Serie elettrochimica

Una cosa che rende la tavola periodica così speciale è che ogni elemento è diverso in un modo o nell'altro. Sebbene vi siano tendenze in alcune proprietà, tutti gli elementi differiscono leggermente. Una conseguenza di ciò è che tutti hanno una diversa reattività. Questo si può vedere in termini di facilità con cui cedono i loro elettroni o, in altre parole, di facilità di ossidazione. La serie elettrochimica è una forma pratica di classificazione delle specie ed è alla base delle reazioni redox, delle celle a combustibile e delle batterie.

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Indice
    • Questo articolo riguarda la serie elettrochimica in chimica fisica.
    • Impareremo a conoscere la serie elettrochimica, con un'introduzione alle semicelle, alle celle elettrochimiche e al potenziale elettrodico standard.
    • Si vedrà quindi la serie elettrochimica sotto forma di tabella.
    • Infine, esploreremo le applicazioni della serie elettrochimica.

    Spiegazione della serie elettrochimica

    All'inizio, abbiamo espresso l'idea che alcuni elementi sono più propensi di altri a cedere i propri elettroni. Si tratta di un principio fondamentale della chimica, alla base di tutte le reazioni redox. Per approfondire questo aspetto, dobbiamo esaminare la serie elettrochimica. Ma prima è necessario avere qualche nozione di base. Per questo, inizieremo a definire le semicelle, le celle elettrochimiche e il potenziale elettrodico standard.

    Semicelle

    Immagina di mettere una barretta di zinco in una soluzione di ioni di zinco. Alla fine si forma un equilibrio, in cui alcuni atomi di zinco cedono i loro elettroni per formare ioni di zinco. Ecco l'equazione. Noterai che è convenzionale scrivere gli ioni e gli elettroni sul lato sinistro e l'atomo di metallo sul lato destro:

    Zn2 + 2e- ⇌ Zn(s)

    Gli ioni di zinco si spostano in soluzione, mentre gli elettroni rilasciati si raccolgono sulla barra, conferendole una carica negativa. Si crea così una differenza di potenziale tra la barra di zinco e la soluzione di ioni di zinco, nota come potenziale dell'elettrodo. L'esatta posizione di questo equilibrio e l'esatta differenza di potenziale del sistema dipendono dalla reattività dello zinco e dalla facilità con cui cede i suoi elettroni.

    Quanto più negativa è la differenza di potenziale, tanto più a sinistra si trova l'equilibrio e tanto più facilmente un metallo cede i suoi elettroni. Ad esempio, un metallo che crea una differenza di potenziale di -1,2 V cede più facilmente i suoi elettroni rispetto a un metallo che crea una differenza di -0,3 V.

    Ora, considera cosa accadrebbe se mettessi una barra di rame in una soluzione di ioni di rame. Alcuni atomi di rame reagiscono, cedendo i loro elettroni per formare ioni di rame. Anche in questo caso, alla fine si formerà un equilibrio. Ma il rame è meno reattivo dello zinco e non è così bravo a cedere i suoi elettroni - possiamo dire che il rame è un agente riducente peggiore. Ciò significa che la differenza di potenziale di questo sistema di rame è meno negativa della differenza di potenziale del sistema di zinco. Il sistema creato mettendo un metallo in una soluzione dei suoi stessi ioni viene chiamato "semicella".

    Gli agenti riducenti sono a loro volta ossidati. Ciò significa che un agente riducente migliore viene ossidato più facilmente.

    Celle elettrochimiche

    Infine, pensa a cosa succederebbe se unissi la semicella di zinco e quella di rame con un filo e un ponte salino. Lo zinco è un agente riducente migliore del rame: è più reattivo e cede più facilmente i suoi elettroni. Ciò significa che ha una differenza di potenziale più negativa rispetto al rame. Si crea una differenza di potenziale complessiva tra le due celle, che possiamo anche chiamare potenziale elettrodico, che mostra la differenza nella facilità con cui i due metalli cedono i loro elettroni. La differenza di potenziale viene misurata da un voltmetro collegato al sistema.

    La combinazione di due semicelle è nota come cella elettrochimica. Si basa su semplici reazioni di ossidoriduzione. Poiché lo zinco ha una differenza di potenziale più negativa rispetto al rame, c'è un maggiore accumulo di elettroni sulla barra di zinco. Se permettiamo a questi elettroni di fluire, essi viaggeranno attraverso il filo dallo zinco, migliore agente riducente, al rame, peggiore agente riducente. Nel frattempo, gli ioni positivi della soluzione attraverseranno il ponte salino nella stessa direzione per bilanciare la carica. Gli atomi di zinco si trasformano in ioni di zinco, perdendo elettroni; gli ioni di rame si trasformano in atomi di rame, guadagnando elettroni. Ecco le due equazioni:

    All'elettrodo di zinco: Zn(s) → Zn2+(aq) + 2e- All'elettrodo di rame: Cu2+(aq) + 2e- → Cu(s)

    In generale, gli elettroni viaggiano sempre dal riducente migliore (il metallo più reattivo, che cede più facilmente i suoi elettroni) al riducente peggiore (il metallo meno reattivo, che cede peggio i suoi elettroni).

    Potenziale elettrodico standard

    Sappiamo che se si mette un metallo in soluzione, si forma un equilibrio di atomi e ioni metallici. Questo crea una differenza di potenziale, il cui valore dipende dalla posizione dell'equilibrio. Non possiamo misurare direttamente la differenza di potenziale generata da una singola semicella. Tuttavia, possiamo misurare la differenza di potenziale generata quando si collegano due semicelle in una cella elettrochimica. Se registriamo le differenze di potenziale generate collegando un'intera gamma di semicelle diverse a una particolare semicella di riferimento, possiamo creare una tabella che confronta questi valori e quindi classificare i metalli dal più reattivo (il miglior agente riducente) al meno reattivo (il peggior agente riducente).

    In effetti, gli scienziati lo hanno fatto. La semicella di riferimento utilizzata è l'elettrodo a idrogeno. La differenza di potenziale tra una semicella e l'elettrodo a idrogeno di riferimento in condizioni standard viene chiamata potenziale elettrodico standard della cella. Si tratta di una misura della capacità riducente dell'elemento.

    Il potenziale elettrodico standard, E°, è la differenza di potenziale generata quando una semicella è collegata a una semicella di idrogeno in condizioni standard. È noto anche come forza elettromotrice o potenziale di riduzione standard.

    Le condizioni standard sono 298 K, 1,00 mol L1 e 100 kPa. È possibile esaminare sia l'elettrodo a idrogeno sia l'importanza delle condizioni standard in Potenziale elettrodico.

    Rappresentazione dei potenziali elettrodici standard

    Rappresentiamo i potenziali elettrodici standard (E°) utilizzando mezze equazioni che coinvolgono l'elemento e i suoi ioni. Si noti quanto segue:

    • Sebbene abbiamo sottolineato come i potenziali elettrodici standard indichino la facilità con cui un elemento cede i suoi elettroni, essi sono scritti come potenziali di riduzione, ovvero la facilità con cui uno ione guadagna elettroni. Ciò significa che scriviamo gli ioni e gli elettroni sul lato sinistro e l'elemento combinato sul lato destro.
    • L'idrogeno ha sempre un valore pari a zero, in quanto è lo standard con cui si misurano tutti gli altri potenziali elettrodici.
    • Un potenziale elettrodico più negativo significa che l'elemento è più propenso a cedere i suoi elettroni. È un agente riducente migliore e si ossida più facilmente.
    • Un potenziale elettrodico più positivo significa che l'elemento è meno propenso a cedere i suoi elettroni. È un agente riducente peggiore e si ossida meno facilmente.

    Ecco il potenziale elettrodico standard per lo zinco, Zn:

    Zn2+(aq) + 2e- → Zn(s) E° = -0.76 V

    Il valore standard del potenziale dell'elettrodo è negativo. Ciò significa che lo zinco è un agente riducente migliore dell'idrogeno e si ossida più facilmente.

    Serie elettrochimica

    L'accumulo dei potenziali elettrodici standard dei diversi elementi crea la serie elettrochimica.

    La serie elettrochimica è un elenco di elementi ordinati in base ai loro potenziali elettrodici standard. Ci dice quanto facilmente ogni elemento si ossida rispetto a una semicella di riferimento, l'elettrodo di idrogeno.

    La serie elettrochimica è alla base di tutti i tipi di celle a combustibile e batterie moderne. Ma prima di esaminare queste applicazioni, diamo un'occhiata alla serie elettrochimica stessa sotto forma di tabella.

    Tabella serie elettrochimica

    Il momento che stavate aspettando: ecco una tabella riassuntiva della serie elettrochimica. La tabella mostra le diverse semicelle con i corrispondenti potenziali elettrodici standard.

    Semireazione di riduzionePotenziale elettrodico E° (V)
    F2(g) + 2 e- 2F (aq)2,87
    H2O2(aq) + 2H+(aq) + 2 e- 2H2O (l)1,78
    MnO4-(aq) + 8H+(aq) + 5 e- Mn2+(aq) + 4H2O(l)1,51
    O2(g) + H2O(l) + 4 e- 4OH-(aq)0,40
    Cu2+(aq) + 2 e- Cu(s) 0,34
    2H+(aq) + 2 e- H2(g) 0
    Fe2+(aq) + 2 e- Fe(s) -0,45
    Al3+(aq) + 3 e- Al(s)-1,66
    Li+(aq) + e- Li(s) -3,04

    Si noti che la serie elettrochimica può andare da positivo a negativo o da negativo a positivo. In questo caso, l'abbiamo mostrata da positiva a negativa, con l'elemento più facilmente ossidabile (il litio, Li) in fondo. Ciò significa che il litio è l'agente riducente più forte.

    Applicazioni serie elettrochimica

    Abbiamo imparato a conoscere la serie elettrochimica. Ora consideriamo alcune delle sue applicazioni.

    • La combinazione di due semicelle con potenziali elettrodici diversi crea una cella elettrochimica. Possiamo usarla per generare elettricità. Per questo motivo, la serie elettrochimica è alla base delle celle a combustibile e delle batterie.
    • Possiamo anche utilizzare i potenziali degli elettrodi per calcolare il potenziale complessivo di una cella elettrochimica.
    • Inoltre, la serie elettrochimica ci permette di prevedere la direzione di una reazione redox e di prevedere se possono verificarsi reazioni di sproporzione. In generale, gli elettroni viaggiano da una specie con potenziale elettrodico standard più negativo a una specie con potenziale elettrodico standard più positivo.
    • Possiamo anche usarlo per identificare gli agenti ossidanti e riducenti forti e deboli. In generale, le specie con potenziale elettrodico negativo sono buoni agenti riducenti e tendono a perdere elettroni.

    In Celle elettrochimiche si analizzano le celle elettrochimiche e si è in grado di calcolare il potenziale di cella e di determinare la direzione della reazione redox. In Potenziale elettrodico, esploreari cosa possono dirci i potenziali elettrodici sulla capacità ossidante o riducente di una specie. Verrò inoltre illustrato l'elettrodo a idrogeno e l'importanza delle condizioni standard nel calcolo dei potenziali elettrodici. Infine, con Applicazioni delle celle elettrochimiche, esplorerai come la serie elettrochimica viene utilizzata nelle celle a combustibile e nelle batterie.

    Serie elettrochimica - Punti chiave

    • La serie elettrochimica è un elenco di elementi ordinati in base ai loro potenziali elettrodici standard. Ci dice quanto facilmente ogni elemento si ossida rispetto a una semicella di riferimento, l'elettrodo di idrogeno.
    • Un potenziale elettrodico negativo significa che un elemento si ossida più facilmente dell'idrogeno, mentre un potenziale elettrodico positivo significa che un elemento si ossida meno facilmente dell'idrogeno.
    • I potenziali elettrodici standard sono misurati in condizioni standard di 298 K, 1,00 mol L-1 e 100 kPa.
    • La serie elettrochimica può essere utilizzata per creare celle elettrochimiche, prevedere la direzione delle reazioni redox e identificare agenti ossidanti e riducenti forti e deboli.
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    Domande frequenti riguardo Serie elettrochimica

    Che cosa è la serie elettrochimica dei metalli?

    Si tratta della classificazione dei potenziali standard di  riduzione delle coppie in equilibrio redox. 

    Come capire qual è l'anodo e il catodo?

    Anodo: è l'elettrodo sul quale avviene una semireazione di ossidazione. 

    Catodo: è l'elettrodo sul quale avviene una semireazione di riduzione.  

    Cosa sono i metodi elettrochimici?

    Si tratta di metodi in cui la misura avviene raccogliendo il segnale, tramite gli elettrodi, dalla soluzione.

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