Cella galvanica

Cella galvanica

Una cella galvanica è un dispositivo elettrochimico in cui avviene una reazione redox spontanea e l’energia chimica viene trasformata in energia elettrica. È costituita da due semicelle separate, ciascuna contenente un elettrodo immerso in una soluzione contenente gli ioni della coppia redox corrispondente. Le due semicelle sono collegate da un circuito esterno, che permette il flusso di elettroni, e da un ponte salino o membrana, che mantiene l’elettroneutralità. L’elettrodo in cui avviene l’ossidazione è l’anodo, quello in cui avviene la riduzione è il catodo, e la differenza di potenziale tra le due semicelle corrisponde alla forza elettromotrice (f.e.m.) della cella.
Una cella galvanica con CuSO₄, AgNO₃ e KCl è una pila in cui una reazione redox spontanea viene sfruttata per produrre corrente elettrica.

La cella è costituita da due semicelle.
In una semicella c’è un elettrodo di rame immerso in una soluzione di CuSO₄, che fornisce ioni Cu²⁺.
Nell’altra semicella c’è un elettrodo d’argento immerso in una soluzione di AgNO₃, che fornisce ioni Ag⁺.
Le due soluzioni sono collegate tramite un ponte salino contenente KCl.
Il motivo per cui questa cella funziona è che Ag⁺ ha una maggiore tendenza a ridursi rispetto a Cu²⁺.
In termini elettrochimici, il potenziale standard di riduzione di Ag⁺/Ag è maggiore di quello di Cu²⁺/Cu. Questo rende spontanea la reazione in cui Ag⁺ si riduce e Cu si ossida.

Reazioni di ossido-riduzione

Alla semicella del rame avviene l’ossidazione. Il rame metallico perde elettroni e passa in soluzione come ione Cu²⁺. La reazione è: Cu(s) → Cu²⁺(aq) + 2 e⁻
Questa semicella è l’anodo, perché è il luogo dell’ossidazione.
Alla semicella dell’argento avviene la riduzione. Gli ioni Ag⁺ presenti in soluzione acquistano elettroni e si depositano come argento metallico sull’elettrodo. La reazione è: Ag⁺(aq) + e⁻ → Ag(s)
Questa semicella è il catodo, perché è il luogo della riduzione.
Gli elettroni liberati dal rame non possono passare direttamente in soluzione, ma fluiscono attraverso il circuito esterno, dal rame verso l’argento. Questo flusso di elettroni è la corrente elettrica che la cella produce.

Il ruolo del kcl

il ponte salino serve a mantenere l’elettroneutralità delle soluzioni. Nella semicella del rame, formando Cu²⁺, la soluzione tende a caricarsi positivamente. Nella semicella dell’argento, consumando Ag⁺, la soluzione tende a caricarsi negativamente. Gli ioni K⁺ e Cl⁻ migrano per compensare queste cariche: Cl⁻ va verso l’anodo e K⁺ verso il catodo. Senza il ponte salino la reazione si fermerebbe rapidamente.
La reazione globale della cella si ottiene sommando le due semicoppie, bilanciando gli elettroni:
Cu(s) + 2 Ag⁺(aq) → Cu²⁺(aq) + 2 Ag(s)
In sintesi, il rame si ossida, l’argento si riduce, gli elettroni scorrono dal rame all’argento e il KCl permette alla reazione di continuare mantenendo l’equilibrio delle cariche.

Il potenziale di cella

Il potenziale di cella è la differenza di potenziale elettrico tra le due semicelle di una cella galvanica e rappresenta la forza elettromotrice della pila, cioè la capacità della reazione globale di produrre lavoro elettrico. È il risultato della differenza tra il potenziale della semicella in cui avviene la riduzione (catodo) e quello della semicella in cui avviene l’ossidazione (anodo). Se il potenziale di cella è positivo, la reazione redox complessiva è spontanea. Questo valore dipende dalla natura delle due coppie redox e dalle condizioni della soluzione, come concentrazione e temperatura.
In una cella galvanica reale, quindi, i potenziali di semicella descrivono il comportamento elettrochimico locale di ciascun elettrodo, mentre il potenziale di cella descrive il comportamento globale del sistema e determina se e quanto la reazione può fornire energia elettrica. Il collegamento fondamentale è che il potenziale di cella nasce sempre dalla differenza tra due potenziali di semicella.

Il potenziale di cella può essere determinato in due modi

Direttamente, collegando un voltmetro o galvanometro ai due elettrodi della cella galvanica. Il voltmetro misura la differenza di potenziale tra i due elettrodi, che è proprio il potenziale di cella E
Indirettamente, calcolandolo a partire dai potenziali di semicella di ciascun elettrodo tramite l’equazione di Nernst, quando le semicelle non hanno attività unitaria. In questo caso: E cella= E catodo - E anodo
E ogni E si calcola con l'equazione di Nerst.
Quindi il potenziale di cella reale coincide con ciò che il voltmetro leggerebbe, ma può anche essere calcolato conoscendo le concentrazioni delle specie e i potenziali standard.