Elettrochimica

Elettrochimica

Trasformazioni chimiche ed elettricità sono strettamente interconnesse tra di loro.

L'elettrochimica studia sia i fenomeni che avvengono in un sistema chimico al passaggio della corrente elettrica, sia quelli che consentono a un sistema chimico di produrre energia elettrica.

In entrambi i casi, le trasformazioni sono reazioni redox ed i dispositivi in cui esse hanno luogo sono dette celle elettrochimiche.

Se immergiamo una lamina di zinco in una soluzione di solfato rameico (CuSO₄), dopo qualche istante sono evidenti i segni di reazione in superficie; infatti, si forma uno strato scuro di rame metallico. Esso deriva dalla riduzione degli ioni Cu²⁺ presenti in soluzione; lo zinco metallico, invece, si ossida e passa in soluzione come ione Zn²⁺.

Zn_(s) + Cu²⁺_(aq) → Zn²⁺_(aq) + Cu_(s)

Essa procede spontaneamente dimostrando che atomi e ioni hanno la capacita di cedere elettroni (ossidandosi) e di acquistarli (riducendosi).

Quando immergiamo una lamina di rame in una soluzione di solfato di zinco (ZnSO₄), non si osserva nessuna trasformazione.

Mentre la reazione tra zinco metallico ed ioni rameici è spontanea, quella tra rame metallico e ioni zinco non è spontanea.

Elettrochimica

Trasformazioni chimiche ed elettricità sono strettamente interconnesse tra di loro.

L'elettrochimica studia sia i fenomeni che avvengono in un sistema chimico al passaggio della corrente elettrica, sia quelli che consentono a un sistema chimico di produrre energia elettrica.

In entrambi i casi, le trasformazioni sono reazioni redox ed i dispositivi in cui esse hanno luogo sono dette celle elettrochimiche.

Se immergiamo una lamina di zinco in una soluzione di solfato rameico (CuSO₄), dopo qualche istante sono evidenti i segni di reazione in superficie; infatti, si forma uno strato scuro di rame metallico. Esso deriva dalla riduzione degli ioni Cu²⁺ presenti in soluzione; lo zinco metallico, invece, si ossida e passa in soluzione come ione Zn²⁺.

Zn_(s) + Cu²⁺_(aq) → Zn²⁺_(aq) + Cu_(s)

Essa procede spontaneamente dimostrando che atomi e ioni hanno la capacità di cedere elettroni (ossidandosi) e di acquistarli (riducendosi).

Quando immergiamo una lamina di rame in una soluzione di solfato di zinco (ZnSO₄) non si osserva nessuna trasformazione.

Mentre la reazione tra zinco metallico ed ioni rameici è spontanea, quella tra rame metallico e ioni zinco non è spontanea.

Il risultato era prevedibile considerando che Cu_s e Fe²⁺_(aq) sono i prodotti della prima reazione.

spontanea Fe_(s) + Cu²⁺_(aq) ⇄ Fe²⁺_(aq) + Cu_(s)non spontanea

Non spontanea non significa impossibile, infatti fornendo dall’esterno l’energia necessaria, possiamo trasformare nuovamente rame metallico e Fe²⁺ nei reagenti iniziali.

Una reazione di ossido riduzione può essere realizzata per via chimica o per via elettrochimica.

Nel primo caso, la reazione di ossido riduzione avviene per mescolamento dei reagenti, e quindi per trasferimento diretto degli elettroni dalla specie che si ossida a quella che si riduce. Un esempio classico è quello del sistema costituito da una lamina di rame metallico immersa in una soluzione contenente ioni Ag⁺.

Reazione spontaneaCu + 2Ag⁺ = Cu²⁺ + 2Ag

Il rame passa in soluzione come Cu²⁺ mentre gli ioni Ag⁺ si depositano sul rame come argento metallico.

Nel secondo caso le due semireazioni:

Cu → Cu²⁺ + 2e^- e Ag⁺ + e^- → Ag

sono separate nello spazio in una cella elettrochimica, cioè

in un sistema che non consente il contatto diretto tra i

reagenti.

Un'ossidazione è una perdita di elettroni e porta ad un aumento

del numero di ossidazione.

Zn → Zn²⁺ + 2e^- Fe → Fe²⁺ + 2e^-

H₂ → 2H⁺ + 2e^- Fe²⁺ → Fe³⁺ + e^-

Una riduzione è un acquisto di elettroni e porta ad una diminuzione

del numero di ossidazione.

Fe²⁺ + 2e^- → Fe 2H⁺ + 2e^- → H₂

I₂ + 2e^- → 2I^-

Una coppia costituita dallo stesso elemento (o composto), nella

forma ossidata e ridotta, è detta Coppia Redox.

Fe²⁺/Fe Fe³⁺/Fe²⁺

Una reazione di ossidazione non può avvenire senza che contemporaneamente avvenga una reazione di riduzione.

Fe⁰ + Cu²⁺ → Fe²⁺ + Cusi ossida si riduce

Forma ridotta + Forma ossidata → Forma ossidata + Forma ridotta

Fe_{Agente riducente} Cu²⁺_{Agente ossidante}

Per la reazione sopra descritta:

• Fe⁰ - perde elettroni
• si ossida
• è l'agente riducente
• è la forma ridotta

• Cu²⁺ - acquista elettroni
• si riduce
• è l'agente ossidante
• è la forma ossidata

Allo stato o i metalli possono solamente ossidare. Prendiamo, per esempio, Fe²⁺ che in questo caso può ossidarsi o ridursi.

Quando una lamina di un metallo M è immersa in acqua, gli atomi del metallo tendono a passare in soluzione come ioni M⁺ lasciando elettroni sulla superficie del metallo.

M ⇄ M⁺ + e^-

Si genera così una separazione di carica, negativa sull'elettrodo, derivante da un eccesso di elettroni rimasti su di esso, e positiva nella soluzione arricchita di ioni M⁺.

Un elettrodo di rame, rispetto ad uno di zinco, ha una tendenza minore a mandare ioni in soluzione, e pertanto un elettrodo di zinco sarà più negativo di un elettrodo di rame.

Collegando i due elettrodi, gli elettroni in eccesso passeranno dall’elettrodo di Zn a quello di Cu.

Si costruisce così una pila, un apparecchio in cui si genera energia elettrica da reazioni di ossidoriduzione.

Pila Daniell

La semicella di sinistra è costituita da una lamina di zinco immersa in una soluzione di un suo sale solubile (es. ZnSO₄); la semicella di destra è costituita da una lamina di rame immersa anch'essa in una soluzione di un suo sale solubile (es. CuSO₄).

Nel recipiente contenente Zn avviene la reazione: Zn → Zn²⁺ + 2e^-

Cioè lo zinco della sbarra va in soluzione come ione e lascia i due elettroni sulla sbarra; Gli elettroni attraversano la sbarra e il conduttore e poi la sbarra di rame fino ad arrivare all’interfaccia fra la sbarra di rame e la soluzione contenente ioni Cu²⁺, quindi avviene la reazione: Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu.