Elettrochimica
Metodo ionico-elettronico per il bilanciamento redox, celle galvaniche, potenziali standard, equazione di Nernst, pile, corrosione ed elettrolisi con le leggi di Faraday.
Teoria Completa
5Il metodo ionico-elettronico (o delle semireazioni) è più generale del metodo elettronico per specie in soluzione acquosa.
Passaggi:
Passaggi:
- Scrivere le semireazioni in forma ionica (specie come esistono in soluzione)
- Bilanciare atomi: con H₂O e H⁺ (acido) o OH⁻ (basico)
- Bilanciare la carica con e⁻
- Moltiplicare per il m.c.m. degli e⁻ e sommare
- Verificare carica e atomi totali
Una cella galvanica (o pila) sfrutta una reazione redox spontanea per produrre energia elettrica. È composta da due semicelle (elettrodi). L'anodo (-) è dove avviene l'ossidazione; il catodo (+) la riduzione.
La forza elettromotrice (o ) è la differenza di potenziale tra catodo e anodo: L'equazione di Nernst corregge il potenziale per concentrazioni non standard: A 25°C:
La forza elettromotrice (o ) è la differenza di potenziale tra catodo e anodo: L'equazione di Nernst corregge il potenziale per concentrazioni non standard: A 25°C:
Principali tipi di pile:
- Pila a concentrazione: stessa semicella ma diverse concentrazioni; la f.e.m. dipende dal gradiente di concentrazione
- Pila a combustibile: converte energia chimica (H₂ + O₂ → H₂O) in energia elettrica; prodotto = acqua
- Accumulatore al piombo (batteria auto): Pb (-) / PbO₂ (+) in H₂SO₄; ricaricabile
- Pile comuni: pila-secchiello (Leclanché, Zn-C), pila alcalina, pila a bottone (Zn-HgO, Ag₂O)
La corrosione è un processo elettrochimico indesiderato in cui un metallo si ossida a contatto con l'ambiente (O₂, H₂O). Il caso classico è la ruggine del ferro:
- Anodo: (ossidazione del ferro)
- Catodo: (riduzione dell'ossigeno)
- Segue formazione di Fe(OH)₂, poi Fe₂O₃·nH₂O (ruggine)
L'elettrolisi è un processo non spontaneo in cui l'energia elettrica forza una reazione redox (l'opposto di una pila).
Leggi di Faraday:
Applicazioni: produzione di alluminio (Hall-Héroult), elettrolisi dell'acqua, galvanostegia (cromatura, argentatura), raffinazione del rame.
Leggi di Faraday:
- La massa di sostanza prodotta/depositata a un elettrodo è proporzionale alla quantità di carica passata:
- La massa prodotta da una data carica è proporzionale all'equivalente elettrochimico:
Applicazioni: produzione di alluminio (Hall-Héroult), elettrolisi dell'acqua, galvanostegia (cromatura, argentatura), raffinazione del rame.
Esempi Svolti
2Esempio 1Calcolo della f.e.m. di cella con Nernst
Dati
Pila:
Trovare
della cella
E della cella con le concentrazioni date
Svolgimento passo per passo
1Calcoliamo il potenziale standard di cella come differenza tra potenziale del catodo (Cu, riduzione) e dell'anodo (Zn, ossidazione): .
2La reazione redox che avviene è , con scambio di elettroni.
3Applichiamo l'equazione di Nernst per correggere il potenziale in base alle concentrazioni non standard: .
4Inseriamo i valori: .
5.
✓ Risultato finale: ;
Esempio 2Massa depositata per elettrolisi
Dati
Elettrolisi di con per
Trovare
Massa di rame depositata al catodo
Svolgimento passo per passo
1La semireazione di riduzione del rame è , quindi ogni ione Cu²⁺ richiede elettroni.
2Calcoliamo la carica totale passata: .
3Usiamo la prima legge di Faraday: .
4Eseguiamo il calcolo: di rame depositato al catodo.
✓ Risultato finale:
Esercizi con Soluzione
3Esercizio 1Potenziale standard di cellaMedia
Problema da risolvere
Calcolare la f.e.m. standard della pila . , .
Dati forniti
E°(Mg²⁺/Mg) = −2.37 VE°(Ag⁺/Ag) = +0.80 V
Svolgimento passo per passo
1Mg si ossida (anodo):
2Ag⁺ si riduce (catodo):
3
✓ Risposta finale:
Esercizio 2Concentrazione da NernstAlta
Problema da risolvere
Per la pila si misura a 25°C. Trovare . , .
Dati forniti
E = 1.15 V[Cu²⁺] = 0.20 ME°(Zn²⁺/Zn) = −0.76 VE°(Cu²⁺/Cu) = +0.34 V
Svolgimento passo per passo
1
2Nernst:
3
4
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6
✓ Risposta finale:
Esercizio 3Tempo di elettrolisiAlta
Problema da risolvere
Si vuole depositare di argento () da una soluzione di con una corrente . Calcolare il tempo necessario ().
Dati forniti
m(Ag) = 5.0 gM(Ag) = 107.9 g/molI = 1.5 AF = 96485 C/mol
Svolgimento passo per passo
1Semireazione: →
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✓ Risposta finale:
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