In questo articolo, esamineremo le celle elettrochimiche, cosa sono e alcune delle loro applicazioni. Le celle elettrochimiche sono fondamentali per lo sviluppo di molti materiali e reagenti industriali. Possono anche essere utilizzate per la determinazione delle costanti termodinamiche delle reazioni, motivo per cui l'elettrochimica è una parte fondamentale della chimica fisica.
- Per prima cosa, tratteremo la definizione e i tipi di celle elettrochimiche.
- In seguito, esamineremo le caratteristiche delle celle elettrochimiche, con un diagramma.
- In seguito, esamineremo le varie applicazioni delle celle elettrochimiche.
- Troveremo il potenziale cellulare standard e calcoleremo anche l'energia libera di Gibbs e la costante di equilibrio.
- Verrà quindi illustrato come prevedere la direzione della redox.
Definizione di cella elettrochimica
Le celle elettrochimiche sono i luoghi principali in cui avvengono le reazioni elettrochimiche. Che cosa sono esattamente?
Le celle elettrochimiche forniscono i mezzi per controllare le reazioni redox. Possono essere suddivise in celle voltaiche e celle elettrolitiche.
Il concetto principale delle celle elettrochimiche è che permettono di scindere una reazione redox per controllarla. Nelle reazioni redox, i processi di ossidazione e riduzione avvengono contemporaneamente. Ciò significa che la scissione di questi due processi può essere utilizzata per esigenze chimiche specifiche. Scomponendo la reazione, è possibile controllare il flusso di elettroni tra le semi reazioni di ossidazione e riduzione.
Il flusso di elettroni in una cella elettrochimica avviene attraverso un circuito e si presenta sotto forma di corrente elettrica.
Le celle elettrochimiche sono circuiti completi, il che significa che, pur smontando la reazione redox data, sono collegate in due punti: il circuito esterno e il ponte salino. Il circuito esterno consentirà il trasferimento di elettroni, mentre il ponte salino faciliterà la mobilità degli anioni della reazione. In questo modo la reazione forma un circuito ed è in grado di procedere.
Qui di seguito parleremo della definizione di ogni cella elettrochimica.
Tipi di celle elettrochimiche
In questa sede discuteremo i due tipi di celle elettrochimiche generali: quella voltaica e quella elettrolitica. In particolare, ci soffermeremo sulle differenze tra le due tipologie e su come sono state sviluppate per scopi ed esigenze chimiche diverse.
Cella voltaica (galvanica)
Una cella voltaica è una cella elettrochimica che facilita una reazione spontanea.
Una reazione redox spontanea è una reazione che può procedere termodinamicamente senza richiedere l'immissione di energia aggiuntiva nel sistema.
Questo tipo di reazioni provoca il rilascio di energia. Creando una cella voltaica, è possibile monitorare l'energia attraverso un voltmetro, poiché gli elettroni scorreranno nel circuito esterno creando elettricità.
Le celle Voltaiche hanno due semicelle, ognuna delle quali facilita una singola semireazione, sia essa di ossidazione o di riduzione. Il diagramma di questo aspetto è riportato nella prossima sezione. Le due semicelle sono collegate da un ponte salino che favorisce la mobilità degli anioni attraverso le soluzioni, completando il circuito. Questo è il contrario di come sono composte le celle elettrolitiche.
Cella elettrolitica
Le celle elettrolitiche di solito non hanno semicelle, ma vengono eseguite in un singolo compartimento di reazione, come un singolo becher. Questo perché la reazione che stiamo cercando di eseguire non è spontanea, quindi mescolando i reagenti non si ottiene una reazione.
Nell'elettrolisi, la reazione che si sta cercando di eseguire non è spontanea, il che significa che è necessario immettere energia nel sistema per far procedere la reazione. L'applicazione di una corrente alla reazione attraverso gli elettrodi causerà l'ossidazione a un elettrodo e la riduzione all'altro elettrodo. La corrente, essendo un flusso di elettroni, fornisce energia e sposta l'equilibrio della reazione da una parte.
Cella elettrochimica funzionamento
In questa sede esamineremo e rappresenteremo il diagramma di una cella elettrochimica, in particolare di una cella voltaica (galvanica).
Figura 1. Schema di una cella elettrochimica voltaica raffigurante una cella rame-zinco. Fonte: glossary.periodni.com
Qui sopra è riportato il diagramma di una cella elettrochimica che raffigura la reazione dello zinco con il solfato di rame. In questo caso lo Zinco è ossidato, poiché perde elettroni, mentre il Rame è ridotto, poiché guadagna elettroni. Il suo funzionamento prevede che in corrispondenza dell'anodo avviene una reazione di ossidazione, mentre al catodo avviene una reazione di riduzione, per cui nella cella si realizza una reazione redox che sfrutta l'energia elettrica fornita dall'esterno in quanto non è spontanea.
Sotto il diagramma, si notano le semireazioni per ciascuna semicella. Queste indicano la reazione che si verifica su ciascun elettrodo. Gli elettrodi sono etichettati sopra per indicare quale sia l'anodo e quale il catodo. Inoltre, sotto il diagramma si trova la notazione della cella per la reazione.
La notazione della cella elettrochimica consente di conoscere il tipo di reagenti coinvolti nella cella, il modo in cui la cella è costruita, nonché quale semireazione subisce l'ossidazione e quale la riduzione. Queste informazioni permettono di capire in che direzione va il flusso di elettroni.
Nella prossima sezione parleremo delle diverse caratteristiche delle celle elettrochimiche.
Caratteristiche delle celle elettrochimiche
Le celle elettrochimiche sono composte da molti componenti diversi, come si vede nel diagramma precedente. Qui discuteremo i componenti principali delle celle elettrochimiche. Questi sono spesso gli stessi delle celle voltaiche ed elettrolitiche.
Elettrodi
In ogni reazione elettrochimica ci saranno due elettrodi. Ogni elettrodo funzionerà per svolgere una specifica semireazione. Si tratta di ossidazione o riduzione.
Gli elettrodi possono essere costituiti da un metallo che partecipa alla reazione oppure possono essere inerti. Gli elettrodi inerti non partecipano chimicamente alla reazione e sono costituiti da grafite o platino.
Cella elettrochimica - ponte salino
In una cella elettrochimica, sia essa voltaica o elettrolitica, è necessario un circuito esterno in cui far passare la corrente. Il flusso di elettroni generato dalla reazione sarà trasferito attraverso questo circuito.
D'altra parte, il flusso di anioni sarà facilitato dal ponte salino. Di solito si tratta di un elemento esterno poroso in grado di sostenere il flusso degli anioni ma non quello dei cationi. Inoltre, può essere un tubo esterno o una sottile membrana che separa parti diverse dello stesso becher.
Componenti aggiuntivi
Altri componenti fondamentali per le celle elettrochimiche sono il vano di stoccaggio della reazione, che può essere un singolo becker, come nelle reazioni di elettrolisi, o due becker, che fungono da semicelle per la reazione redox.
Inoltre, è necessario un altro componente che si occupi del flusso di elettroni. Questo dispositivo di regolazione dell'elettricità può assumere la forma di un misuratore di tensione, per le celle voltaiche, o di una batteria (o di un'altra fonte di energia) per le celle elettrolitiche. Questi componenti controllano e modulano direttamente il flusso di elettroni nella cella elettrochimica.
Applicazioni delle celle elettrochimiche
Qui discuteremo le principali applicazioni delle celle elettrochimiche, che riguardano il calcolo del potenziale standard di cella e altri valori termodinamici delle reazioni elettrochimiche.
Potenziale della cella elettrochimica
Che cos'è il potenziale di cella?
Il potenziale standard di cella si riferisce alla tensione prodotta dalla cella elettrochimica voltaica.
Esistono quindi due modi per trovare il potenziale cellulare standard di una reazione.
- Eseguire la reazione e leggere il misuratore di tensione.
- Calcolare il potenziale standard di cella dai potenziali standard degli elettrodi.
Qui ci concentreremo su come calcolare il potenziale standard di cella combinando due potenziali elettrodici standard.
I potenziali elettrodici standard si misurano eseguendo la reazione elettrochimica collegando la semicella data a un elettrodo standard a idrogeno. In questo modo si ottiene un valore di tensione positivo o negativo che può essere utilizzato per i calcoli con altri potenziali di elettrodi, poiché tutti sono relativi al potenziale dell'elettrodo standard di idrogeno. Ciò significa che è possibile "azzerare" l'elettrodo standard di idrogeno per eseguire questi calcoli.
È possibile trovare informazioni sui diversi potenziali elettrodici standard in una tabella come questa (probabilmente la troverete alla fine del vostro libro di chimica):
Figura 2. Tabella dei potenziali elettrodici standard. Fonte: inspiritvr.com
Sopra si possono vedere tutti i diversi valori di tensione per i diversi potenziali degli elettrodi.
Per calcolare il potenziale elettrodico standard di una cella elettrochimica, utilizzare la seguente formula:
E0cell = E0red - E0oxid
Sappiamo che i valori dei potenziali elettrodici standard per la riduzione del Cu sono +0,34, mentre per l'ossidazione dello Zn sono -(-0,76).
Ricordate di invertire il segno quando si passa dall'ossidazione alla riduzione, poiché la reazione è invertita (rispetto allo stato in cui è scritta nella tabella).
Quindi:
E0cell = + 0.34 - (-0.76)
E0cell = + 1.0988 Volt
Altri fattori termodinamici
Il potenziale standard di cella è correlato ad altri aspetti termodinamici, come l'energia libera di Gibbs, la costante di equilibrio e l'entropia.
Energia libera di Gibbs
L'energia libera di Gibbs (ΔG) determina la quantità di energia presente nel sistema. Questa è l'energia che può essere messa al lavoro.
Dai un'occhiata alla seguente equazione:
ΔG = −nFEcell
Questa equazione unisce i parametri dell'energia libera di Gibbs con il potenziale cellulare. Grazie a questa equazione, è possibile calcolare l'energia libera di Gibbs semplicemente conoscendo il potenziale cellulare di una reazione, o viceversa.
Questo perché gli altri componenti dell'equazione sono costanti: "n" è il numero di elettroni coinvolti nella reazione, mentre "F" è la costante di Faraday (= 96,485 C/mol).
Costante di equilibrio
La costante di equilibrio (K) indica il rapporto tra prodotti e reagenti.
Possiamo utilizzare la costante di equilibrio per monitorare la reazione redox.
Osservate la seguente equazione:
ΔG0 = −RTlnK
Quindi:
−nFE0cell = −RTlnK
Attraverso questa equazione, è possibile trovare la costante di equilibrio conoscendo il potenziale cellulare standard o viceversa. Questo perché gli altri valori della formula sono costanti: "T" è la temperatura in K e "R" è la costante dei gas (= 8.314 J K−1 mol−1).
Predire una reazione redox
La previsione della direzione redox, ovvero della direzione del flusso di elettroni, dipende dagli elettrodi e dalle reazioni che essi facilitano.
Sappiamo quindi che in una reazione redox si verificano contemporaneamente ossidazione e riduzione. Gli elettrodi separano questi due processi.
La riduzione avverrà al catodo, mentre l'ossidazione avverrà all'anodo. Una volta capito quale elettrodo è il catodo e quale l'anodo, prevedere la direzione del flusso di elettroni dovrebbe essere facile.
Gli elettroni passano dall'anodo al catodo.
Cella elettrochimica - Punti chiave
- Le celle elettrochimiche facilitano le reazioni redox.
- Possono essere celle elettrolitiche o voltaiche.
- Le celle elettrochimiche contengono 2 elettrodi collegati da un circuito esterno e da un ponte salino.
- È possibile utilizzare le celle elettrochimiche per misurare il potenziale standard della cella.
- Conoscendo il potenziale standard di cella, è possibile misurare l'energia libera di Gibbs e la costante di equilibrio.
- Si può anche prevedere il flusso di elettroni (dall'anodo al catodo).
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