17.2: Celle Galvaniche

celle Galvaniche, noto anche come voltaico cellule, sono le celle elettrochimiche in cui spontanee di reazioni di ossido-riduzione la produzione di energia elettrica. Nello scrivere le equazioni, è spesso conveniente separare le reazioni di riduzione dell’ossidazione in semireazioni per facilitare il bilanciamento dell’equazione complessiva e per enfatizzare le trasformazioni chimiche effettive.

Considera cosa succede quando un pezzo pulito di metallo di rame viene posto in una soluzione di nitrato d’argento (Figura \(\PageIndex{1}\)). Non appena viene aggiunto il metallo di rame, il metallo d’argento inizia a formarsi e gli ioni di rame passano nella soluzione. Il colore blu della soluzione all’estrema destra indica la presenza di ioni di rame. La reazione può essere divisa nelle sue due mezze reazioni. Le mezze reazioni separano l’ossidazione dalla riduzione, quindi ciascuna può essere considerata individualmente.

L’equazione per la semireazione di riduzione doveva essere raddoppiata in modo che il numero di elettroni “guadagnati” nella semireazione di riduzione equivalesse al numero di elettroni “persi” nella semireazione di ossidazione.

Le celle galvaniche o voltaiche comportano reazioni elettrochimiche spontanee in cui le semireazioni sono separate (Figura \(\PageIndex{2}\)) in modo che la corrente possa fluire attraverso un filo esterno. Il becher sul lato sinistro della figura è chiamato mezza cella e contiene una soluzione di 1 M di nitrato di rame(II) con un pezzo di metallo di rame parzialmente immerso nella soluzione. Il metallo di rame è un elettrodo. Il rame sta subendo l’ossidazione; quindi, l’elettrodo di rame è l’anodo. L’anodo è collegato a un voltmetro con un filo e l’altro terminale del voltmetro è collegato a un elettrodo d’argento da un filo. L’argento è in fase di riduzione; pertanto, l’elettrodo d’argento è il catodo. La mezza cella sul lato destro della figura è costituita dall’elettrodo d’argento in una soluzione di nitrato d’argento 1 M (AgNO3). A questo punto, nessuna corrente scorre—cioè, nessun movimento significativo di elettroni attraverso il filo si verifica perché il circuito è aperto. Il circuito è chiuso usando un ponte di sale, che trasmette la corrente con ioni in movimento. Il ponte salino è costituito da una soluzione elettrolitica concentrata, non reattiva, come la soluzione di nitrato di sodio (NaNO3) utilizzata in questo esempio. Mentre gli elettroni fluiscono da sinistra a destra attraverso l’elettrodo e il filo, gli ioni nitrati(anioni) passano attraverso il tappo poroso a sinistra nella soluzione di nitrato di rame (II). Ciò mantiene il becher a sinistra elettricamente neutro neutralizzando la carica sugli ioni di rame(II) che vengono prodotti nella soluzione quando il metallo di rame viene ossidato. Allo stesso tempo, gli ioni nitrati si muovono a sinistra, gli ioni sodio (cationi) si muovono a destra, attraverso il tappo poroso e nella soluzione di nitrato d’argento a destra. Questi cationi aggiunti “sostituiscono” gli ioni d’argento che vengono rimossi dalla soluzione quando sono stati ridotti a metallo argentato, mantenendo il becher sulla destra elettricamente neutro. Senza il ponte di sale, i compartimenti non rimarrebbero elettricamente neutri e nessuna corrente significativa scorrerebbe. Tuttavia, se i due compartimenti sono in contatto diretto, non è necessario un ponte di sale. L’istante in cui il circuito è completato, il voltmetro legge + 0,46 V, questo è chiamato potenziale di cella. Il potenziale cellulare viene creato quando i due metalli dissimili sono collegati ed è una misura dell’energia per unità di carica disponibile dalla reazione di riduzione dell’ossidazione. Il volt è l’unità SI derivata per il potenziale elettrico

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In questa equazione, A è la corrente in ampere e C la carica in coulombs. Si noti che i volt devono essere moltiplicati per la carica in coulombs (C) per ottenere l’energia in joule (J).

Quando la cella elettrochimica è costruita in questo modo, un potenziale di cella positivo indica una reazione spontanea e che gli elettroni scorrono da sinistra a destra. C’è molto da fare nella figura \ (\PageIndex{2}\), quindi è utile riassumere le cose per questo sistema:

• Gli elettroni fluiscono dall’anodo al catodo: da sinistra a destra nella cella galvanica standard nella figura.
• L’elettrodo nella semi-cella sinistra è l’anodo perché l’ossidazione si verifica qui. Il nome si riferisce al flusso di anioni nel ponte di sale verso di esso.
• L’elettrodo nella metà cella destra è il catodo perché la riduzione avviene qui. Il nome si riferisce al flusso di cationi nel ponte di sale verso di esso.
• L’ossidazione avviene all’anodo (la mezza cella sinistra nella figura).
• La riduzione avviene al catodo (la mezza cella destra nella figura).
• Il potenziale di cella ,+ 0,46 V, in questo caso, deriva dalle differenze intrinseche nella natura dei materiali utilizzati per realizzare le due mezze celle.
• Il ponte di sale deve essere presente per chiudere (completare) il circuito e devono verificarsi sia un’ossidazione che una riduzione per il flusso di corrente.

Ci sono molte celle galvaniche possibili, quindi una notazione abbreviata viene solitamente utilizzata per descriverle. La notazione cellulare (a volte chiamata diagramma cellulare) fornisce informazioni sulle varie specie coinvolte nella reazione. Questa notazione funziona anche per altri tipi di celle. Una linea verticale,│, denota un confine di fase e una doppia linea,‖, il ponte di sale. Le informazioni sull’anodo sono scritte a sinistra, seguite dalla soluzione di anodo, quindi dal ponte di sale (quando presente), quindi dalla soluzione di catodo e, infine, dalle informazioni sul catodo a destra. La notazione della cella per la cella galvanica in Figura \ (\PageIndex{2}\) è quindi

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Si noti che gli ioni spettatore non sono inclusi e che è stata utilizzata la forma più semplice di ogni semireazione. Quando noto, le concentrazioni iniziali dei vari ioni sono solitamente inclusi.

Una delle cellule più semplici è la cellula di Daniell. È possibile costruire questa batteria posizionando un elettrodo di rame sul fondo di un barattolo e coprendo il metallo con una soluzione di solfato di rame. Una soluzione di solfato di zinco viene fatta galleggiare sopra la soluzione di solfato di rame; quindi un elettrodo di zinco viene posto nella soluzione di solfato di zinco. Il collegamento dell’elettrodo di rame all’elettrodo di zinco consente il flusso di una corrente elettrica. Questo è un esempio di una cella senza un ponte di sale, e gli ioni possono fluire attraverso l’interfaccia tra le due soluzioni.

Alcune reazioni di riduzione dell’ossidazione coinvolgono specie che sono poveri conduttori di elettricità, e quindi viene utilizzato un elettrodo che non partecipa alle reazioni. Frequentemente, l’elettrodo è platino, oro o grafite, che sono tutti inerti a molte reazioni chimiche. Uno di questi sistemi è mostrato in Figura \(\PageIndex{3}\). Il magnesio subisce ossidazione all’anodo a sinistra nella figura e gli ioni idrogeno subiscono una riduzione al catodo a destra. La reazione può essere riassunta come

La cella ha usato un filo di platino inerte per il catodo, quindi la notazione della cella è

L’elettrodo di magnesio è un elettrodo attivo perché partecipa alla reazione di riduzione dell’ossidazione. Gli elettrodi inerti, come l’elettrodo di platino in Figura \(\PageIndex{3}\), non partecipano alla reazione di riduzione dell’ossidazione e sono presenti in modo che la corrente possa fluire attraverso la cella. Il platino o l’oro generalmente fanno buoni elettrodi inerti perché sono chimicamente non reattivi.