serie elettrochimica ad altri elementi, operando allo stesso modo con altri metalli e preparando le soluzioni dei rispettivi composti ionici, e poi hanno avuto uno stimolo necessario per l’acquisizione graduale di un metodo di lavoro che li porti a “sapere imparare per tutta la vita”, collaborando con gli altri [4].

 

Bibliografia

1. S. Marhaba, Guida alla sociometria nella scuola, Giunti Barbèra, Milano, 1977.

2. Mario Comoglio, Insegnare educando. Apprendere ed applicare il Cooperative Learning, LAS, Roma, 1988.

3. N.W. Henry, D.L. Moody, R.F. Puddephatt, R. Freddi, Chimica, in Esperimenti di laboratorio, terza parte, Loescher, Milano,1981, pp. 165-166.

4. Delors e altri, Nell’educazione un tesoro, Roma, Unesco, Armando, 1996.