Serie elettrochimica

Spiegazione della serie elettrochimica

All'inizio, abbiamo espresso l'idea che alcuni elementi sono più propensi di altri a cedere i propri elettroni. Si tratta di un principio fondamentale della chimica, alla base di tutte le reazioni redox. Per approfondire questo aspetto, dobbiamo esaminare la serie elettrochimica. Ma prima è necessario avere qualche nozione di base. Per questo, inizieremo a definire le semicelle, le celle elettrochimiche e il potenziale elettrodico standard.

Semicelle

Immagina di mettere una barretta di zinco in una soluzione di ioni di zinco. Alla fine si forma un equilibrio, in cui alcuni atomi di zinco cedono i loro elettroni per formare ioni di zinco. Ecco l'equazione. Noterai che è convenzionale scrivere gli ioni e gli elettroni sul lato sinistro e l'atomo di metallo sul lato destro:

Zn₂ + 2e- ⇌ Zn(s)

Gli ioni di zinco si spostano in soluzione, mentre gli elettroni rilasciati si raccolgono sulla barra, conferendole una carica negativa. Si crea così una differenza di potenziale tra la barra di zinco e la soluzione di ioni di zinco, nota come potenziale dell'elettrodo. L'esatta posizione di questo equilibrio e l'esatta differenza di potenziale del sistema dipendono dalla reattività dello zinco e dalla facilità con cui cede i suoi elettroni.

Ora, considera cosa accadrebbe se mettessi una barra di rame in una soluzione di ioni di rame. Alcuni atomi di rame reagiscono, cedendo i loro elettroni per formare ioni di rame. Anche in questo caso, alla fine si formerà un equilibrio. Ma il rame è meno reattivo dello zinco e non è così bravo a cedere i suoi elettroni - possiamo dire che il rame è un agente riducente peggiore. Ciò significa che la differenza di potenziale di questo sistema di rame è meno negativa della differenza di potenziale del sistema di zinco. Il sistema creato mettendo un metallo in una soluzione dei suoi stessi ioni viene chiamato "semicella".

Celle elettrochimiche

Infine, pensa a cosa succederebbe se unissi la semicella di zinco e quella di rame con un filo e un ponte salino. Lo zinco è un agente riducente migliore del rame: è più reattivo e cede più facilmente i suoi elettroni. Ciò significa che ha una differenza di potenziale più negativa rispetto al rame. Si crea una differenza di potenziale complessiva tra le due celle, che possiamo anche chiamare potenziale elettrodico, che mostra la differenza nella facilità con cui i due metalli cedono i loro elettroni. La differenza di potenziale viene misurata da un voltmetro collegato al sistema.

La combinazione di due semicelle è nota come cella elettrochimica. Si basa su semplici reazioni di ossidoriduzione. Poiché lo zinco ha una differenza di potenziale più negativa rispetto al rame, c'è un maggiore accumulo di elettroni sulla barra di zinco. Se permettiamo a questi elettroni di fluire, essi viaggeranno attraverso il filo dallo zinco, migliore agente riducente, al rame, peggiore agente riducente. Nel frattempo, gli ioni positivi della soluzione attraverseranno il ponte salino nella stessa direzione per bilanciare la carica. Gli atomi di zinco si trasformano in ioni di zinco, perdendo elettroni; gli ioni di rame si trasformano in atomi di rame, guadagnando elettroni. Ecco le due equazioni:

All'elettrodo di zinco: Zn(s) → Zn²⁺(aq) + 2e- All'elettrodo di rame: Cu²⁺(aq) + 2e- → Cu(s)

Potenziale elettrodico standard

Sappiamo che se si mette un metallo in soluzione, si forma un equilibrio di atomi e ioni metallici. Questo crea una differenza di potenziale, il cui valore dipende dalla posizione dell'equilibrio. Non possiamo misurare direttamente la differenza di potenziale generata da una singola semicella. Tuttavia, possiamo misurare la differenza di potenziale generata quando si collegano due semicelle in una cella elettrochimica. Se registriamo le differenze di potenziale generate collegando un'intera gamma di semicelle diverse a una particolare semicella di riferimento, possiamo creare una tabella che confronta questi valori e quindi classificare i metalli dal più reattivo (il miglior agente riducente) al meno reattivo (il peggior agente riducente).

In effetti, gli scienziati lo hanno fatto. La semicella di riferimento utilizzata è l'elettrodo a idrogeno. La differenza di potenziale tra una semicella e l'elettrodo a idrogeno di riferimento in condizioni standard viene chiamata potenziale elettrodico standard della cella. Si tratta di una misura della capacità riducente dell'elemento.

Rappresentazione dei potenziali elettrodici standard

Rappresentiamo i potenziali elettrodici standard (E°) utilizzando mezze equazioni che coinvolgono l'elemento e i suoi ioni. Si noti quanto segue:

• Sebbene abbiamo sottolineato come i potenziali elettrodici standard indichino la facilità con cui un elemento cede i suoi elettroni, essi sono scritti come potenziali di riduzione, ovvero la facilità con cui uno ione guadagna elettroni. Ciò significa che scriviamo gli ioni e gli elettroni sul lato sinistro e l'elemento combinato sul lato destro.
• L'idrogeno ha sempre un valore pari a zero, in quanto è lo standard con cui si misurano tutti gli altri potenziali elettrodici.
• Un potenziale elettrodico più negativo significa che l'elemento è più propenso a cedere i suoi elettroni. È un agente riducente migliore e si ossida più facilmente.
• Un potenziale elettrodico più positivo significa che l'elemento è meno propenso a cedere i suoi elettroni. È un agente riducente peggiore e si ossida meno facilmente.

Ecco il potenziale elettrodico standard per lo zinco, Zn:

Zn²⁺(aq) + 2e- → Zn(s) E° = -0.76 V

Il valore standard del potenziale dell'elettrodo è negativo. Ciò significa che lo zinco è un agente riducente migliore dell'idrogeno e si ossida più facilmente.

Serie elettrochimica

L'accumulo dei potenziali elettrodici standard dei diversi elementi crea la serie elettrochimica.

La serie elettrochimica è alla base di tutti i tipi di celle a combustibile e batterie moderne. Ma prima di esaminare queste applicazioni, diamo un'occhiata alla serie elettrochimica stessa sotto forma di tabella.

Tabella serie elettrochimica

Il momento che stavate aspettando: ecco una tabella riassuntiva della serie elettrochimica. La tabella mostra le diverse semicelle con i corrispondenti potenziali elettrodici standard.

Applicazioni serie elettrochimica

Abbiamo imparato a conoscere la serie elettrochimica. Ora consideriamo alcune delle sue applicazioni.

• La combinazione di due semicelle con potenziali elettrodici diversi crea una cella elettrochimica. Possiamo usarla per generare elettricità. Per questo motivo, la serie elettrochimica è alla base delle celle a combustibile e delle batterie.
• Possiamo anche utilizzare i potenziali degli elettrodi per calcolare il potenziale complessivo di una cella elettrochimica.
• Inoltre, la serie elettrochimica ci permette di prevedere la direzione di una reazione redox e di prevedere se possono verificarsi reazioni di sproporzione. In generale, gli elettroni viaggiano da una specie con potenziale elettrodico standard più negativo a una specie con potenziale elettrodico standard più positivo.
• Possiamo anche usarlo per identificare gli agenti ossidanti e riducenti forti e deboli. In generale, le specie con potenziale elettrodico negativo sono buoni agenti riducenti e tendono a perdere elettroni.