Binetti VincenzoMerlanti Fabio

1.PILE

1.1 PILE: L’energia chimica si trasforma in energia elettrica

SEMICELLE SEMICELLE

ELETTRODIELETTRODI

1.2. Cosa avviene nella pila?

Cu ---> Cu2+ + 2 e-

(OSSIDAZIONE)

Ag+ + e- ---> Ag(RIDUZIONE)

2 Ag+ + Cu ---> Cu2+ + 2 Ag

ANODO (Polo NEGATIVO) ---> OssidazionePerde elettroni

Red 1 ---> Ox 1 + n e-

CATODO (Polo POSITIVO) ---> RiduzioneAcquista elettroni

Ox 2 + n e- ---> Red 2

Cu / Cu2+ || Ag + / Ag (Catodo a

destra)

RAME ARGENTO

- +

Anodo Catodo

Ossidazio

n

Ossidazio

n

eePerde elettro

ni

Riduzione

RiduzioneAcquista elettroni

Acquista elettroniPerde elettro

ni

Trattiene elettroni del

Cu +2(NO3 )

2Cede elettro

ni allo

ione della

soluzione Ag(NO 3)

Cu2+ NO3-

NO3-

Ag+Grazie al ponte

salinico va all’anione

Rimangono in soluzione

1.3. Qual è la funzione del ponte salino? IL RIEQUILIBRIO DELLE CARICHE

- E’ costituito da un tubo di vetro a U rovesciato, riempito di una soluzione di elettroliti ( NaNO3 o KCL);

- Gli ioni del ponte salino migrano in modo da neutralizzare le cariche che si vanno a formare nelle 2 celle;

- Nel caso precedente gli anioni NO3- si sposteranno verso l’anodo per bilanciare la carica positiva che qui si produce, mentre gli ioni Na+ (del ponte) si sposteranno verso il catodo per bilanciare l’eccesso di ioni negativi che si vanno accumulando.

1.4.POTENZIALE DI RIDUZIONEE’ la potenza in volt che una coppia ossido-riduttiva riesce

a fornire.

Una coppia Red-Ox ha un potenziale di riduzione alto quando prevale la tendenza della specie ossidata ad acquistare elettroni, mentre è basso quello di una coppia in cui prevale la tendenza della specie ridotta a cederli.

Non essendo possibile misurarlo in modo diretto per una coppia presa singolarmente, si supera il problema collegando due coppie in modo da ottenere una pila e misurando la differenza di potenziale (ddf).

1.5.DIFFERENZA DI POTENZIALE

La differenza di potenziale di una pila, in condizioni di corrente zero ( circuito aperto), prende il nome di forza elettromotrice (fem o E) e viene misurata in volt.

Per calcolare la ddf di un elettrodo vi è bisogno di un altro elettrodo di riferimento che abbia un valore definito e costante ---> L’ELETTRODO A IDROGENO

1.6.ELETTRODO A IDROGENOE’ costituito da un filo di platino ricoperto di

platino in polvere (platino platinato),

immerso in una soluzione di H+ 1 M e sul quale gorgoglia H2 gassoso alla pressione

di 1 atm.

Il valore convenzionale dell’elettrodo a

idrogeno è 0,000 V.

1.7.Potenziali di Riduzione standard

In una pila la coppia a potenziale più alto sottrae elettroni alla coppia a potenziale più

basso e funziona da catodo.

E = Ecatodo - Eanodo

1.8. L’evoluzione delle pileLa prima pila fu creata nel 1796 da A. Volta;

si trattava di una serie di dischi di rame e zinco impilati uno sull’altro e separati da cartone imbevuto di una soluzione di NaCl;

ANODO (si ossida) : Zn ---> Zn2 + 2 e-

CATODO (si riduce): 2 H+ + 2 e- ---> H2

(Rame solo conduttore )

Nel 1836 fu inventata la pila Daniell dall’omonimo chimico;

si trattava di una pila costituita da un elettrodo di rame immerso nella soluzione del suo catione (ione positivo), in collegamento

con un elettrodo di zinco, anch’esso immerso in una

soluzione del proprio catione.

ANODO:Zn ---> Zn2+ + 2 e-

CATODO:Cu2+ + 2 e- ---> Cu

PILA DANIELL

La pila a secco venne realizzata nel 1866 da G. Leclanchè. L’anodo è costituito da un contenitore di Zinco a contatto con MnO2, NH4Cl (cloruro di ammonio) e grafite, mentre il catodo è costituito da una barretta di grafite; Fornisce una ddp iniziale di circa 1,5 V, ma poi il voltaggio si abbassa per l’accumularsi di ammoniaca intorno alla grafite.Nelle pile alcaline ( che si ottengono usando KOH (idrossido di potassio) al posto di NH4Cl) il voltaggio si mantiene costante.

Sono proprio di tipo alcalino le pile a bottone (Pile Mallory); in esse l’anodo è costituito da polvere di Zn e KOH; il catodo (in acciaio) è costituito da HgO e grafite.

Le pile reversibili chiamate accumulatori sono quelle che possono essere ricaricate attraverso il passaggio di corrente continua; collegando i poli in senso opposto a quello della corrente prodotta dalla reazione spontanea, quindi il polo positivo con quello positivo e quello negativo analogamente.In un accumulatore al piombo l’anodo è costituito da piombo spugnoso e il catodo da polvere di PbO2 compressa in una griglia di piombo; il tutto immerso in una soluzione di acido solforico

REAZIONE DI SCARICA:

Pb + PbO2 + 2 So42- + 4H+ ---> 2PbSO4 +

2 H2O

REAZIONE DI RICARICA :

2PbSO4 + 2 H2O ---> Pb + PbO2 + 2 So42- +

4H+

Nel 1980 è stata inventata la pila NiMH, un accumulatore costituito da nichel e idruri metallici, per M si intende un composto intermetallico del tipo LaNi5.Ancora più recente è la costruzioni di nuovi accumulatori, per dispostivi più leggeri, nei quali il catodo è costituito da un ossido di litio e manganese , ed è accoppiato ad un anodo di grafite e litio a composizione variabile. Queste hanno voltaggio intorno a 3-4 V in base al tipo di ossido usato.

2.ELETTROLISI

L’Elettrolisi fu scoperta nel 1800:

- Nicholson – Carlisle- H. Davy

- M.Faraday ---> Teoria completa

M.Faraday

H.Davy

- Invertite le polarità ---> ANODO (POSITIVO), CATODO (NEGATIVO)- Cationi verso polo negativo (Catodo) ---> Si riducono (acqistano elettroni)- Anioni verso polo positivo (Anodo) ---> Si ossidano (perdono elettroni) PILA ELETTROLISI

CATODO ANODO CATODO ANODO

REAZIONE

Riduzione Ossidazione

Riduzione Ossidazione

SEGNO Positivo Negativo Negativo PositivoRiceve elettroni

dal circuito esterno

SI NO SI NO

Manda elettroni al circuito esterno NO SI NO SI

Elettroliti 1) 1) 1)Elettrolita Fuso (NaCl) 2)Soluzione Acquosa di NaCl 3)Soluzione Acquosa di Solfato di Sodio

2.1 NaCl (fuso)All’anodo:

2 Cl- ---> Cl2 + 2 e-

Al catodo: 2Na+ + 2 e- ---> 2 Na

Reazione completa 2NaCl ---> 2Na + Cl2

Soluzioni acquose

All’interno di soluzioni acquose sono presenti più specie chimiche, l’acqua e un sale in

soluzione, per stabilire quale specie si ossida o si riduce bisogna tener presente che: se più specie possono ridursi, si riduce quella con

potenziale di riduzione più alto. Se più specie possono ossidarsi si ossida quella con

potenziale di riduzione più basso

2.2.Soluzione acquosa di NaClConsideriamo 2 elettrodi di grafite all’interno di una soluzione di NaCl in

acqua:

Al catodo: possono ridursi sia l’acqua che il sodio, ma l’acqua ha potenziale di riduzione(-0.83 V) più alto di quello del sodio (- 2 ,73 V)

quindi si riduce l’H2O

 2 H2O + 2 e- ---> H2 + 2 OH-

 All’anodo: dovrebbe ossidarsi l’acqua visto il potenziale di riduzione più

basso del cloruro ma dato che produrrebbe ossigeno e che questo fa difficoltà a formarsi su un elettrodo di grafite viene favorito lo sviluppo

di cloro

2 Cl- ---> Cl2 + 2 e-

2.3.Soluzione acquosa di solfato di sodioAl catodo come nel caso precedente si riduce l’acqua

 2 H20 + 2 e- ---> H2 + 2 OH-

 All’anodo le specie ossidabili sono l’anione solfato e l’acqua,

nonostante l’acqua faccia difficoltà come prima a formare ossigeno su grafite ha un potenziale di riduzione nettamente inferiore (2.01

V del SO42- contro i 1.23 V dell’ H2O) dunque si ossida l’acqua

 2 H20 ---> O2 + 4 H+ + 4 e-

 La reazione complessiva è:

2 H2O ---> 2 H2 + O2

Leggi di Faraday 1.La massa delle sostanze prodotte a

ciascuno degli elettrodi è direttamente proporzionale alla quantità di elettricità che passa nella cella elettrolitica

2. 2.Le masse di sostanze diverse che si

scaricano agli elettrodi al passaggio di una stessa quantità di elettricità stanno tra di loro in un rapporto uguale a quello tra le rispettive masse equivalenti

Massa equivalente(ME)n

MMME

MM= massa molare n= numero di elettroni scambiati

La massa di una sostanza, pari alla massa equivalente, in grammi se si ossida o si riduce impegna una mole di elettroni

Quindi: 1,602 ∙ 10-19 C ∙ e-1 ∙ 6.022 ∙ 1023 e = 96485 C (Farady(F))

Tenendo conto che

Carica(coulomb) = Corrente(ampere) ∙ Tempo(secondi)

m= massa in grammi di sostanza i= intensità di corrente in ampere t= tempo in secondi

48596.MEti

m