Capitolo 18 - Le reazioni redox e l'elettrochimica Flashcards
elettrochimica
è quel ramo della chimica che studia l’interconversione tra energia elettrica ed energia chimica- i processi elettrochimici consistono in reazioni redox in cui l’energia rilasciata dal processo spontaneo viene convertita in elettricità o in cui l’energia elettrica è utilizzata per indurre una reazione non spontanea (es. di trasformazione redox: reazione tra magnesio metallico e acido cloridrico)
metodo della semireazione
procedure/tecnica speciale per trattare le reazioni di redox, tecnica che ci permette anche di comprendere più a fondo i processi di trasferimento elettronico
la reazione complessiva è scomposta in due semireazioni, una per l’ossidazione e una per la riduzione. le equazioni per le due semireazioni vengono bilanciate separatamente e quindi riunite per dare l’equazione complessiva bilanciata (es. ossidazione di ioni di ferro2+ e ferro3+ a opera di ioni di dicromato in ambiente acido)
cella galvanica (o cella voltaica)
apparato sperimentale impiegato per generare corrente elettrica mediante l’uso di una reazione spontanea (es. pila daniell)
la notazione convenzionale per rappresentare la cella galvanica è il diagramma è il diagramma di cella (linea verticale singola per confine di fase, doppia linea verticale per ponte salino, si scrive prima l’anodo a sinistra della doppia linea)
anodo
è l’elettrodo a cui avviene l’ossidazione
catodo
è l’elettrodo a cui avviene la riduzione
reazione di semicella
le reazioni di ossidazione e di riduzione agli elettrodi
ponte salino
per completare il circuito elettrico, le soluzioni devono essere collegate da un mezzo conduttore attraverso il quale i cationi e gli anioni possano spostarsi dal compartimento di un elettrodo all’altro
è un tubo a U rovesciato, contenente una soluzione di elettroliti inerti i cui ioni non reagiscono con gli altri ioni in soluzione o con gli elettrodi
voltaggio di cella (o potenziale di cella)
si osserva un flusso di corrente elettrica dall’anodo al catodo perché c’è una differenza di energia potenziale elettrica tra gli elettrodi
è il voltaggio tra gli elettrodi di una cella galvanica
sperimentalmente viene misurato attraverso un voltmetro
forza elettromotrice o fem
è una misura di differenza di potenziale, non di forza
il potenziale di una cella dipende non solo dalla natura degli elettrodi e degli ioni, ma anche dalle concentrazioni degli ioni e dalla temperatura a cui la cella opera
proprio come la reazione complessiva di una cella può essere trattata come la somma di due reazioni di semicella, la fem misurata della cella può essere vista come la somma dei potenziali elettrici degli elettrodi
potenziale standard
differenza di potenziale associata a una reazione di riduzione che avviene a un elettrodo quando tutti i soluti hanno concentrazione 1 M e tutti i gas si trovano a 1 atm
l’elettrodo di idrogeno è detto elettrodo standard a idrogeno
fem standard
che si ottiene dal contributo dell’anodo e dal contributo del catodo, è data da [calcolo della fem standard di una cella galvanica]
possiamo utilizzare il segno di E° per prevedere la spontaneità di una reazione redox. un valore positivo di E° significa che la reazione redox favorirà la formazione dei prodotti all’equilibrio. viceversa, un valore negativo indicherà che all’equilibrio si avranno più reagenti che prodotti
termodinamica delle reazioni redox
in una cella galvanica, l’energia chimica viene convertita in energia elettrica per produrre lavoro elettrico. l’energia elettrica, in questo caso è data dal prodotto della fem per la carica elettrica totale che passa attraverso la cella
energia elettrica = volt x coulomb = joule
costante di faraday
la carica di una mole di elettroni
equazione di nernst
durante il funzionamento di una cella galvanica, gli elettroni fluiscono dall’anodo al catodo, portando alla formazione di prodotto e alla diminuzione di concentrazione del reagente. quindi, Q aumenta, il che significa che E diminuisce. alla fine la cella raggiunge l’equilibrio
l’equazione di nernst ci permette di calcolare E in una reazione redox in funzione della concentrazione dei reagenti e dei prodotti
elettrodo a vetro
usato al posto dell’elettrodo a idrogeno
è costituito da una membrana di vetro molto sottile che è permeabile agli ioni H+
la differenza di potenziale che si crea all’interfaccia della membrana può essere monitorata usando un elettrodo di riferimento
pila a concentrazione
è possibile costruire una cella galvanica con due semicelle composte dallo stesso materiale che differiscano nella concentrazione degli ioni in soluzione
la fem delle pile a concentrazione è solitamente piccola e diminuisce continuamente durante il funzionamento
una cellula biologica può essere paragonata a una pila a concentrazione se si vuole calcolare il suo potenziale membrana (è il potenziale elettrico che si instaura attraverso le membrane di diversi tipi di cellula)
pila (o batteria)
è una cella galvanica, o una serie di celle galvaniche combinate - può essere utilizzata come sorgente di corrente elettrica diretta a differenza di potenziale costante
pila a secco
comune
una pila senza componenti liquidi (pila di Leclanché)
l’anodo della pila consiste in una latta o contenitore di zinco che è in contatto con diossido di manganese e un elettrolita
l’elettrolita è costituito da cloruro d’ammonio e cloruro di zinco in acqua, a cui è aggiunto dell’amido per addensare la soluzione fino a ottenere una consistenza pastosa, in modo che abbia una minore tendenza a fuoriuscire
una barra di carbonio funge da catodo ed è immersa nell’elettrolita al centro della cella
la differenza di potenziale prodotta da una pila a secco è 1.5 V
pila a mercurio
ampiamente utilizzata in medicina e nelle industrie elettroniche ed è più costosa di una comune pila a secco
costruita in un contenitore cilindrico di acciaio inossidabile
è costituita da un anodo di zinco a contatto con una soluzione fortemente alcalina contenente ossido di zinco e ossido di mercurio
fornisce una differenza di potenziale più costante
possiede anche una capacità decisamente superiore e un tempo di vita più lungo
accumulatore al piombo
è costituito da sei identiche celle poste in serie
ciascuna delle celle ha un anodo al piombo e un catodo costituito da diossido di piombo impaccati da una piastra metallica
sia il catodo sia l’anodo sono immersi in una soluzione acquosa di acido solforico che funge da elettrolita
ogni cella produce 2V quindi in totale 12V
è ricaricabile (invertire la normale reazione elettrochimica)
di può verificare il livello di scarica di una batteria misurando la densità dell’elettrolita con un densimetro
batteria al litio
l’anodo è costituito da un materiale conduttore carbonioso, solitamente la grafite, con piccole fessure nella sua struttura in grado di ospitare sia atomi Li sia ioni Li+
il catodo consiste in un ossido di metallo di transizione come CoO2 - anch’esso può inglobare ioni Li+
a causa dell’elevata reattività del metallo, occorre utilizzare soluzioni elettrolitiche acquose
il vantaggio di questa batteria è che il litio ha il potenziale standard di riduzione più negativo e quindi la forza riducente maggiore
una batteria al litio può essere ricaricata letteralmente centinaia di volte senza che si deteriori
cella a combustibile
una cella galvanica che richiede un continuo apporto di reagenti per rimanere in funzione (es. più semplice: una cella a combustibile idrogeno-ossigeno)
gli elettrodi hanno una duplice funzione: agiscono da conduttori elettrici e forniscono la superficie necessaria per la decomposizione iniziale delle molecole nelle loro specie atomiche, passaggio fondamentale che precede il trasferimento elettronico - sono degli elettrocatalizzatori (es. platino, nickel, rodio)
non conservano energia chimica
i reagenti devono essere continuamente immessi, e i prodotti costantemente rimossi
corrosione
fenomeno del deterioramento dei metalli a opera di un processo elettrochimico (es. ruggine del ferro, strato di ossido sull’argento, patina verde su rame e ottone)
passivazione
si può rendere inattiva la superficie di ferro metallico mediante questo processo
quando il metallo viene trattato con un forte agente ossidante, come l’acido nitrico concentrato, s iforma un sottile strato di ossido
la tendenza del ferro a ossidarsi è notevolmente ridotta quando lo si combina con altri particolari metalli (es. stagno)
protezione catodica
è un processo in cui il metallo che deve essere protetto dall’ossidazione funziona da catodo in ciò che risulta essere una grande cella galvanica
elettrolisi
è il processo in cui l’energia elettrica viene utilizzata per indurre una reazione non spontanea - l’elettrolisi e i processi che avvengono nelle celle galvaniche sono governati dagli stessi principi (es. elettrolisi del cloruro di sodio fuso, elettrolisi dell’acqua, elettrolisi di una soluzione acquosa di cloruro di sodio)
è ampiamente utilizzata nell’industria, specialmente per l’estrazione e la purificazione dei metalli
cella elettrolitica
è un sistema per far avvenire l’elettrolisi
sovratensione
è la differenza tra il potenziale dell’elettrodo e il voltaggio reale necessario per indurre l’elettrolisi
aspetti quantitativi dell’elettrolisi
la massa del prodotto formato (o del reagente consumato) a un elettrodo è proporzionale sia alla quantità di elettricità trasferita all’elettrodo sia alla massa molare della sostanza in questione
in un esperimento elettrolitico, generalmente si misura la corrente (in ampere) che circola nella cella elettrolitica in un dato periodo di tempo
elettrometallurgia
i metodi elettrolitici sono particolarmente utili per ottenere un metallo puro a partire dai minerali che lo contengono o per raffinare (purificare) il metallo stesso
è un ramo dell’elettrochimica
(es. produzione di allumino metallico, purificazione del rame metallico)
