Celle elettrolitiche

elettrochimica

L'elettrochimica è una branca della chimica che descrive e misura la relazione tra l'energia elettrica e un cambiamento chimico. Le reazioni elettrochimiche coinvolgono il movimento di elettroni da una specie all'altra. Se la reazione è spontanea, può provocare la generazione di una corrente. Se la reazione non è spontanea, può essere guidata dall'applicazione di corrente.

In elettrochimica, la reazione chiave è la reazione di ossidoriduzione, chiamata reazione redox. La reazione redox è composta da due semireazioni; ossidazione, in cui una sostanza nota come agente riducente perde elettroni, e riduzione, in cui una sostanza nota come agente ossidante guadagna elettroni. Le reazioni redox avvengono sempre in coppia e modificano gli stati di ossidazione degli atomi nelle molecole coinvolte. Un modo semplice per ricordare questa relazione è attraverso l'OIL-RIG pneumatico: Oxidation Is Losing – Reduction Is Gaining.

Celle elettrochimiche

Una cella elettrochimica viene utilizzata per misurare o indurre reazioni elettrochimiche. È costituito da diversi componenti: una camera contenente la soluzione di reazione, due elettrodi conduttivi, una soluzione elettrolitica conduttiva e un circuito esterno. Esistono due tipi di celle elettrochimiche. Una è la cella elettrolitica, che utilizza l'energia elettrica per guidare una reazione non spontanea. In questo tipo di cella, l'energia elettrica viene fornita da una fonte di alimentazione esterna.

L'altro tipo di cella è la cella galvanica, che utilizza una reazione elettrochimica spontanea per generare energia elettrica. I due elettrodi sono chiamati anodo e catodo e sono collegati da un circuito esterno. La camera di reazione è riempita con un elettrolita, che favorisce il passaggio degli ioni tra gli elettrodi. In una cella galvanica, un ponte salino completa il circuito consentendo il flusso di ioni tra le soluzioni elettrolitiche contenenti gli elettrodi. In una cella elettrolitica, non c'è ponte salino poiché gli elettrodi si trovano tipicamente nella stessa soluzione elettrolitica.

La reazione di riduzione avviene a livello del catodo, mentre la reazione di ossidazione avviene a livello dell'anodo. Questo è ricordato usando il mnemonico "Gatto Rosso", che significa che l'uction rossasi verifica allo zoccolo del gatto.

Celle elettrolitiche

Le celle elettrolitiche hanno tipicamente una camera di reazione, che contiene la soluzione elettrolitica. L'elettrolita è solitamente una soluzione acquosa contenente ioni o sali disciolti. Gli ioni nell'elettrolita promuovono il movimento di ioni ed elettroni attraverso la soluzione.

Quando viene applicata una tensione esterna, gli ioni nell'elettrolita vengono attratti dall'elettrodo con la carica opposta. È qui che si verificano le due semireazioni. L'anodo perde elettroni durante l'ossidazione, mentre il catodo guadagna elettroni durante la riduzione.

La galvanica è un processo che utilizza una cella elettrolitica. La galvanica è un processo in cui un metallo viene depositato sulla superficie di un elettrodo, in genere un altro metallo. Lo scienziato britannico Michael Faraday, da cui prende il nome la costante di Faraday, ha dimostrato la relazione molare tra lo ione carico galvanico e la corrente elettrica. Osservando la semireazione specifica per l'argento:

Ag⁺ + 1e^- → Ag

Ci vuole una mole di elettroni, alimentata da una corrente esterna, per ridurre una mole di cationi d'argento in argento massiccio. Pertanto, la stechiometria a semireazione può determinare la quantità di materiale galvanico utilizzato per una quantità nota di elettroni. Ricordiamo che l'elettricità non si misura in base alle moli degli elettroni ma piuttosto in coulomb, dal nome dell'ingegnere francese Charles-Augustin de Coulomb. Un coulomb è la quantità di elettricità che passa attraverso un circuito elettrico con 1 ampere di corrente in un intervallo di 1 secondo, che si basa sul principio della carica elementare, o la carica trasportata da un singolo elettrone. La scoperta di Faraday può quindi mettere in relazione la corrente elettrica con il numero di moli placcate dal catione galvanico:

F = eN_A

F è la costante di Faraday, e è la carica elementare espressa in coulomb e N_A è il numero di Avogadro. Pertanto, la costante di Faraday è espressa come il numero di coulomb per mole e ha un valore di 96485 coulomb per mole. Come possiamo determinare il numero di moli di elettroni trasferiti all'anodo in base alla corrente? Utilizzando la carica elettrica Q e la definizione di un coulomb:

La carica elettrica è uguale alla corrente in ampere (I) moltiplicata per il tempo in secondi in cui la corrente è stata lasciata fluire. Dividendo Q per la costante di Faraday, che ha le unità di coulomb per mole:

Questa equazione ci permette di calcolare il numero di moli di elettroni e quindi di determinare quanto del catione galvanico è stato ridotto.

Nella galvanica, il metallo comprende le piastre anodiche, o copre, il catodo in un sottile strato di metallo. La quantità di metallo placcato dipende dalla quantità di corrente applicata e dal numero di moli del catione galvanico disponibile. Una fonte di alimentazione esterna, come una batteria, induce il flusso di elettroni dall'anodo al catodo e dal terminale positivo al terminale negativo della batteria.

Ad esempio, si consideri una cella elettrolitica con un elettrodo di rame, una chiave di ottone che funge da secondo elettrodo e una soluzione acquosa di solfato di rame come elettrolita. Qui, il rame dell'elettrolita e l'elettrodo di rame vengono placcati sulla chiave di ottone.

Affinché il rame metallico si depositi sulla chiavetta in ottone, l'elettrodo di rame solido deve essere ossidato per formare ioni di rame. Quindi, i cationi di rame provenienti sia dall'elettrodo che dall'elettrolita vengono ridotti dalla soluzione per formare rame solido sulla chiave di ottone.

Cu²⁺ + 2e^- → Cu_(s)

Gli elettroni per la reazione vengono ricevuti dal terminale negativo della batteria. Pertanto, la reazione di riduzione avviene alla chiave di ottone, mentre la reazione di ossidazione avviene all'elettrodo di rame. La soluzione concentrata e acidificata di solfato di rame aumenta la solubilità; Pertanto, maggiore è la concentrazione della soluzione, minore è la resistenza e maggiore è la corrente. A sua volta, una corrente più elevata consente una maggiore placcatura degli ioni di rame sulla chiave di ottone.

Alcuni metalli hanno una tendenza maggiore di altri a perdere elettroni. Il potenziale elettrodico standard (E°) di una sostanza è la misura della tendenza di una sostanza a perdere elettroni. Il metallo con il più alto potenziale di riduzione ha la più alta tendenza a perdere elettroni; quindi, viene prima galvanizzato.

referenze

1. Kotz, J.C., Treichel Jr, P.M., Townsend, J.R. (2012). Chimica e reattività chimica. Belmont, CA: Brooks/Cole, Cengage Learning.
2. Silberberg, M.S. (2009). Chimica: la natura molecolare della materia e il cambiamento. Boston, MA: McGraw Hill.