Dimostrazione equazione di Nerst: appunti di elettrochimica

Pila

Si definisce pila un dispositivo che trasforma l'energia chimica in energia elettrica. Essa è costituita da due elettrodi di differenti metalli H₁ e H₂ immersi in elettroliti contenenti rispettivamente ioni H₁²⁺ e H₂²⁺. I due semielementi (elettrodo più elettrolita) sono separati da una parete di separazione che impedisce il mescolamento delle soluzioni, ma permette il passaggio degli ioni e quindi il trasporto della corrente elettrica.

Potenziali degli elettrodi

I due elettrodi assumono i seguenti potenziali:

1. π₁ = π₁^° + ^RT/_2F ln ^[H₁2+]/_[H1]
2. π₂ = π₂^° + ^RT/_2F ln ^[H₂2+]/_[H2]

H₁ e H₂ sono metalli solidi; convenzionalmente [H₁] = [H₂] = 1. Quanto più il potenziale dell'elettrodo H₂ è positivo, tanto più è negativa la variazione di energia libera (ΔG) del processo di scarica, ossia maggiore è la tendenza a scaricarsi sull'elettrodo H₂: π₂ > π₁.

Scarica degli ioni

Gli ioni metallici H₂²⁺ avranno una tendenza a scaricarsi sull'elettrodo metallico H₁ più elevata di quella degli ioni H₁²⁺ a scaricarsi sull'elettrodo H₂; quindi, quando due elettrodi vengono collegati tramite un conduttore esterno, se π₂ > π₁, gli ioni H₂²⁺ si scaricano sull'elettrodo H₂ sino a raggiungere la condizione di massima energia libera negativa. Questo processo continua alimentando la corrente elettrica esterna finché sull'elettrodo H₂ si forma un alto potenziale positivo che impedisce la scarica del restante metallo solido H₂.

Reazione globale

Si sommano le reazioni che avvengono su H₁ e su H₂ per ottenere la reazione globale che avviene nella pila così costruita:

• H₂²⁺ + H₁ = H₂ + H₁²⁺ + 2e
• H₂²⁺ + 2e = H₂ Θ = 2H₂ + H₂ = 2H₂²⁺ + 2H₁ + 2e
• 3H₂ + 2H₁²⁺ = 2H₂²⁺ + 2H₁Θ
• H₂²⁺/H₁²⁺ = 2H₂H₁²⁺/H₂ + H₂

Si definisce anche pila un dispositivo che trasforma l'energia chimica in energia elettrica. Essa è costituita da due elettrodi di differenti metalli H₁ e H₂ immersi in elettroliti contenenti rispettivamente lo H₁²⁺ e H₂²⁺. I due semi-elementi sono separati ed uniti da un ponte salino che impedisce il mescolamento delle soluzioni, ma permette il passaggio degli ioni e quindi il trasporto della corrente elettrica. H₁ e H₂ sono metalli solubili; convenzionalmente:

Π₁ = Π₁⁰ + _RT⁄^2F ln [H₁²⁺]

Π₂ = Π₂⁰ + _RT⁄^2F ln [H₂²⁺]

[H₁] = [H₂] = 1. Quanto più il potenziale dell’elettrodo Π₂ è positivo, tanto più negativa la variazione di energia libera ∆G del processo di scarica del metallo per reazione ossidativa, esso risulterà sulle). [H₂] metallo H₂, quindi se Π₂>Π₁ il.