Celle e semicelle elettrochimiche

Tali semicelle vengono poi collegate mediante una chiave elettrolitica. Viene utilizzato per consentire il flusso di elettroni e quindi per mantenere il contatto elettrico tra gli elettrodi. Schematicamente, la costruzione di una cella galvanica può essere descritta come segue: anodo | elettrolita anodico || elettrolita catodico | catodo In tali notazioni, le linee verticali indicano i limiti di fase e le linee doppie indicano la chiave elettrolitica. Inoltre, bisogna prestare attenzione all’ordine in cui si annotano i reagenti, iniziando sempre con la reazione di riduzione da sinistra, seguita poi dalla reazione di ossidazione.

Energia nella cellula

Nelle celle galvaniche, l’energia viene generata come risultato di reazioni chimiche spontanee. Un dispositivo con un’applicazione simile, ma in cui la reazione è forzata applicando una sorgente DC esterna, è l’elettrolizzatore. Come suggerisce il nome, conduce i processi di elettrolisi. Tutte le batterie disponibili sono celle galvaniche. Si tratta di celle a secco, celle al mercurio, batterie al nichel-cadmio, che vengono utilizzate per alimentare dispositivi elettrici. Le reazioni spontanee che avvengono al loro interno si verificano a causa dell’introduzione di opportune sostanze nel processo produttivo.

Le reazioni agli elettrodi

Durante il funzionamento della cella, i processi di ossidazione e riduzione avvengono sui singoli elettrodi. Gli elettroni liberati durante l’ossidazione, presenti in una singola semicella, fluiscono verso l’altra semicella, dove provocano una reazione di riduzione. L’elettrodo in corrispondenza del quale avviene la riduzione è detto catodo, mentre l’anodo è l’elettrodo in corrispondenza del quale avviene l’ossidazione. Visivamente, l’anodo ha sempre un segno meno e gli elettroni dall’anodo fluiscono al catodo con un segno positivo. Poiché la carica positiva corrisponde a un valore di potenziale maggiore, il catodo mostra un potenziale maggiore dell’anodo.

Mezze celle

Una semicella può essere composta da almeno due fasi. Uno di loro, l’elettrodo, conduce gli elettroni. Il secondo è responsabile della conducibilità ionica ed è presente sotto forma di elettrolita in soluzione o allo stato fuso. Al limite di queste fasi si ha una specifica disposizione di elettroni, ioni e dipoli determinata da interazioni elettrostatiche, talvolta anche combinate con l’adsorbimento di ioni e molecole di dipolo.

Semicelle di tipo I

Le semicelle di tipo I comprendono tutte le semicelle più comuni, che si formano a seguito dell’introduzione di un elettrodo metallico in una soluzione salina che contiene cationi dello stesso metallo. Esempi di tali sistemi sono: la semicella in zinco Zn ²⁺ |Zn e la semicella in rame Cu ²⁺ |Cu. Questo tipo di semicelle è noto anche come cationico-reversibile, perché la reazione mediata dal catione si equilibra sulla superficie dell’elettrodo. Le semicelle a gas appartengono alle semicelle di tipo I. In tali sistemi il gas è in equilibrio con i suoi ioni in presenza di un metallo chimicamente inerte. Il suo ruolo è quello di trasferire elettroni senza essere un reagente nella reazione. Tuttavia, può essere il suo catalizzatore. A tale scopo viene spesso utilizzato il platino. L’esempio più importante di semicella a gas è la semicella a idrogeno. Un flusso di idrogeno gassoso passa attraverso una soluzione acquosa contenente ioni H ⁺ . La notazione simbolica della semicella è la seguente: Pt | H ₂ (g) | H ⁺ (c) Questa è una semicella importante in un contesto di ricerca perché si presume che il suo potenziale standard sia pari a 0 V. Ciò è dovuto all’attività dell’idrogeno e degli ioni idrogeno pari a uno. Pertanto, l’elettrodo a idrogeno viene utilizzato come elettrodo di riferimento standard. I potenziali delle altre semicelle sono determinati in relazione al potenziale dell’elettrodo a idrogeno. È anche un elettrodo reversibile cationico. Al contrario, altri elettrodi gassosi possono stabilire un equilibrio con l’anione. Da qui il loro nome: elettrodi anionici reversibili. Tali semicelle includono ad esempio: Cl ₂ (g)|Cl ^– (c)

Semicelle di tipo II

Il prossimo tipo di semicelle ha una struttura composta da metallo, che è ricoperto da uno strato poroso di un sale scarsamente solubile di questo metallo. Tale sistema è immerso in una soluzione di un sale altamente solubile avente lo stesso anione del sale scarsamente solubile. Questo schema è indicato come: metallo | sale poco solubile | anione comune, es: Ag | AgCl | Cl ^– Questi sono elettrodi reversibili anionici comuni e il loro potenziale dipende dall’attività di questi ioni, in questo caso cloruro. A causa del fatto che gli elettrodi di tipo II sono caratterizzati da reversibilità, durata e potenziale costante, vengono spesso utilizzati come elettrodi di riferimento quando si misurano i potenziali di altre semicelle. Due di questi sono i più comunemente usati per questo scopo: il già citato elettrodo al cloruro d’argento e l’elettrodo al calomelano fatto di mercurio ricoperto di pasta di calomelano con una miscela di mercurio immerso in una soluzione contenente anioni di cloruro: Hg | _{Hg2Cl2 |} Cl ^–

Semicelle redox

Nonostante il nome un po’ fuorviante, poiché tutte le semicelle sono caratterizzate da reazioni redox, questo gruppo è riservato alle semicelle in cui un metallo chimicamente inattivo (Pt, Au) è immerso in una soluzione contenente una sostanza sia in forma ossidata che ridotta . Un esempio è la semicella di chinidrone, costituita da un elettrodo di platino immerso in una soluzione di chinidrone. Tale soluzione contiene lo stesso numero di moli di chinone e idrochinone.

Tipi di cellule

Le celle più semplici sono costituite da semicelle aventi lo stesso elettrolita. Tuttavia, ci sono anche quelli in cui le singole semicelle contengono soluzioni diverse. Un esempio di tale cella è la cella Daniell, il cui schema può essere notato come segue: Zn | Zn ²⁺ || Cu ²⁺ | Cu L’anodo è costituito da un elettrodo di zinco immerso in una soluzione acquosa di solfato di zinco, mentre l’anodo è un elettrodo di rame immerso in una soluzione acquosa di solfato di rame . Entrambe le semicelle sono collegate con una chiave elettrolitica e non sono a diretto contatto tra loro. Le cellule possono essere suddivise in celle chimiche e celle di concentrazione. Nelle celle chimiche, il processo spontaneo è una reazione di ossidoriduzione, in cui l’energia di una reazione chimica viene convertita in energia elettrica. Le celle a concentrazione sono caratterizzate dall’utilizzo degli stessi elettrodi ed elettroliti di diversa concentrazione. Dopo che tali semicelle sono state cortocircuitate, si verifica un processo spontaneo per equalizzare le concentrazioni. Il processo è la fonte del lavoro elettrico. Esistono anche celle di concentrazione degli elettrodi in cui gli elettrodi gassosi differiscono in concentrazione l’uno dall’altro, ad esempio elettrodi gassosi che differiscono nella pressione del gas. Questi possono anche essere elettrodi di amalgama con diverse concentrazioni di amalgama.