Processi ossido-riduttivi chimici ed elettrochimici

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1 Processi ossido-riduttivi chimici ed elettrochimici Le reazioni ossidoriduttive comportano la variazione dello stato di ossidazione di almeno un elemento in seguito alla conversione dei reagenti nei prodotti di reazione, e comportano il trasferimento di elettroni da una sostanza riducente, Rid 2, a una ossidante, Oss 1 : a Oss 1 + b Rid 2 c Rid 1 + d Oss 2 Una reazione redox decorre per via chimica quando gli elettroni vengono trasferiti direttamente dal riducente all ossidante: MnO Fe H 3 O + = Mn Fe H 2 O Una reazione redox ha la caratteristica di poter avvenire anche mantenendo i reagenti fisicamente separati, purché un conduttore metallico trasporti gli elettroni dal riducente all ossidante. Semireazione di riduzione: a Oss 1 + n e - c Rid 1 Semireazione di ossidazione: b Rid 2 d Oss 2 + n e - REAZIONE GLOBALE: a Oss 1 + b Rid 2 c Rid 1 + d Oss 2

2 La cella Daniell a zinco-rame Per esempio la reazione: Zn(s) + CuSO 4 = ZnSO 4 + Cu(s) può essere condotta in un dispositivo elettrochimico in cui le due coppie redox Zn/Zn 2+ e Cu/Cu 2+ vengono tenute separate in due semielementi o semicelle

3 Celle galvaniche Quando la conduzione elettronica ed elettrolitica sono operanti, si osserva un flusso di elettroni nella direzione che va dall elettrodo a Zn(s)/Zn 2+ (nel quale avviene l ossidazione: ANODO) all elettrodo a Cu(s)/Cu 2+ (nel quale avviene la riduzione: CATODO) Questo dispositivo elettrochimico è un elemento galvanico o cella galvanica, o semplicemente pila. La differenza di potenziale esistente tra i due elettrodi di una cella galvanica ne costituisce la forza elettromotrice, FEM o E fem, e viene misurata in volt FEM = E catodo E anodo = E + - E - Il passaggio di corrente elettrica che si instaura tra i due elettrodi di una pila comporta l erogazione di una quantità di energia elettrica (w el ) che è data dal prodotto della forza elettromotrice per la quantità di elettricità fluita: w el = q E fem = q (E + -E - ) = n F (E + -E - ) in cui il prodotto nf rappresenta le moli di elettroni fluite (1 mole di elettroni corrisponde a C, ossia un faraday di elettricità (simbolo F). n è il numero di elettroni scambiati nella reazione redox

4 Cella rame -argento In una cella voltaica il comportamento da anodo o da catodo di un particolare elettrodo dipende da qual è l altro elettrodo della cella Per esempio l elettrodo a Cu(0)/Cu(II), che funzionava da catodo quando era accoppiato all elettrodi a Zn(0)/Zn(II), funzione da anodo quando è accoppiato con l elettrodo a Ag(0)/Ag(I) Cu (s) + Ag + (aq) Cu 2+ (aq) + Ag (s) Il rame agisce da riducente nei confronti dello ione Ag + Nella cella Daniell era lo zinco che agiva da riducente nei confronti di Cu 2+

5 Equazione di Nerst Per una generica semireazione: a Oss + n e - b Rid Il potenziale di elettrodo di una semicella formata da una coppia Oss-Rid, E Oss/Rid, nella quale la specie ridotta è il prodotto della semireazione (come scritto sopra), prende il nome di potenziale di riduzione (o potenzialeredox). Esso è definito dall equazione: E Oss/Rid = E Oss/Rid + RT/nF ln(a Oss ) a / (a Rid ) b = E + 0,059/n log(a Oss ) a /(a Rid ) b Il termine E Oss/Rid rappresenta il potenziale di riduzione della coppia ossido-riduttiva quando tutte le specie coinvolte nella semireazione hanno attività unitaria e viene chiamato potenziale standard di riduzione o potenziale standard L attività di un gas è funzione della sua pressione parziale. Se questa non è molto alta, l attività del gas coincide numericamente con la pressione parziale I solidi puri hanno attività unitaria. L attività di un soluto coincide con la concentrazione molare se la soluzione è diluita

6 Elettrodo standard ad idrogeno La reazione chimica che avviene reversibilmente è: Il valore del potenziale di riduzione di un elettrodo è definito in una scala il cui valore zero è convenzionalmente assegnato al potenziale di riduzione di un elettrodo di riferimento. Per convenzione internazionale all elettrodo standard ad idrogeno viene arbitrariamente assegnato un potenziale esatto di zero volt a qualsiasi temperatura E formato da una lamina di platino spugnoso immersa in una soluzione di ioni idrogeno ad attività unitaria e lambita da idrogeno gassoso, fatto gorgogliare nella soluzione alla pressione di 1 atm 2 H 3 O e - H 2 (g) + 2 H 2 O

7 La cella zinco-elettrodo standard ad idrogeno Nella pila formata dall accoppiamento di un elettrodo di Zn immerso in una soluzione 1 M di ioni Zn 2+, accoppiato con l elettrodo standard a idrogeno, si osserva la spontanea ossidazione dello zinco e la riduzione di H 3 O + (ovvero l elettrodo standard a H agisce da catodo): Zn(s) + 2 H 3 O + Zn 2+ + H 2 (g) + 2 H 2 O E fem = E + - E - = 0, 763 V = E (H 3 O + /H 2 ) - E (Zn 2+ /Zn (s) ) E (Zn 2+ /Zn) = - 0,763 V

8 La cella rame elettrodo standard ad idrogeno In questa cella, l elettrodo standard a idrogeno funziona come anodo e quindi l idrogeno si ossida: H 2 (g) + 2 H 2 O + Cu 2+ 2 H 3 O + + Cu(s) E fem = E + - E - = 0, 337 V = E (Cu 2+ /Cu) E (H 3 O + /H 2 ) E (Cu 2+ /Cu) = + 0,337 V

9 Potenziali standard (a 25 C)

10 La serie elettrochimica Le semireazioni definite da ciascuna coppia ossido-riduttiva sono sistemate in ordine crescente dei valori dei loro potenziali standard di riduzione. Questa sequenza è nota come serie elettrochimica Quanto più elevata è la posizione della specie al primo membro di un equazione riportata nella tabella dei potenziali redox, tanto maggiore è il suo potere ossidante. F 2 è l ossidante più forte che si conosca Quanto più basso è il potenziale standard, tanto maggiore è il potere riducente della specie ridotta che figura al secondo membro dell equazione riportata nella tabella dei potenziali standard. Il litio metallico è il riducente più forte che si conosca

11 Relazione fra E di una pila e costante di equilibrio Una reazione di cella che in condizioni standard è spontanea (cioè la costante di equilibrio, K >1) deve avere E >0 E è positivo quando E catodo > E anodo nfe = RT ln K log(k) = ne /0,0592 a 25 C Bilanciare la reazione: S 4 O Cr 2+ Cr 3+ + S 2 O 2-3 e calcolare la sua costante di equilibrio sapendo che: S 4 O e - 2 S 2 O 2-3 E = 0,17 V Cr 3+ + e - Cr 2+ E = - 0,50 V La reazione di cella è: S 4 O Cr 2+ 2 Cr S 2 O 2-3 E cella = E catodo E anodo = 0,17 V (- 0,50 V) = 0,67 V log (K) = 2(0,67)/0,0592 = 22,6 K = 10 22,6 =

12 Previsione sul decorso delle reazioni redox Quando due coppie redox, aventi potenziali di riduzione differenti, sono poste in una stessa soluzione, la specie ossidata della coppia con potenziale di riduzione più alto agisce da ossidante sulla specie ridotta dell altra coppia. Si consideri la reazione: a Oss 1 + b Rid 2 c Rid 1 + d Oss 2 E le semireazioni che la costituiscono: : a Oss 1 + n e - c Rid 1 b Rid 2 d Oss 2 + n e - La reazione avviene spontaneamente da sinistra a destra se il potenziale di riduzione della coppia Oss 1 /Rid 1 è maggiore di quello della coppia Oss 2 /Rid 2 Per esempio, la reazione (in condizioni standard): 2Cl - (aq) + Br 2(l) 2 Br - + Cl 2 (aq) non avviene spontaneamente come scritta perché Br 2 è un ossidante più debole di Cl 2. Essendo E (Cl 2 /Cl - = + 1,36 V) maggiore di E (Br 2 /Br = + 1,08), la reazione che avviene spontaneamente è: Cl 2 + 2Br - Br 2 + 2Cl -

13 Celle a concentrazione Si può costruire una pila anche usando due elettrodi costituiti da una stessa coppia redox, purché siano differenti le concentrazioni nelle due semicelle delle specie chimiche coinvolte nella semireazione La semicella in cui c è la concentrazione di Cu 2+ più grande funzionerà da catodo E fem = E + - E - = 0,0592/2 log (C 1 /C 2 ) = 0,030 V

14 Schema di cella a combustibile idrogeno/ossigeno

15 Celle a combustibile Le celle a combustibile usate nelle navette spaziali sono unità indipendenti. Ognuna misura 14x15x45 e pesa 260 libbre e sono alimentate da H 2 e O 2 provenienti da serbatoi criogenici Ogni cella a combustibile può fornire 12 kw continuamente. L acqua prodotta può essere usata per bere

16 Celle a combustibile Le celle a combustibile sono celle voltaiche nelle quali i reagenti sono forniti continuamente alla cella ed i prodotti sono continuamente rimossi L idrogeno (il combustibile) viene fornito al compartimento anodico. L ossigeno viene alimentato nel comportamento catodico. L ossigeno viene ridotto al catodo, costituito da grafite porosa impregnata con Pt finemente suddiviso che funziona da catalizzatore: Reazione catodica: O H 2 O + 4e 4 OH - Gli ioni OH - migrano all anodo attraverso l elettrolita, costituito da una soluzione acquosa di una base (KOH) Anche l anodo è costituito da grafite porosa, che contiene una piccola quantità di catalizzatore (Pt, Ag o CoO). Reazione anodica: H OH - 2 H 2 O + 2 e La reazione complessiva è: 2H 2 + O 2 2 H 2 O Il rendimento delle celle a combustibile nella conversione di energia è il 60-70% del valore massimo teorico

17 La conduzione elettrica La corrente elettrica è un trasferimento di carica La carica elettrica può essere trasportata attraverso i metalli (conduttori di I specie: conduzione metallica e implica un flusso di elettroni) oppure gli elettroliti liquidi puri (elettroliti fusi) o le soluzioni contenenti elettroliti: conduzione ionica o elettrolitica e implica movimento di ioni Il movimento di ioni attraverso una soluzione costituisce una corrente elettrica: gli ioni positivi migrano verso l elettrodo negativo, mentre gli ioni negativi migrano verso l elettrodo positivo Elettrolita è una sostanza le cui soluzioni acquose conducono l elettricità

18 Celle elettrolitiche Nelle celle elettrolitiche l energia elettrica fornita da una sorgente esterna fa avvenire delle reazioni chimiche non spontanee Gli elettrodi sono superfici solide sulle quali avvengono semireazioni di ossidazione o riduzione. Il catodo è definito l elettrodo sul quale avviene la riduzione. All anodo avviene la ossidazione

19 Elettrolisi di NaCl in soluzione acquosa Applicando un voltaggio sufficientemente alto agli elettrodi avvengono le seguenti trasformazioni:ad un elettrodo si sviluppa idrogeno, all altro elettrodo si sviluppa cloro Reazione globale: 2 H 2 O + 2 NaCl 2 NaOH + H 2 + Cl 2 2 H 2 O + 2 Cl - 2 OH - + H 2 + Cl 2

20 Elettrolisi del solfato di sodio in soluzione acquosa Al catodo si sviluppa idrogeno, all anodo si sviluppa ossigeno L elettrolisi di una soluzione acquosa di Na 2 SO 4 produce H 2 al catodo e O 2 all anodo In presenza dell indicatore blu di bromotimolo la soluzione assume una colorazione blu in ambiente basico e giallo in ambiente acido

21 Legge di Faraday ( ) La quantità di sostanza che subisce ossidazione o riduzione a ciascun elettrodo durante l elettrolisi è direttamente proporzionale alla quantità di elettricità che passa attraverso la cella Una unità di elettricità è chiamata faraday: 1 faraday è la quantità di elettricità che corrisponde all acquisto o alla perdita (e quindi al passaggio) di 6,022x10 23 elettroni (1 mole di elettroni) Una unità elettrica più piccola è il coulomb (C) 1 coulomb è definito come la quantità di carica che passa per un determinato punto quando 1 ampere (A) di corrente elettrica fluisce per 1 secondo 1 A = 1 C/s 1 faraday 6,022x10 23 e = C