Prevedere il potenziale di un pila




pila casalinga

Ponendo a contatto due semicelle in condizioni standard e conoscendo i potenziali di riduzione, è possibile conoscere il comportamento delle specie in gioco e calcolare il potenziale di una pila.

Ad esempio, se le due semicelle sono costituite dalle coppie $\sf Cu^{++}/Cu $ e $\sf Fe^{++}/Fe $, sapendo che i potenziali standard sono:

$\sf \moveright{5em}{Cu^{++} + 2e^- \to Cu\ \ \ E^0 = +0.34 }$

$\sf \moveright{5em}{Fe^{++} + 2e^- \to Fe\ \ \ E^0 =-0.45V }$

è possibile prevedere che lo ione $\sf Cu^{++}$ si ridurrà (catodo) e che il $\sf Fe $ si ossiderà (anodo), perché il rame ha un potenziale di riduzione maggiore del ferro.

La ddp della pila si calcola facendo la differenza fra i due potenziali:

$\sf \moveright{5em}{+0.34V-(-0.45V)= +0.79V}$


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Potenziali di riduzione

elettrodoidrogeno

Nella lezione precedente si è visto come, ponendo in contatto con un ponte salino due semicelle $\sf Cu/Cu^{++}$ e $\sf Zn/Zn^{++}$, si può registrare con un voltmetro una differenza di potenziale elettrico agli elettrodi pari a 1,1V.

In modo analogo è possibile porre a confronto diverse semicelle e registrare i potenziali. Operando in condizioni standard (temperatura: 25 °C, concentrazione delle soluzioni: 1M, pressione delle specie chimiche gassose: 1 atm) è stata costruita la tabella dei potenziali standard di riduzione $\sf (E^0\ (V))$ usando come semicella di riferimento un elettrodo a idrogeno, rappresentato nell’immagine:

In un becher contenente una soluzione di HCl 1M gorgoglia dell’idrogeno gassoso a 1 atm su un elettrodo di platino, inerte, che funge da conduttore. Il potenziale dell’elettrodo a idrogeno è, ovviamente, zero.

Riporto qui alcuni valori dei potenziali strandard di riduzione che ci potranno tornare utili. Eventualmente ne aggiungerò altri se serviranno.

SEMIREAZIONE DI RIDUZIONE       $\sf E^0 (V)$
$\sf \moveright{5em}{F_2 +2e^- \to 2F^-}$ +2.87
$\sf \moveright{5em}{S_2 O_8^{-\ -} + 2e^- \to 2 SO_4^{-\ -}}$ +2.01
$\sf \moveright{5em}{Au^{+++} + 3e^- \to Au}$ +1.50
$\sf \moveright{5em}{Cl_2 +2e^- \to 2Cl^-}$ +1.36
$\sf \moveright{5em}{4H^+ + O_2 + 4e^- \to 2H_2O }$ +1.23
$\sf \moveright{5em}{Hg^{++} + 2e^- \to Hg}$ +0.85
$\sf \moveright{5em}{Ag^{+} + e^- \to Ag}$ +0.80
$\sf \moveright{5em}{Fe^{+++} + e^- \to Fe^{++}}$ +0.77
$\sf \moveright{5em}{O_2 + 2H_2 O + 4e^- \to 4OH^-}$ +0.40
$\sf \moveright{5em}{Cu^{++} + 2e^- \to Cu}$ +0.34
$\sf \moveright{5em}{2H^+ +2e^- \to H_2}$ 0.00
$\sf \moveright{5em}{Pb^{++} +2e^- \to Pb}$ -0.13
$\sf \moveright{5em}{Sn^{++} +2e^- \to Sn}$ -0.14
$\sf \moveright{5em}{Fe^{++} +2e^- \to Fe}$ -0.45
$\sf \moveright{5em}{Cr^{+++} +3e^- \to Cr}$ -0.74
$\sf \moveright{5em}{Zn^{++} +2e^- \to Zn}$ -0.76
$\sf \moveright{5em}{2H_2 O +2e^- \to H_2 + 2OH^-}$ -0.83
$\sf \moveright{5em}{Na^+ + e^- \to Na}$ -2.71
$\sf \moveright{5em}{Li^+ + e^- \to Li}$ -3.04
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La pila Daniell




Immergendo dello zinco in una soluzione di solfato rameico, si ottiene spontaneamente la produzione di rame e solfato si zinco grazie al trasferimento di elettroni dallo zinco al rame.

$ \sf \moveright 5em {\charge{0}{Zn} +\charge{+2}{Cu}SO_4 \rightleftharpoons \charge{+2}{Zn}SO_4 +\charge{0}{Cu}} $

Sfruttata opportunamente questa reazione può generare una corrente continua.

pila-daniell

Il dispositivo, la pila Daniell, è costituito da:

  • una semicella costituita da una lamina di rame immersa in una soluzione di solfato di rame
  • un’altra semicella costituita da una lamina di zinco immersa in una soluzione di solfato di zinco
  • un ponte salino per collegare le due semicelle: un tubo di vetro a U contenente una soluzione salina con due tamponi di cotone alle estremità
  • un voltmetro per misurare la differenza di potenziale elettrico

Gli eventi che si verificano sono:

  1. all’anodo l’ossidazione dello zinco, $ \sf Zn \to Zn^{++} + 2e^- $, che passa in soluzione (progressivamente la lamina di zinco si assottiglia);
  2. il passaggio di due ioni negativi dal ponte salino alla soluzione di solfato di zinco, per compensare le cariche positive;
  3. il passaggio di due elettroni attraverso il conduttore, e attraverso il voltmetro, che si accumulano sulla lamina di rame;
  4. al catodo la riduzione degli ioni rameico presenti in soluzione sulla lamina, $ \sf Cu^{++} + 2e^- \to Cu $ (progressivamente la lamina di rame aumenta la sua massa);
  5. il passaggio di due ioni positivi dal ponte salino alla soluzione, per compensare le cariche mancanti.

La differenza di potenziale registrata dal voltmetro è di 1,1V.

In questo filmato (Zanichelli Editore) è rappresentata l’esperienza di laboratorio:




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Il verso delle red-ox

ragno palombaro

Ragno palombaro

La ben nota reazione della respirazione cellulare è un’ossidoriduzione:

$ \sf \moveright 5em { \charge{0}{C_6} \charge{+1}{H_{12}} \charge{-2}{O_6} +\ 6\ \charge{0}{O_2} \to\ 6\ \charge{+4}{C} \charge{-2}{O_2} +\ 6\ \charge{+1}{H_2} \charge{-2}{O} \ +\ energia\ chimica} $

il carbonio si ossida mentre l’ossigeno si riduce. Sappiamo anche che questa reazione, una volta innescata, è accompagnata da sviluppo di energia, che i viventi accumulano sotto forma di molecole di ATP, spendibili per i processi cellulari. Il carbonio più ridotto contenuto nel glucosio ha un potenziale energetico più alto del carbonio ossidato.

La reazione opposta è la fotosintesi clorofilliana; i percorsi metabolici che la rendono possibile sono diversi da quelli della respirazione, ma la cosa più importante che qui desidero rilevare è che, perché essa avvenga, richiede energia (l’energia luminosa catturata dalla clorofilla) perché è necessario portare il carbonio, completamente ossidato, ad uno stato più ridotto.

$ \sf \moveright 5em {6\ \charge{+4}{C} \charge{-2}{O_2} +\ \ 6\ \charge{+1}{H_2} \charge{-2}{O}\ \charge{luce}{\to} \ \charge{0}{C_6} \charge{+1}{H_{12}} \charge{-2}{O_6} +\ 6\ \charge{0}{O_2}}$

È possibile scrivere una red-ox indicando una doppia freccia, una in un senso una nell’altro, ma tenendo conto che una sola delle due reazioni avviene spontaneamente, mentre la reazione opposta richiede energia:

$ \sf \moveright 5em {{C_6}{H_{12}}{O_6} +\ 6\ {O_2}\ \rightleftharpoons \ 6\ {C}{O_2} +\ \ 6\ {H_2}{O}}$

Nelle attività umane sono impiegate largamente le reazioni di ossidoriduzione spontanee per produrre energia. È il caso delle combustioni: del carbone, della legna, dei combustibili derivati dal petrolio per ricavare energia termica. Oppure delle pile, per ricavare energia elettrica. Ma di questo parlerò nei prossimi post. E di altro ancora.

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