elettroni in transito

Documenti analoghi
1 Me Me (s) Me + (aq) + e -

2- (aq) + Zn (s) Zn 2+ (aq) + SO 4. Semi-reazione di ossidazione: in cui una specie chimica perde elettroni

Il riducente si ossida cedendo elettroni all agente ossidante

Processi ossido-riduttivi chimici ed elettrochimici

red 1 + ox 2 ox 1 + red 2

ELETTROCHIMICA. Consideriamo la reazione che si ha quando si aggiunge dello zinco ad una soluzione acquosa di acido cloridrico:

Reazioni redox ed elettrochimica Nelle reazioni di ossidoriduzione degli elettroni vengono trasferiti da un reagente ad un altro reagente.

Reazioni redox ed elettrochimica Nelle reazioni di ossidoriduzione degli elettroni vengono trasferiti da un reagente ad un altro reagente.

Elettrochimica. Studia la relazione fra variazione di energia libera e flussi di cariche in una reazione chimica.

Le reazioni redox e l elettrochimica Capitolo 18

ELETTROCHIMICA: studia le relazioni tra energia chimica ed energia elettrica

Elettrochimica. Studia la trasformazione dell energia chimica in energia elettrica e viceversa.

ESERCIZI Tabella dei potenziali

ELETTROCHIMICA. Zn(s) + Cu +2 Zn +2 + Cu. Ossidazione: perdita di elettroni Riduzione: acquisto di elettroni. +2e

Studio delle trasformazioni dell energia chimica e dell energia elettrica

Esploriamo la chimica

Appunti di Stechiometria per Chimica. Elettrochimica

Cu(s) + Zn 2+ (aq) Cu 2+ (aq) + Zn(s) Cu 2+ (aq) + Zn(s) Cu(s) + Zn 2+ (aq)

ELETTROCHIMICA 16/12/2015

Le ossidoriduzioni. Luigi Galvani ( ) Alessandro Volta ( ) Walther H. Nernst ( )

1. Celle galvaniche o pile. 2. Celle elettrolitiche

LE PILE. La scala delle reattività redox. La scala delle reattività redox. La scala delle reattività redox. dall energia chimica a quella elettrica

Esercitazioni di stechiometria - Corso di Chimica Generale ed inorganica C. dove : R = costante dei gas T = 298,15 K F = Faraday

Corso di Chimica e Propedeutica Biochimica Le ossidoriduzioni

Elettrochimica. Celle Galvaniche o Pile. Redox. Celle Galvaniche. Reazioni Redox. Celle Galvaniche. Celle Galvaniche

Schema di una cella galvanica

Le Pile. Zn 2+ Ag + a=1 a=1

Esempio Zn (s) + CuSO 4(aq) î Cu (s) + ZnSO 4(aq)

ossidazione Cu 2+ (aq) + 2e - Cu(s) riduzione

Elettrochimica. ChimicaGenerale_lezione22 1

Esempi di calcolo del numero di ossidazione

Ognuno ha familiarità con il termine ossidazione relativo ad un metallo; ad esempio, la reazione Zn + ½ O 2 ZnO

ELETTROCHIMICA E EQUILIBRI DI OSSIDO-RIDUZIONE

Reazioni di ossido-riduzione

Numero di ossidazione

ELETTROLISI TRASFORMAZIONE DI ENERGIA ELETTRICA IN ENERGIA CHIMICA

Reazioni di ossido-riduzione e elettrochimica. Ossidanti e riducenti

Appunti di Stechiometria per Chimica Numero d ossidazione

Chimica Generale ed Inorganica

IL METABOLISMO CELLULARE

Elettrochimica. Uso di reazioni chimiche di ossidoriduzione spontanee per produrre. corrente elettrica. Si parla di PROCESSO ELETTROCHIMICO, e il

COME CALCOLARE I NUMERI DI OSSIDAZIONE

... corso di chimica elettrochimica 1

ELETTROCHIMICA. Uso di reazioni chimiche per produrre corrente elettrica (Pile)

Reazioni di ossido-riduzione e elettrochimica

scrivere la reazione che avviene spontaneamente nella pila. Determinare inoltre la f.e.m. della pila a 25 C

Sommario Potenziale di elettrodo... 2 Serie elettrochimica... 6 Equazione di Nernst... 9 Potenziali di ossido-riduzione Teoria redox - 1/13

Reazioni di ossido-riduzione

Biosensori Sensori Chimici. Alessandro Tognetti

SCHEDA DI LABORATORIO

Bioelettrodi. Elettrodi e pricipi di elettrochimica

ESERCIZI POTENZIOMETRIA

Trasformazione di una o più sostanze (REAGENTI) in una o più sostanze (PRODOTTI)

PILE ZINCO-CARBONE (Pile Leclanché)

Chimica Fisica dei Materiali

4 Fe + 3 O2 ---> 2 Fe2O3

REAZIONI DI OSSIDO-RIDUZIONE: ESERCIZI RISOLTI. Dr. Francesco Musiani

Elettrochimica (Cap. 25)

REAZIONI DI OSSIDO RIDUZIONE

RNH 3 + OH - C 0 x x x

Elettrochimica. 1. Celle elettrolitiche. 2. Celle galvaniche o pile

PILE R I + O II O I + R II. a R(I) a Ox(II) K * = a R(II) a Ox(I)

Cu 2+ ) + Zn(s) potere ossidante. potere ossidante. Cu 2+ Cu. Zn 2+ Consideriamo le due reazioni di ossido-riduzione:

Elettrolisi. Legge di Ohm V = R I. Cella elettrolitica. conduttore di prima specie. conduttore di seconda specie. Potenziale di decomposizione

LE CELLE ELETTROCHIMICHE

Numero o stato di ossidazione. n. ox. (O) = -2 n. ox. (H) = +1

Corrosione e protezione dei metalli: introduzione

BILANCIAMENTO DELLE REAZIONI REDOX

Catodo ( ) 2H 3 O + + 2e - 2H 2 O + H 2 Anodo (+) 2Cl - 2e - + Cl 2

Elettrochimica e Reazioni Redox

Elettrochimica (parte I)

Lo scopo della biochimica è la comprensione della vita in termini molecolari.

OSSIDORIDUZIONI N H H. H ammoniaca. acido nitroso N = + 3. acido nitrico N = + 5

Le reazioni chimiche 2

Reazioni di ossido-riduzione

è caratterizzata da due semi-reazioni i cui potenziali elettrochimici sono regolati dall'equazione di Nernst. Pertanto si può scrivere ln (V.1.

LABORATORIO DI CHIMICA GENERALE E INORGANICA

Bioelettrodi. Elettrodi e pricipi di elettrochimica

Bioelettrodi. Elettrodi e pricipi di elettrochimica

Reazioni di ossido-riduzione

La reazione da bilanciare è quindi: Cu + HNO 3 CuNO 3 + NO. Le due semireazioni da bilanciare saranno: HNO 3 NO (1) Cu CuNO 3 (2)

permanganometria K 2 Cr 2 O 7 dicromatometria ( NH 4 ) 2 Ce ( NO 3 ) 6 ( NH 4 ) 4 Ce ( SO 4 ) 4 2 H 2 O cerimetria Sistema I 2 / I -

LE REAZIONI DI OSSIDO-RIDUZIONE O REAZIONI REDOX

vengono detti conduttori ionici o elettrolitici.

Chimica e laboratorio

OSSIDORIDUZIONI N H H. H ammoniaca N = - 3. acido nitroso N = + 3. acido nitrico N = + 5

L equilibrio non è descritto dalla legge di Henry applicata alla specie HCl(aq): a basse concentrazioni. p x m

Numero di ossidazione

Reazioni chimiche e stechiometria

Chimica generale. Corsi di laurea in - Tecnologie alimentari per la ristorazione - Viticoltura ed enologia - Tecnologie agroalimentari PARTE 2-2

POLITECNICO DI MILANO ING. ENG AER MEC. Corso di FONDAMENTI DI CHIMICA ESAME 27 Febbraio Compito A

Capitolo 16 L energia si trasferisce

Università di Catania Facoltà di Ingegneria CdL Ingegneria Recupero Edilizio Ambientale ESERCIZI DI CHIMICA. Prof. Antonino Mamo

POLITECNICO DI MILANO ING. ENG AER MEC. Corso di FONDAMENTI DI CHIMICA I PROVA IN ITINERE 28 Gennaio 2010 Compito A

Acidi e basi sono sostanze note da molto tempo e diverse classificazioni sono state fatte nel corso del tempo in base alle loro proprietà.

Reazioni redox. Dr. Gabriella Giulia Pulcini Ph.D. Student, Development of new. University of Camerino, ITALY

Seconda Prova in Itinere del 28 Gennaio 2008

Limiti del criterio della variazione entropia

SOLUZIONI COMPITO A CHIMICA

Transcript:

L ELETTROCHIMICA: elettroni in transito Studia l interconversione tra l energia elettrica (E el = q ΔE) e l energia chimica (E chim = ΔG reaz ). Qualsiasi reazione di ossido-riduzione spontanea (ΔG reaz < 0) è potenzialmente una sorgente di energia elettrica se il flusso di elettroni viene incanalato. È quello che si realizza nelle PILE, anche dette CELLE GALVANICHE o CELLE ELETTROCHIMICHE). OSSIDO - RIDUZIONI: OSSIDAZIONE: Zn 0 Zn 2+ + 2 e - Lo Zn perde 2 e -, passa ad uno stato con n di ossidazione più alto OSSIDAZIONE RIDUZIONE: Cu 2+ + 2 e - Cu 0 Il Cu acquista 2 e -, passa ad uno stato con n di ossidazione più basso RIDUZIONE Numero di ossidazione: composto ionico n di elettroni che un atomo ha acquistato o ceduto; composto molecolare n di elettroni che utilizza per formare legami covalenti con gli altri atomi della molecola. Le semi-reazioni di ossidazione e di riduzione AVVENGONO SEMPRE INSIEME (OSSIDO- RIDUZIONE) e il numero totale di elettroni ceduto nella semi-reazione di ossidazione È UGUALE al numero di elettroni acquistati nella semi-reazione di riduzione. Zn0 riducente Cu2+ ossidante Ossidazione: Zn 0 Zn 2+ + 2 e - 2 e - Si OSSIDA Si RIDUCE Riduzione: Cu 2 + 2 e - Cu 0 Ossido-riduzione Zn 0 + Cu 2 Zn 2+ + Cu 0 SPONTANEA (ΔG( G < 0) ED ESOTERMICA (ΔH( H < 0) Se la reazione avviene nello stesso recipiente si ha un flusso disordinato di elettroni da Zn a Cu 2+ : tutta l energia della reazione viene tramutata in calore (ΔH = - 216,4 kj < 0) SENZA LAVORO UTILE!

CELLA GALVANICA Se la stessa reazione, invece di avvenire in un unico contenitore, viene condotta in un dispositivo elettrochimico (CELLA GALVANICA o PILA), è possibile sfruttare gran parte (ΔG reaz ) dell energia liberata dalla reazione (ΔH reaz ) e trasformarla in lavoro utile di tipo elettrico. Perchè questo possa avvenire occorre che le due semireazioni avvengano: a) contemporaneamente, ma separatamente (mediante due scomparti separati; b) con trasferimento ordinato e indiretto di elettroni (attraverso un circuito esterno). I due scomparti distinti sono detti semielementi della cella galvanica. Ciascun semielemento della cella è costituita da: ossidazione riduzione - un ELETTRODO (metallo): conduttore di I specie (Zn(0) e Cu(0) - vedi figura) - un ELETTROLITA (sale in acqua): conduttore di II specie (conduttore ionico: ZnSO 4 e CuSO 4 ved. fig.). Su ciascun semielemento tra il metallo e la soluzione si crea una d.d.p. (differenza di potenziale), chiamata potenziale di semielemento. Non ci sarà reazione di ossidoriduzione finchè gli e - non vengono trasferiti da un semielemento all altro: se colleghiamo i due elettrodi con un conduttore di I specie (filo di rame) è possibile trasferire gli e - da un semielemento all altro. + + + + + + + + POTENZIALE DI SEMI-ELEMENTO E SUA DIPENDENZA DAL METALLO A METALLO Quando una barretta di metallo viene immersa in H 2 O, alcuni ioni del metallo Me n+ passano, in soluzione idratandosi: Me Me n+ + n (aq) e- (restano sull elettrodo) Si crea un doppio strato elettrico tra l elettrodo carico negativamente e la soluzione carica positivamente. Il processo prosegue fino a raggiungere un equilibrio dinamico.

CELLA GALVANICA Zn Zn 2+ (aq) + 2e- In acqua il generico equilibrio Me n+ + n e - Me si stabillisce molto lentamente perchè gli ioni H 3 O + sostituiscono gli ioni Me n+ nel doppio strato elettrico. Lo stesso equilibrio si stabilisce invece RAPIDAMENTE se il metallo è immerso in una soluzione contenente dei SUOI IONI: Es: Semilelemento Zn/Zn 2+ (aq) e semielemento Cu/Cu 2+ (aq) (gli ioni del metallo che si allontanano vengono rimpiazzati da altri ioni Me n+ anzichè da ioni H 3 O + ). Stabilitosi l equilibrio (ovvero reazione diretta ed inversa che avvengono alla stessa velocità), la differenza di potenziale (d.d.p.) tra l elettrodo (-) e la soluzione (+) rimane costante e si indica con E semielemento. Essa sarà tanto maggiore quanto più l equilibrio: Me n+ + n e - Me sarà spostato a sinistra (quanto maggiore è la tendenza di un metallo ad ossidarsi). E semielemento dipende dal tipo di metallo e dalla concentrazione di Cu 2+ + (aq) 2e- Me Cu n+ in soluzione. Non è possibile misurare DIRETTAMENTE la d.d.p. che si stabilisce fra l elettrodo di metallo (-) e la soluzione (+) (E semielemento ) perchè ogni strumento di misura alterera l equilibrio. È possibile invece misurare SPRIMENTALMENTE la d.d.p. che si stabilisce fra due semielementi (= E cella ) collegandoli con un conduttore di I specie (filo di Cu) e misurare con un voltmetro E cella )

FUNZIONAMENTO DELLA CELLA: LA PILA DANIELL Utilizza la reazione di ossidoriduzione spontanea (ΔG < 0) Zn (s) + Cu 2+ (aq) Zn 2+ (aq) + Cu (s) 1 - Inizialmente (prima di collegare i due semi elementi) si hanno gli equilibri Zn 2+ (aq) + 2 e- Zn(s) (spostato a sx) Cu 2+ (aq) + 2 e- Cu(s) Lo Zn ha maggior tendenza di Cu ad ossidarsi (mandare ioni in soluzione) la barra di Zn sarà più negativa della barra di Cu 2 - Collegando i due semielementi gli elettroni passano dallo Zn al Cu e gli equilibri iniziali vengono TURBATI. 3 - Nel tentativo di ristabilire gli equilibri lo Zn (s) si OSSIDA e Cu 2+ (aq) si RIDUCE: Zn (s) Zn 2+ + 2 (aq) e- Cu 2+ + 2 (aq) e- Cu (s) Zn (s) + Cu 2+ (aq) Zn 2+ (aq) + Cu (s) PROCESSO ELETTROMOTORE DELLA CELLA: a) al polo negativo (-) della cella avviene la semireazione di ossidazione la reazione che libera elettroni: il polo negativo è la sorgente di elettroni b) al polo positivo (+) della cella avviene la semireazione di riduzione la reazione che necessita di elettroni: il polo positivo è lo scarico degli elettroni

LA PILA DANIELL A circuito CHIUSO la PILA fa avvenire separatamente e contemporaneamente 2 semireazioni: OSSIDAZIONE (-) ANODICA & RIDUZIONE (+) CATODICA N.B.: Durante il processo l elettrodo di Zn si assotiglia perché rilascia in soluzione ioni Zn 2+, mentre l elettrodo di Cu si inspessisce perché gli ioni Cu 2+ presenti in soluzione acquistano e - e si depositano come Cu. a) nella soluzione ANODICA aumentano gli ioni Zn 2+ (rispetto agli ioni SO 2-4 ) si carica POSITIVAMENTE. b) Nella soluzione CATODICA diminuiscono gli ioni Cu 2+ (rispetto agli ioni SO 2-4 ) si carica NEGATIVAMENTE. L accumulo di cariche positive nella soluzione anodica e l accumulo di cariche negative nella soluzione catodica bloccano il moto degli ELETTRONI gli ioni Zn 2+ avranno > difficoltà a passare in una soluzione carica positivamente e ioni Cu 2+ avranno > difficoltà a separarsi da una soluzione carica negativamente. Per compensare lo squilibrio di cariche ioniche nei due scomparti è indispensabile che le due soluzioni vengano poste a contatto tra di loro PONTE SALINO. Tubo ad U rovesciato che contiene una soluzione acquosa satura di un sale (KCl, KNO 3, NH 4 Cl, ecc.) in gel i cui ioni hanno circa la stessa mobilità. Gli ioni del sale diventano responsabili della conduzione elettrica interna al circuito, quindi della elettroneutralità delle soluzioni. ESTERNO DELLA CELLA: passaggio indiretto e ordinato di e - attraverso il filo di Cu (corrente elettrica). INTERNO DELLA CELLA: migrazione ordinata di ioni attraverso il ponte salino (corrente ionica). INTERFACCIA ELETTRODO/SOLUZIONE: semireazioni di ossidazione e riduzione.

LA PILA DANIELL ΔG G < 0 GLI ELETTRONI NEL CIRCUITO ESTERNO (SPINTA CHIMICA) a) ΔG reaz (= L elettrico ) è MASSIMO (in valore assoluto) all inizio, QUANDO SI CHIUDE IL CIRCUITO. La SPINTA CHIMICA è MASSIMA. b) Procedendo la reazione, il ΔG reaz ha VALORE SEMPRE MENO NEGATIVO (diminuisce in valore assoluto). La SPINTA CHIMICA DIMINUISCE. c) All equilibrio la POMPA SI ARRESTA (ΔG reaz = 0). Non c è più SPINTA CHIMICA, la reazione è all equilibrio ΔG reaz = 0 Zn (s) + Cu 2+ (aq) Zn 2+ (aq) + Cu (s) K eq = [Zn 2+ ]/[Cu 2+ ] PILA SCARICA FORZA ELETTROMOTRICE (f.e.m.): d.d.p. di una PILA quando non passa corrente (a circuito aperto o nel primo istante in cui si chiude il circuito) POTENZIALE DI CELLA (E cella = f.e.m.): si può calcolare noti i potenziali dei semielementi (o semicelle) che costituiscono la cella (o PILA). I POTENZIALI DI SEMICELLA (E semicella ) sono tabulati in CONDIZIONI STANDARD a 25 C e vengono tabulati come E semicella di RIDUZIONE riferiti alla riduzione dello ione Me n+ quando la sua concentrazione è 1.0 M: Me n+ + n (1.0 M) e- E riduz. = d.d.p. che si stabilisce fra l elettrodo (Me) e la soluzione contenente i suoi ioni (Men+ = 1.0 M). dai E semicella si può calcolare E cella E cella = POTENZIALE STANDARD DELLA CELLA Me (s) (-) Zn (s) Zn 2+ (aq) + 2 e- E OSS. = -E RID. (+) Cu 2+ (aq) + 2 e- Cu (s) E RID. Zn (s) + Cu 2+ (1.0 M) Zn 2+ (1.0 M) + Cu (s) E CELLA = E OSS. + E RID.

DETERMINAZIONE SPERIMENTALE DI E Semicella di riferimento COME SI CALCOLA SPERIMENTALMENTE E? Nessuna reazione di semicella può avvenire sola!!! Per una sostanza che si ossida deve esserci una sostanza che si riduce. Una reazione di ossido-riduzione avviene in una cella solo collegando due semicelle, quindi, se in condizioni standard, si può misurare solo un E CELLA = E OSS. + E RID. Se ad una semicella in condizioni standard diamo VALORE ARBITRARIO E = 0 possiamo ottenere VALORI RELATIVI DI POTENZIALI STANDARD (misure fatte a 25 C). Come semicella standard di riferimento viene utilizzata la SEMICELLA STANDARD AD IGROGENO: Pt (s), H 2 (g) 2 (g) /H /H 3 O + (1.0 M) In esso si stabilisce l equilibrio: 2 H + + 2 e - H 2 (g) A questo equilibrio per convenzione si assegna E riduz = 0

DETERMINAZIONE SPERIMENTALE DI E Es: calcolo di E della semicella standard Zn/Zn 2+ (-) Zn (s) Zn 2+ (aq) + 2 e- E ox = -E rid (+) 2 H + (aq) + 2 e- H 2(g) E ox = -E rid =0 riferimento Zn (s) + 2 H + (aq) Zn 2+ (aq) + H 2(g) Processo elettromotore Pila: ΔG = L elet. max. < 0 e E cella = E ox + E rid Essendo E rid = 0 per l elettrodo di riferimento E cella = E ox = 0.76 V (volt) (misura sperimentale con voltmetro) Convenzione: si tabulano E rid E rid (Zn 2+ /Zn) = -0.76 V Schematizzazione della cella Zn, H 2 standard 2+ (1.0 M) Zn (s) / Zn 2+ (1.0 M) // H 3 O + (1.0 M) / H 2(g) 2(g) (1 atm Pt (s) atm), Pt

DETERMINAZIONE SPERIMENTALE DI E Es: calcolo di E della semicella standard Cu/Cu 2+ (-) Cu (s) Cu 2+ + 2 (aq) e- E ox = -E rid (+) 2 H + (aq) + 2 e- H 2(g) E ox = -E rid =0 Cu (s) + 2 H + (aq) Cu 2+ (aq) + H 2(g) Processo elettromotore Pila: Schematizzazione della cella Zn, H 2 standard Pt (s) / H 2(g) ΔG = L elet. max. < 0 e E cella = E ox + E rid In questo caso E ox = 0 per l elettrodo di riferimento E cella = E rid = 0.34V (volt) (misura sperimentale con voltmetro) Convenzione: si tabulano E rid E rid (Cu 2+ /Cu) = 0.34 V 2(g) (1 atm atm) / H 3 O + (1.0 M) // Cu (s) / Cu 2+ 2+ (1.0 M) Collegando una qualsiasi semicella (in condizioni standard) con una semicella standard di H 2 misurando sperimentalmente E cella si ha direttamente E riduz (Me n+ /Me). e Si può così ottenere la scala dei potenziali standard basata sulle seguenti convenzioni: 1) i valori si riferiscono alle semireazioni di riduzione: è una scala di potenziali di riduzione; 2) i valori non sono assoluti, ma relativi al potenziale della coppia H 3 O + /H 2 presa come riferimento, a cui è stato dato E = 0 per convenzione; 3) i valori sono tabulati a T = 25 C, c = 1.00 M per tutte le specie presenti e P = 1 atm per le specie gassose. Quali informazioni dà la Tabella degli E? a) Forza relativa delle sostanze ossidanti e riducenti (in condizioni standard); b) possibilità di calcolare f.e.m. di una cella in condizioni standard; c) stabilire in quale direzione avviene l ossidoriduzione (in condizioni standard); d) calcolare la K eq di una reazione di ossidoriduzione.

A) FORZA RELATIVA DI SOSTANZE OSSIDANTI E RIDUCENTI 1) Più E rid ènegativo riduzione (Men+ (1.0 M) + n e - Me (s) ) è spostata a SINISTRA Me si OSSIDA più facilmente ( cede elettroni) RIDUCENTE. Li (s) è il più forte riducente (E (Li + /Li) = -3.05 V): è il metallo che ha la maggior tendenza a perdere elettroni, cioè ad ossidarsi. Tuttii metallicon E rid < 0 si ossidano in soluzione acida sviluppando H 2 (g) : Me (s) + n H + Me n+ + n/2 H (aq) 2 (g) ΔG < 0 Es: Fe (s) + 2 H 3 O + Fe 2+ (aq) + 2 H 2 O + H 2 (g) Zn (s) + 2 H 3 O + Zn 2+ (aq) + 2 H 2 O + H 2 (g) Quindi Me funziona da ANODO (-) se abbinato con semicella H 2 (+): E cella = E ox + E rid = E ox > 0 perchè E ox = -E rid 2) Più E rid èpositivo riduzione (Men+ (1.0 M) + n e- Me (s) ) è spostata a DESTRA Me si RIDUCE più facilmente ( acquista elettroni) OSSIDANTE. F 2 (g) 2 (g) è il più forte ossidante (E (F 2 /F - ) = +2.87 V): è la sostanza che ha la maggior tendenza a acquistare elettroni, cioè a ridursi. tutti i metalli con E rid > 0 NON si ossidano in soluzione acida: Me (s) + n H + Me n+ (aq) + n/2 H 2 (g) ΔG > 0 (avviene la reazione inversa) Es: Cu (s) + 2 H 3 O + Ag (s) + 2 H 3 O + NO REAZIONE Quindi Me funziona da CATODO (+) se abbinato con semicella H 2 (-): E cella = E ox + E rid = E rid > 0 È PIÙ RIDUCENTE LA SPECIE CON E RID PIÙ NEGATIVO (O MENO POSITIVO), È PIÙ OSSIDANTE LA SPECIE CON E RID PIÙ POSITIVO (O MENO NEGATIVO). Me n+ + n (1.0 M) e- Me (s) : ossida tutte le coppie redox che la precedono nella tabella degli E rid riduce tutte le coppie redox che la seguono nella tabella degli E rid

B) CALCOLO E CELLA (> 0) C) DIREZIONE SPONTANEA (ΔG( < 0) DI UNA REAZIONE REDOX: SE ΔG < 0 E CELLA > 0 POICHÈ ΔG REAZ = -nfe CELLA Es.1: Zn 2+ (aq) + 2 e- Zn (s) E (Zn 2+ /Zn) = - 0.76 V Fe 2+ (aq) + 2 e- Fe (s) E (Fe 2+ /Fe) = - 0.44 V Quando colleghiamo i due semielementi la semireazione con E rid PIÙ NEGATIVO procederà verso SINISTRA forzando la semireazione con E rid MENO NEGATIVO a procedre verso DESTRA Zn (s) Zn 2+ (aq) + 2 e- E ox = -E rid = -(-0.76 V) Fe 2+ (aq) + 2 e- Fe (s) E rid = -0.44 V Zn (s) + Fe 2+ (aq) Zn 2+ (aq) + Fe (s) E cella = E ox + E rid = - (- 0.76 V) + (-( 0.44 V) = 0.32 V > 0 La reazione redox è spontanea nel senso indicato: lo Zn non ossida il Fe. Lo Zn si ossida a Zn 2+ e il Fe 2+ si riduce a Fe (s) Zn (s) /Zn 2+ (1.0 M) // Fe2+ (1.0 M) /Fe (s) Es.2: Fe 2+ (aq) + 2 e- Fe (s) E (Fe 2+ /Fe) = - 0.44 V Cu 2+ (aq) + 2 e- Cu (s) E (Cu 2+ /Cu) = + 0.34 V Quando colleghiamo i due semielementi la semireazione con E rid PIU NEGATIVO procederà verso SINISTRA forzando la semireazione con E rid MENO NEGATIVO a procedre verso DESTRA Fe (s) Fe 2+ (aq) + 2 e- E ox = -E rid = -(-0.44 V) Cu 2+ (aq) + 2 e- Cu (s) E rid = + 0.34 V Processo elettromotore della pila ΔG < 0 e quindi E cella > 0 Processo elettromotore della pila ΔG < 0 e quindi E cella > 0 Fe (s) + Cu 2+ (aq) Fe 2+ (aq) + Cu (s) E cella = E ox + E rid = - (- 0.44 V) + 0.34 V = 0.78 V > 0 La reazione redox è spontanea nel senso indicato: il Fe non ossida il Cu. Il Fe si ossida a Fe 2+ e il Cu 2+ si riduce a Cu (s) Fe (s) /Fe 2+ (1.0 M) // Cu2+ (1.0 M) /Cu (s) N.B.: E cella = E ox + E rid > 0 E cella è sempre > 0 per una reazione redox spontanea: se E cella < 0 (ovvero ΔG > 0, siccome ΔG = L elett. max. = -nfe cella ) è sbagliata l attribuzione anodo-catodo)

EQUAZIONE DI NERNST TRASFORMAZIONE DI E CHIMICA (ΔG < 0) IN E ELETTRICA (E cella > 0) IN CONDIZIONI NON STANDARD: ΔG G = L utile max. = - q (coulomb) d.d.p. (Volts) = Joule Il segno (-) è perchè si tratta di lavoro fatto dal sistema sull ambiente (per convenzione negativo). q = carica di 1 mole di e - = N e - = 6.022 10 23 e - /mole 1.6 10-19 coulomb / e - = 96485 c/mol e - = F F = 1 Faraday = 96485 c/mol e - = CARICA TRASPORTATA DA 1 MOLE DI ELETTRONI Quando n moli di elettroni (q = n F) passano da un elettrodo (-) ad un elettrodo (+) fra i quali esiste una d.d.p. (E cella ) si effettua un LAVORO ELETTRICO = -nfe cella, ΔG G = -nfe cella E cella = - ΔG/ G/nF Per una reazione redox di cui si conoscono le concentrazioni istantanee degli ioni in soluzione: ΔG RT ΔG = ΔG + RTlnQ E cella = - - lnq (in condizioni standard Q = 1 e E cella = E nf cella nf ) E cella = - ΔG = f.e.m standard della PILA (calcolabile da E rid nf tabulati) RT RT E cella = E cella - lnq Passando da ln a log lnq = 2.303 logq E nf cella = E cella - 2.303 logq n F Costante a 25 C: [2.303 8.314 (JK -1 mol -1 ) 298 (K)] / 96485 (c/mol) = 0.0592 V E cella = E cella 0.0592 V - logq n EQUAZIONE DI NERNST permette di calcolare E cella partendo da qualsiasi condizione iniziale n = n di moli di elettroni coinvolti nella reazione redox; Q = quoziente di reazione: come la K eq ma qui vi figurano le concentrazioni iniziali (istantanee) degli ioni in soluzione.

APPLICAZIONE DELL EQUAZIONE DI NERNST IN CONDIZIONI NON STANDARD Es: Calocolo di E cella della pila DANIELL a diverse concentrazioni di Zn 2+ e Cu 2+ (-) Zn (s) Zn 2+ (aq) + 2 e- E OSS. = - E RID. = -(-0.76 V) (+) Cu 2+ (aq) + 2 e- Cu (s) E RID. = + 0.34 V Zn (s) + Cu 2+ (1.0 M) Zn 2+ (1.0 M) + Cu (s) E CELLA = E OSS. + E RID. = 0.76 V + 0.34 V = 1.10 V 1) Supponiamo le seguenti condizioni iniziali della PILA : [Zn 2+ ] = 0.100 M e [Cu 2+ ] = 2.00 M E cella = E cella - 0.0592 V 0.0592 V [Zn 2+ ] 0.0592 V 0.100 logq = 1.10 V - log n n [Cu 2+ = 1.10 V - log ] 2 2.00 = 1.138 V iniziali 2) Durante il funzionamento le concentrazioni cambieranno sino a quando [Zn 2+ ] = 2.000 M e [Cu 2+ ] = 0.100 M E cella = 1.10 V - 0.0592 V log 2.00 2 0.100 = 1.061 V finali Quando [Zn 2+ ]=[Zn 2+ ] eq e [Cu 2+ ] = [Cu 2+ ] eq Q = K eq ΔG = 0 E cella = 0 PILA SCARICA D) CALCOLO K EQ DI UNA REAZIONE REDOX DALL EQUAZIONE DI NERST E cella = E cella - 0.0592 V logq All equilibrio Q = K eq, ΔG = 0 e E cella = 0 n logk = ne cella / 0.0592 Esempi: a) Calcolare K eq della reazione redox che avviene nella PILA di DANIELL E cella = 1.10 V; n = 2 logk = (2 1.10) / 0.0592 = 37.16 K eq = 1.44 1034 K eq elevatissima la reazione è quantitativa e il valore di K eq sarebbe difficile da calcolare per altre vie. b) Calcolare ΔG della reazione redox che avviene nella PILA di Daniell ΔG = -nfe cella = 2 96485 1.10 = - 212 kj facendo avvenire questa reazione in un calorimetro (in condizioni standard) si ha che Q sviluppato = ΔH reaz = - 216 kj c) Rendimento della PILA di Daniell: η (%) = (energia utile/energia totale) 100 η (%) = (ΔG reaz. /ΔH reaz ) 100 = (- 212 / - 216) 100 = 98.1% RENDIMENTO TEORICO E cella = E cella - 0.0592 V logk n eq

APPLICAZIONE DELL EQUAZIONE DI NERNST IN CONDIZIONI NON STANDARD Es: Cr 3+ (aq) +3 e- Cr (s) E (Cr 3+ /Cr) = - 0.74 V n = 3 E rid = E rid - Q = 1/[Cr 3+ ] ma in condizioni standard Q = 1 E rid = E rid (valori tabulati) a) Supponiamo [Cr 3+ ] = 10-3 M E E rid < E rid = - 0.74 V - 0.0592 log 1 = - 0.799 V rid 3 10-3 Semicella PIÙ RIDUCENTE rispetto alle condizioni standard (MINORE è[cr 3+ ] reazione spostata a SINISTRA) b) Supponiamo [Cr 3+ ] = 3.0 M E E rid > E rid = - 0.74 V - 0.0592 log 1 = - 0.73 V rid 3 3 0.0592 logq n Semicella MENO RIDUCENTE rispetto alle condizioni standard (MAGGIORE è[cr 3+ ] reazione spostata a DESTRA) b) ELETTRODO AD OSSIGENO: Pt (s), O 2(g) (1 atm) /OH - (C) equilibrio: O 2 + 2 H 2 O (aq) + 4 e- 4 OH - In condizioni standard E rid = 0.40 V ELETTRODI A GAS/METALLO INERTE (Pt) 1) ELETTRODO AD IDROGENO: Pt (s), H 2(g) (1 atm) /H 3 O + (C) equilibrio: 2 H+ (aq) + 2 e- H 2 (g) In condizioni diverse da quelle standard: E rid = 0 V - 0.0592 V log 1 2 [H + = - 0.0592 ph ] 2 ph = 0 E rid = E rid = 0.0 V ph = 7 E rid = - 0.0592 7 = - 0.42 V ph = 14 E rid = - 0.83 V Aumentando il ph aumenta il potere riducente: H 2 (g) è più riducente in ambiente basico (minore [H 3 O + ] equilibrio spostato a SINISTRA). Per ph = 14, [OH - ] = 1.0 M E rid = -0.83 V corrispondente al potenziale standard dell elettrodo ad idrogeno in ambiente basico dove l equilibrio è: 2 H 2 O (l) + 2 e - H 2 (g) + 2 OH - E = - 0.83 V (si riduce H 2 O perchè a ph 14 è troppo bassa la concentrazione di H 3 O + ). E rid = 0.40 V - 0.0592 V log [OH 4 [OH - ] 4 = 0.40 + 0.0592 poh da condizioni standard poh = 0 E rid = E rid = 0.40 V poh = 7 E = 0.40 + 0.0592 7 = + 0.81 V rid poh = 14 E rid = 1.23 V Diminuendo il ph aumenta il potere ossidante O 2(g) è più ossidante in ambiente acido

PILE PRIMARIE (IRREVERSIBILI) Una volta utilizzate non possono essere riportate allo stato originario per le alterazioni irreversibili avvenute nella fase di scarica. Es: PILA LECLANCHÈ ACIDA O PILA ZINCO-CARBONE Ossidazione Zn Zn 2+ + 2e - E = - 0,76 V Riduzione 2MnO 2 + 2NH + 4 + 2e - 2MnO(OH) + 2NH 3 E = + 0,75 V Reaz. complessiva Zn + 2MnO 2 + 2NH 4 + Zn 2+ + 2MnO(OH) + 2NH 3 E = + 1,51V La f.e.m dipende solo dalle specie chimiche utilizzate diverse dimensioni ma sempre 1.5 V maggiore è la dimensione della pila, maggiore è la quantità di energia chimica disponibile e quindi maggiore è la durata. PILA A COMBUSTIBILE: Il processo elettromotore è dato da una reazione di combustione in cui il combustibile (H 2, CH 4, carbone, etc) e il comburente (O 2, aria) sono alimentati di continuo dall esterno ed i prodotti della reazione sono continuamente rimossi: η (%) costante E cella non dipende dal ph, infatti: ph = 0 ph = 7 ph = 14 E(2H + /H 2 ) 0.00 V - 0.42 V - 0.83 V E(O 2 /H 2 O) 1.23 V 0.81 V 0.40 V E ox. + E rid = 1.23 V 1.23 V 1.23 V ΔH r = 2 ΔH f(h2o(l) = 2 (-285,9 kj/mol) = -571,8 kj η (%) = (ΔG ( r /ΔH r ) 100 = 83 %

PILE SECONDARIE - REVERSIBILI Una volta scaricate possono essere ricaricate fornendo energia elettrica continua riportandole allo stato originario. Es: ACCUMULATORI ACIDI AL PIOMBO PROCESSO DI SCARICA: pila e trasforma E chimica (ΔG < 0) in E elettrica (E cella > 0) 2- Pb (s) + SO 4 (aq) PbSO 4(s) + 2e - PbO 2(s) + SO 4 2- (aq) + 4H 3 O + (aq) + 2e- PbSO 4(s) + 6H 2 O (l) Pb (s) + 2SO 4 2- (aq) + 4H 3 O + (aq) + PbO 2(s) 2PbSO 4(s) + 6H 2 O (l) Processo elettromotore della PILA: E cella = 2.05 V Durante la scarica diminuisce la concentrazione di H 2 SO 4, per effetto dell acqua che si forma: diminuisce la densità della soluzione di H 2 SO 4 (da 1.28 a 1.20 g/ml). Questo permette di controllare lo stato della batteria mediante un densimetro. La cella risulta scarica quando le griglie sono parzialmente ricoperte di PbSO 4. La scarica non deve prolungarsi troppo: interrompere quando la E cella ~ 1.8 V. Diversamente si formano grossi cristalli di PbSO 4(s) : SOLFATAZIONE DEGLI ELETTRODI non sono più in grado di reagire nella fase di ricarica. PROCESSO DI RICARICA: fornendo energia elettrica reazione inversa (ΔG > 0) (-) PbSO 4 + 2e - SO 2-4 + Pb (s) (+) PbSO 4 + 6H 2 O PbO 2(s) + SO 2-4 + 4H 3 O + + 2e - 2PbSO 4 + 6H 2 O PbO 2 (s) + 2SO 4 2- + 4H 3 O + + Pb (s) ΔG > 0 Pb (s) /H 2 SO 4 /PbO 2 (s) PbSO 4 /H 2 SO 4 /PbSO 4 (-) (+) SCARICA RICARICA Non superare i 2.2 V elettrolisi di H 2 O 2H 2 O (l) 2H 2 + O 2 l accumulatore BOLLE (sviluppo di H 2(g) e O 2(g) ): le bolle distruggono gli elettrodi. Non usare mai fiamme libere (miscela esplosiva H 2(g) + O 2(g) ). Negli accumulatori sigillati la P(O 2 ) e P(H 2 ) possono raggiungere le 4 atm. più solubili nella soluzione ed in presenza di catalizzatori formano H 2 O (l)

PILA A CONCENTRAZIONE: ΔG MESCOLAMENTO = L ELETTRICO Sono costituite dall accoppiamento di due elettrodi uguali immersi in soluzioni dei loro ioni aventi DIVERSA CONCENTRAZIONE: NON AVVIENE REAZIONE CHIMICA ma un MESCOLAMENTO delle due soluzioni (ΔS mescol. > 0 ΔG mescol. > 0) Es: Consideriamo la pila (-) Cu/Cu 2+ (10-2 M = C 1 ) // Cu 2+ (1.0 M = C 2 )/Cu (+) E (Cu 2+ /Cu) = 0.34 V Calcoliamo E rid per la semicella di sinistra: E rid = E rid - 0.0592 V log 1 = 0.28 V < E (Cu 2+ /Cu) 2 10-2 - L elettrodo immerso nella soluzione più diluita (C 1 ) ha E rid < E rid ANODO (-) ioni Cu2+ andranno in soluzione e la soluzione si concentra. - L elettrodo immerso nella soluzione più concentrata (C 2 > C 1 ) ha E rid > E rid CATODO (+) Cu metallico si deposita sull elettrodo e la soluzione si diluisce. In generale: per C 1 < C 2 l elettrodo immerso nella soluzione C 1 è l ANODO (-) e l elettrodo immerso nella soluzione C 2 èil CATODO(+). Chiudendo il circuito nelle due semicelle avvengono le seguenti reazioni: (-) Cu (s) Cu 2+ (aq) + 2 e- E OSS = - E RID (+) Cu 2+ (aq) + 2 e- Cu (s) E RID Cu 2+ (C 2 ) Cu 2+ (C 1 ) E CELLA = 0 L equazione di NERST è: E cella = E cella - 0.0592 V n log C 1 Nel caso specifico C 1 = 10-2 M e C 2 = 1.0 M E cella = E cella - C 2 Quando C 2 = C 1 la pila è scarica 0.0592 V log 10-2 = 0.0592 V 2 1

Il ph-metro Nella determinazione del ph si utilizza il principio della PILA A CONCENTRAZIONE La cella è composta da due elettrodi ad H 2 di cui uno pesca in una soluzione di ioni H 3 O + a concentrazione nota (es. 1.0 M) e l altro pesca nella soluzione di cui si vuole conoscere il ph (x M). Schematizzazione phmetro: (-) (+) Pt (s), H 2(g)(1 atm) /H 3 O + (x M) // H 3 O+ (1.0 M) /H 2(g) (1 atm), Pt (s) Lo strumento è tarato per leggere direttamente il ph anziché la E cella.