Trasformazione di energia chimica in energia elettrica: generatori (pile, accumulatori, celle a combustibile)

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1 Elettrochimica Trasformazione di energia chimica in energia elettrica: generatori (pile, accumulatori, celle a combustibile) Trasformazione di energia elettrica in energia chimica: celle di elettrolisi

2 Classificazione delle reazioni elettrochimiche Una reazione elettrochimica è una reazione chimica nella quale compaiono gli elettroni: Cu e - Cu ½ O 2 + 2H + + 2e - H 2 O Le reazioni elettrochimiche sono: - di riduzione o catodiche: quando gli elettroni compaiono a primo membro (reagenti) 2H + +2e - H 2 - di ossidazione o anodiche: quando gli elettroni compaiono a secondo membro (prodotti) 2Cl ½ Cl e -

3 Sistemi elettrochimici Sono costituiti da (almeno) due elettrodi (conduttori elettronico o di 1 a specie) e da un elettrolita (conduttore ionico o di 2 a specie). In molte applicazioni gli elettrodi sono metallici e l elettrolita è una soluzione elettrolitica. Quando il sistema elettrochimico è percorso da corrente elettrica, questa è corrente elettronica negli elettrodi e nel circuito esterno, ed è corrente ionica nell elettrolita. Nel primo caso i portatori di carica elettrica sono gli elettroni, nel secondo sono ioni. Contemporaneamente, agli elettrodi avvengono reazioni elettrochimiche.

4 Ogni reazione di ossidoriduzione spontanea può consentire, in linea di principio, di produrre energia elettrica, grazie al flusso di elettroni che vengono trasferiti dal riducente (che si ossida) all ossidante (che si riduce). Ad esempio, nella reazione: Zn (s) + Cu 2+ Cu (s) + Zn 2+ atomi di Zn cedono elettroni a ioni Cu 2+ presenti in soluzione, che vengono ridotti a Cu, ossidandosi a Zn 2+.

5 Celle voltaiche Questo circuito, costituisce una PILA elettrica (o cella voltaica) e consente di trasformare energia chimica in energia elettrica per mezzo di una reazione che avviene spontaneamente (forza elettromotrice positiva).

6 Celle elettrolitiche Se si opera la trasformazione opposta, da energia elettrica ad energia chimica, si realizza invece un processo chiamato ELETTROLISI, caratterizzato da una reazione che procede nel verso opposto rispetto a quella spontanea, e che richiede un apporto di energia dall esterno per avvenire (forza elettromotrice negativa).

7 Elettrodi: catodo Per quanto riguarda gli elettrodi, si chiama catodo l elettrodo al quale avviene la reazione di riduzione, cioè la reazione che ha gli elettroni come reagenti. (Red Cat!) Questo significa che, quando il circuito è percorso da corrente, gli elettroni entrano nel catodo.

8 Elettrodi: anodo Si chiama invece anodo l elettrodo sede della reazione di ossidazione (reazione anodica), cioè la reazione nella quale gli elettroni sono prodotti. Quando passa corrente, gli elettroni escono dall anodo.

9 La pila, o cella voltaica Di fatto, in soluzione questi fenomeni avvengono in modo caotico sviluppando energia principalmente sotto forma di calore, e non sono utilizzabili per ottenere energia elettrica. Tuttavia, è possibile realizzare un circuito costituito da due semicelle, in cui la soluzione dell ossidante e quella del riducente sono separate tra loro e gli elettroni passano dall una all altra attraverso un conduttore metallico esterno, generando così una corrente elettrica. Una cella in cui reagenti e prodotti sono nei loro stati standard (1M per le specie disciolte e 1 atm per i gas) è detta cella standard

10 Approfondimento sulle pile Se una sbarretta di Zn viene immersa in acqua, alcuni ioni del metallo passano in soluzione e si ha la reazione: Zn (s) Zn e - Gli elettroni non trovano condizioni favorevoli per passare nella fase acquosa, per cui restano nello zinco; questo si carica negativamente, la fase acquosa positivamente e si stabilisce una differenza di potenziale tra metallo (negativo) e soluzione (positiva). La differenza di potenziale tra soluzione ed elettrodo non può essere misurata direttamente, ma solo valutata rispetto ad un elettrodo di riferimento cui viene attribuito potenziale zero. La PILA è il sistema costituito da due elettrodi immersi in due opportune soluzioni, separate tra loro da un setto poroso; consideriamo, a titolo di esempio, la pila formata da una lamina di zinco immersa in una soluzione di un sale di zinco (ad esempio, ZnSO 4 ) e da una lamina di rame immersa in una soluzione di un sale di rame (come CuSO 4 ). Le due soluzioni sono separate da un setto poroso che ne impedisce il mescolamento, pur consentendo il passaggio degli ioni per garantire la continuità del circuito elettrico. Ciascuno dei due sistemi elettrodo/soluzione rappresenta una semicella (o semielemento). Spesso, il semielemento viene erroneamente indicato con il nome di elettrodo (la parte per il tutto). Lo zinco è un metallo che a parità di condizioni manda in soluzione ioni Zn 2+ in quantità maggiore di quanto il rame non mandi in soluzione ioni Cu 2+, per cui nella pila l elettrodo di zinco sarà negativo e quello di rame positivo.

11 Polarità dei sistemi Per un generatore (pila) il catodo è il polo positivo e l anodo quello negativo. Al contrario, per una cella di elettrolisi il catodo è il polo negativo del sistema e l anodo quello positivo. In ogni caso al catodo entrano gli elettroni che sono disponibili per la reazione di riduzione; dall anodo escono gli elettroni che sono prodotti della reazione di ossidazione.

12 Pila di Daniell: cella zinco-rame Se i due elettrodi vengono collegati mediante un conduttore esterno, chiudendo il circuito, in esso passano elettroni dall elettrodo di zinco a quello di rame, dove neutralizzano ioni Cu 2+ della soluzione che si depositano come atomi neutri sull elettrodo di rame, determinando l assottigliamento della lamina di zinco e l ispessimento di quella di rame.

13 Continuità nel circuito Con il procedere del processo, la soluzione anodica si carica positivamente (formazione di ioni Zn 2+ ), quella catodica negativamente (scomparsa di ioni Cu 2+ ) e ciò bloccherebbe il funzionamento della pila. La neutralità elettrica tra le due soluzioni viene ristabilita grazie al setto poroso, che lascia passare ioni SO 4 2- dalla soluzione catodica a quella anodica. La stessa funzione del setto poroso può essere svolta da un ponte salino, costituito da un tubo di vetro contenente una soluzione elettrolitica (ad esempio, KCl) le cui estremità sono immerse nelle soluzioni delle due semicelle. Ioni K + e ioni Cl - migrano nelle soluzione elettrolitiche per ristabilire l elettroneutralità. La tensione iniziale misurata è di 1,11 V. Col procedere della reazione i reagenti si consumano e il voltaggio diminuisce. Quando il voltaggio diventa zero la reazione ha raggiunto l equilibrio.

14 Rappresentazione di una cella voltaica Una pila può essere rappresentata con uno schema in cui: le linee singole rappresentano il contatto elettrolitico elettrodo/soluzione la linea doppia il contatto elettrolitico tra le soluzioni in cui sono immersi gli elettrodi (mediante setto poroso o ponte salino) la semicella in cui si ha ossidazione (anodo) si pone a sinistra e quella in cui si ha riduzione(catodo) a destra. Nel caso della pila Daniell: Zn (s) Zn 2+ (aq) Cu 2+ (aq) Cu (s)

15 La cella rame-argento In una cella voltaica il comportamento da anodo o d catodo di un elettrodo dipende dall altro elettrodo della cella.

16 Nelle due celle descritte (rame-zinco e rame-argento) si nota che lo ione Cu 2+ è ridotto più facilmente (è un ossidante più forte) dello ione Zn 2+, per cui il rame ossida lo zinco metallico a Zn 2+. Invece Ag + è ridotto più facilmente (è un ossidante più forte) di Cu 2+, così Ag + ossida il rame metallico a Cu 2+. Zn 2+ < Cu 2+ < Ag + Ag < Cu < Zn forza ossidante crescente forza riducente crescente Il valore del potenziale di cella misura la spontaneità della sua reazione redox. Per ogni semireazione si può misurare la sua tendenza ad avvenire, il che determina la forza riducente od ossidante delle specie.

17 SEMIELEMENTO STANDARD A IDROGENO I potenziali di semicella non sono valori assoluti ma sono relativi a quelli di una semicella di riferimento, il cui potenziale elettrodico standard è stato definito pari a zero (E 0 rif 0,00 V) Il riferimento è costituito da una lamina di platino platinato (cioè ricoperto di un deposito poroso di platino) lambita da una corrente di idrogeno alla pressione di 1 atmosfera e immersa in una soluzione 1 M in ioni H + a 25 C. Si stabilisce l equilibrio: 2H + + 2e - H 2(g) A questa semicella di riferimento viene assegnato un potenziale standard relativo alla reazione di riduzione uguale a zero: 2H + + 2e - H 2 (g) E = 0,00 V

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19 Potenziale di cella L energia elettrica può essere utilizzata per compiere lavoro, proporzionale alla differenza di potenziale elettrico tra i due elettrodi. Tale potenziale è detto potenziale di cella ( E) o voltaggio di cella o forza elettromotrice (f.e.m.). E > 0 per un processo spontaneo Nel SI, l unità di misura del potenziale elettrico è il volt (V) e quella della carica elettrica è il coulomb (C). 1 V = 1 J/C Potenziale standard di cella ( E 0 ): è misurato a 25 C, con tutti i componenti nello stato standard (1 atm per i gas, 1M per le soluzioni, solido puro per gli elettrodi). E 0 = E 0 catodo E 0 anodo La differenza di potenziale che si stabilisce tra le due semicelle, chiamata FORZA ELETTROMOTRICE (f.e.m., o E) rappresenta l informazione più significativa che riguarda una pila.

20 POTENZIALE STANDARD DI RIDUZIONE (E ) è il potenziale della semicella considerata rispetto alla semicella standard ad idrogeno, misurato in condizioni standard. Es. Nella cella zinco-idrogeno si misura un E = 0.76 V: E reazione = 0.76 V, misurato in condizioni standard E reazione = E catodo E anodo = E (H + /H 2 ) E (Zn/Zn 2+ ) = 0.00 E (Zn/Zn 2+ )= 0.76 V, da cui si ricava il potenziale standard E (Zn/Zn 2+ ) = V

21 La cella rame-idrogeno E reazione = 0.34 V, misurato in condizioni standard E reazione = E catodo E anodo = E (Cu 2+ /Cu) E (H + /H 2 ) = = 0.34 V da cui si ricava il potenziale standard E (Cu 2+ /Cu) = V

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23 Potenziale di cella I potenziali standard di elettrodo sono usato per determinare la spontaneità delle reazioni nelle celle elettrochimiche. Quanto più positivo è il valore di E di una semi-reazione, tanto più grande è la tendenza della semi-reazione ad avvenire nella direzione diretta così come è scritta. Quanto più è negativo il valore di E tanto più a semireazione tenderà ad avvenire nella direzione opposta rispetto a come è scritta. Quando si inverte una semireazione si cambia il segno del suo potenziale. Es. Per la cella rame-zinco: Cu e - Cu E = V potenziale di riduzione Zn Zn e - E = V potenziale di ossidazione Cu 2+ + Zn Cu + Zn 2+ E cella = V E cella > 0 vuol dire che la reazione scritta così è spontanea, in condizioni standard.

24 Legge di Faraday La quantità di sostanza che subisce ossidazione o riduzione a ciascun elettrodo è direttamente proporzionale alla quantità di elettricità che passa attraverso la cella. 1 Faraday è la quantità di elettricità che corrisponde al passaggio di una mole di elettroni. Ricordando che la carica elementare è 1,602 x C (C = Coulomb, unità di misura elettrica) e che una mole contiene 6,022 x unità, per un metallo monovalente occorrerà una quantità di elettricità = 1 mole di elettroni = 96486,7 C Approssimando, definiamo questa quantità di elettricità Faraday F 1 F = C La stessa quantità basterà solo per 0,5 moli di metallo bivalente e così via.

25 L EQUAZIONE DI NERNST I potenziali standard di riduzione permettono di studiare una certa reazione redox in condizioni standard; tuttavia, essi non danno informazioni sufficienti nel caso di sistemi in condizioni non standard, che si incontrano frequentemente. L EQUAZIONE DI NERNST è una relazione che permette, noto il potenziale standard di una reazione di ossidoriduzione ad una certa temperatura, di ricavare il potenziale della stessa reazione quando le concentrazioni delle specie coinvolte sono diverse da 1.

26 Relazione con l energia libera G = -n F E E = - G/nF Difatti la condizione di equilibrio viene realizzata con E = 0

27 L equazione di Nernst Per la semi-reazione di riduzione: x Ox + n e - y Red Il potenziale di semi-cella sarà: E = E 0 - RT nf ln red ox x y = E n log red ox x y F = Faraday = C n = numero di elettroni scambiati nella reazione E = log 2 Es. Zn e - + Zn E = V 2 Zn

28 L equazione di Nernst Per la reazione redox complessiva: E = - G/nF a Ox 1 + b Red 2 c Red 1 + d Ox 2 E = E catodo E anodo E = E 0 - RT nf ln c Re d1 Ox2 a Ox Re d 1 2 d b = E 0 - RT nf ln Q E = E V n log Q ( a 25 C) Q = quoziente di reazione All equilibrio E = 0 e Q = K (costante di equilibrio)

29 Esempio Calcolo del E della cella in condizioni non standard. Per la reazione: Cu 2+ + Zn Cu + Zn 2+ E cella = V 2+ 1 Zn Cu = log 2 2 E +

30 Elettrolisi Si chiama ELETTROLISI l insieme dei fenomeni che avvengono in una soluzione elettrolitica o in un elettrolita fuso in seguito a passaggio di corrente elettrica e che trasformano l energia elettrica in energia chimica. Contrariamente al caso delle pile, in cui si ha spontaneamente conversione di energia chimica in energia elettrica, si deve fornire energia per far avvenire una reazione redox che altrimenti si produrrebbe spontaneamente nel verso opposto. Applicando una differenza di potenziale ad un conduttore di seconda specie (a conduzione ionica, come nel caso di una soluzione elettrolitica), si osserva l esistenza di una soglia di potenziale, al di sotto della quale non si ha passaggio di corrente. Tale soglia è in relazione con la forza elettromotrice della pila, che procede nel verso opposto rispetto alla reazione che si vuole realizzare ed è detta per questo forza controelettromotrice.

31 Elettrolisi di NaCl L elettrolisi ha molte applicazioni pratiche. Per es. e impiegate per la produzione di elementi come il sodio, Per la purificazione di metalli, per la elettrodeposizione,... Per esempio, per NaCl fuso (e in assenza di ossigeno e di acqua) si hanno le seguenti reazioni: al catodo: Na + + e - Na all'anodo 2 Cl - Cl e - L'elettrolisi di NaCl permette, con catodo di Hg, di ottenere Na metallico in amalgama, cosa impossibile in acqua, poiché si ridurrebbe H 2 O dando H 2 anziché il metallo desiderato.

32 Deposizione di metalli

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