Concetti Chiave
- Le celle voltaiche funzionano mediante reazioni redox spontanee che producono lavoro elettrico attraverso il movimento degli elettroni.
- Il lavoro elettrico totale è calcolato come il prodotto del potenziale di cella, il numero di elettroni spostati e la costante di Faraday.
- Il lavoro chimico è rappresentato da -ΔG°, mentre il lavoro elettrico è dato da zFE°_pila, evidenziando la loro relazione inversa.
- La spontaneità delle reazioni redox è determinata dal segno di ΔG; un ΔG negativo richiede un potenziale di cella positivo.
- Il cambiamento di segno del potenziale di cella avviene quando si inverte la direzione di una reazione di cella.
Come funziona una cella voltaica?
Quando in una cella voltaica avviene una reazione redox, la cella compie lavoro. Tale lavoro consiste nello spostamento degli elettroni, ovvero delle cariche elettriche. Essendo, in una cella galvanica, la reazione redox spontanea, si avrà ΔG (proprio perché la reazione è spontanea), con produzione di lavoro elettrico, il quale avrà segno positivo.
Il lavoro elettrico totale sarà il prodotto di tre grandezze: Epila, ovvero il potenziale di cella; z, ovvero il numero di elettroni spostati nel processo; F, ovvero la costante di Faraday (carica trasportata da una mole di elettroni), uguale a 96485 C/mol e-. Sapendo che la quantità di energia che si può ricavare da un processo reversibile e spontaneo è –ΔG, possiamo dire che:
-ΔG=zFE_pila→ΔG=-zFE_pila
Se i prodotti e i reagenti sono nel loro stati standard allora si avrà:
ΔG°=-zF〖E°〗_pila→-ΔG°=zF〖E°〗_pila
Il numero di elettroni, z, è anche chiamato numero di carica. Tale numero non ha unità, è semplicemente un numero.
È importante ricordare che -ΔG° è il lavoro chimico, mentre zF〖E°〗_pila è il lavoro elettrico.
Spontaneità delle reazioni redox
Il criterio adottato per stabilire se una reazione è spontanea è ΔGreazioni redox se ΔG0. Quindi Epila deve essere positivo se si vuole che ΔG sia negativa. Per prevedere la direzione di una variazione spontanea in una reazione redox si applicano i seguenti principi:
Se Epila è positivo si verifica spontaneamente la reazione in senso diretto;
Se Epila è negativo la reazione avviene spontaneamente in senso inverso per le condizioni stabilite;
Se Epila =0 la reazione è all’equilibrio;
Se si inverte una reazione di cella allora Epila cambia di segno.
Domande da interrogazione
- Qual è il principio fondamentale che regola il funzionamento delle celle voltaiche?
- Come si determina la spontaneità di una reazione redox?
- Cosa accade al potenziale di cella se si inverte una reazione di cella?
Il principio fondamentale è che in una cella voltaica avviene una reazione redox spontanea, che produce lavoro elettrico positivo, legato al potenziale di cella, al numero di elettroni spostati e alla costante di Faraday (ΔG=-zFE_pila).
La spontaneità di una reazione redox si determina attraverso il valore di ΔG; se ΔG è negativo, la reazione è spontanea, il che implica che il potenziale di cella (Epila) deve essere positivo.
Se si inverte una reazione di cella, il potenziale di cella (Epila) cambia di segno, influenzando così la direzione della reazione e la sua spontaneità.
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