Celle voltaiche/galvaniche

Reazioni chimiche spontanee

Le reazioni redox spontanee si verificano in abbondanza in natura. La reazione chimica che si verifica in una batteria AA usa e getta che alimenta i nostri telecomandi è un esempio di reazione redox spontanea. Un altro esempio è l'immersione del filo di rame avvolto in una soluzione acquosa di nitrato d'argento. La reazione mostra un cambiamento di colore graduale e visivamente impressionante da incolore a blu brillante e la formazione di un precipitato grigio sul filo di rame. In questo esperimento, il rame subisce un'ossidazione per formare ioni rameosi, che rendono la soluzione blu, mentre gli ioni d'argento vengono ridotti per formare un precipitato d'argento sul filo.

La reazione può essere così riassunta:

Qui avviene un trasferimento diretto e spontaneo di elettroni dal filo di rame agli ioni d'argento acquosi.

Celle elettrochimiche e celle galvaniche

Supponiamo che un dispositivo contenga tutti i reagenti e i prodotti di un sistema redox ma che impedisca il contatto fisico tra i reagenti. Pertanto viene impedito il trasferimento diretto degli elettroni; avviene invece indirettamente attraverso un circuito esterno che contatta i reagenti separati. I dispositivi di questo tipo vengono generalmente definiti celle elettrochimiche.

Una cella elettrochimica è uno strumento in cui una corrente elettrica viene generata da una reazione redox senza contatto diretto tra gli atomi reagenti. Le celle elettrochimiche nelle quali si crea corrente per una reazione redox spontanea sono dette celle galvaniche o voltaiche (dal nome di Luigi Galvani e Alessandro Volta).

Componenti di una cella galvanica

Una cella galvanica basata sulla reazione spontanea tra rame e argento(I) è illustrata nella Figura 1. Una tipica cella galvanica è costituita da due semicelle, ciascuna contenente una coppia coniugata redox, o coppia, di un singolo reagente. La semicella a sinistra contiene la coppia Cu(0)/Cu(II) sotto forma di un foglio di rame solido e una soluzione acquosa di nitrato di rame. La semicella destra contiene la coppia Ag(I)/Ag(0) sotto forma di lamina d'argento solido e una soluzione acquosa di nitrato d'argento. Un circuito esterno è collegato a ciascuna semicella in corrispondenza della sua lamina solida, il che significa che la lamina di Cu e quella di Ag funzionano ciascuna come un elettrodo. La reazione avviene nell'interfaccia tra ciascuna miscela di reazione di semicella e il rispettivo elettrodo. L'anodo è l'elettrodo su cui avviene l'ossidazione e porta una carica negativa, mentre il catodo è l'elettrodo su cui avviene la riduzione e porta una carica positiva.

Le due semicelle sono collegate da un ponte salino, che è un tubo a U rovesciato contenente un gel o una pasta di un elettrolita inerte come il cloruro di potassio o il nitrato di ammonio. Il ponte salino aiuta a mantenere separate le miscele di reazione garantendo al contempo l’equilibrio di carica della reazione. La reazione spontanea in questa cella produce cationi Cu^2+ nella semicella anodica e consuma ioni Ag^+ nella semicella catodica, determinando un flusso compensatorio di ioni inerti dal ponte salino che mantiene l'equilibrio di carica. Il ponte salino fornisce un flusso di ioni inerti, garantendo che la reazione continui neutralizzando l'accumulo di ioni positivi e negativi sull'anodo e sul catodo. Pertanto, le crescenti concentrazioni di Cu^2+ nella semicella dell’anodo sono bilanciate da un afflusso di NO^3− dal ponte salino, mentre un flusso di Na^+ nella semicella del catodo compensa la diminuzione della concentrazione di Ag^+.

Figura 1: Una cella galvanica basata sulla reazione spontanea tra ioni rame e argento(I).

Rappresentazione di una cella galvanica utilizzando schemi di cella o notazioni di cella

La cella galvanica è rappresentata simbolicamente utilizzando schemi o notazioni di cella.

1. Negli schemi di cella, tutte le interfacce tra le fasi dei componenti sono rappresentate da linee parallele verticali.
2. Se esistono due o più componenti nella stessa fase, nella rappresentazione vengono separati tramite virgole.
3. L'anodo è rappresentato a sinistra dello schema e il catodo a destra.
4. Una doppia linea verticale indica un ponte salino o una partizione porosa tra le due semireazioni.
5. Per convenzione, lo schema inizia con l'anodo e procede da sinistra a destra, identificando le fasi e le interfacce incontrate all'interno della cella, terminando con il catodo.

Ad esempio, la cella galvanica di cui sopra è costituita da un anodo di rame solido immerso in un nitrato di rame (II) acquoso collegato tramite un ponte salino a una soluzione acquosa di nitrato di argento (I) immersa nella quale si trova un catodo di argento solido. Convertendo questa affermazione in simbolismo seguendo le linee guida sopra riportate si ottiene lo schema della cella:

Questo testo è adattato da Openstax, Chemistry 2e,17.2 Galvanic Cells.