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1Valitutti,Tifi, Gentile, Esploriamo la chimica © Zanichelli editore 2010.

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1 1Valitutti,Tifi, Gentile, Esploriamo la chimica © Zanichelli editore 2010

2 Valitutti, Tifi, Gentile Esploriamo la chimica Seconda edizione di Chimica: molecole in movimento

3 3 Capitolo 18 Le ossido-riduzioni e lelettrochimica 1.Ossidazione e riduzione: che cosa sono e come si riconoscono 2.Come si bilanciano le reazioni di ossido-riduzione 3.Reazioni redox spontanee e non spontanee Valitutti,Tifi, Gentile, Esploriamo la chimica © Zanichelli editore 2010

4 4 Capitolo 18 Le ossido-riduzioni e lelettrochimica 4.Le pile 5.La scala dei potenziali standard di riduzione 6.La corrosione 7.Lelettrolisi e la cella elettrolitica Valitutti,Tifi, Gentile, Esploriamo la chimica © Zanichelli editore 2010

5 5 Capitolo 18 Le ossidoriduzioni e lelettrochimica 8.Le leggi di Faraday 9.Le pile in commercio Valitutti,Tifi, Gentile, Esploriamo la chimica © Zanichelli editore 2010

6 6 1. Ossidazioni e riduzioni: che cosa sono e come si riconoscono Tutte le reazioni in cui si verifica un passaggio di elettroni da una specie chimica a unaltra sono chiamate reazioni di ossido-riduzione o reazioni redox.

7 7Valitutti,Tifi, Gentile, Esploriamo la chimica © Zanichelli editore Ossidazioni e riduzioni: che cosa sono e come si riconoscono Lossidazione provoca un aumento del numero di ossidazione di una specie. La riduzione provoca la diminuzione del numero di ossidazione di una specie.

8 8Valitutti,Tifi, Gentile, Esploriamo la chimica © Zanichelli editore Ossidazioni e riduzioni: che cosa sono e come si riconoscono I processi di ossidazione e riduzione avvengono contemporaneamente; in una reazione di ossido- riduzione variano i numeri di ossidazione delle specie coinvolte.

9 9Valitutti,Tifi, Gentile, Esploriamo la chimica © Zanichelli editore Ossidazioni e riduzioni: che cosa sono e come si riconoscono La specie che si ossida è un agente riducente perché ossidandosi induce la riduzione dellaltra specie.

10 10Valitutti,Tifi, Gentile, Esploriamo la chimica © Zanichelli editore Ossidazioni e riduzioni: che cosa sono e come si riconoscono La specie che si riduce è un agente ossidante perché riducendosi induce lossidazione dellaltra specie.

11 11Valitutti,Tifi, Gentile, Esploriamo la chimica © Zanichelli editore Come si bilanciano le reazioni di ossido-riduzione Metodo ionico-elettronico 1. Si individuano la specie che si ossida e la specie che si riduce. 2. Si scrivono le semireazioni. 3. Si bilanciano le masse tenendo conto che in ambiente acido (basico) gli atomi di ossigeno si bilanciano con molecole di H 2 O (OH – ) e gli atomi di idrogeno con gli ioni H + (molecole di H 2 O).

12 12Valitutti,Tifi, Gentile, Esploriamo la chimica © Zanichelli editore Come si bilanciano le reazioni di ossido-riduzione 4.Si bilanciano le cariche elettriche delle semireazioni, aggiungendo o togliendo elettroni a seconda che le specie si riducano o si ossidino. 5.Si sommano membro a membro le specie delle semireazioni.

13 13Valitutti,Tifi, Gentile, Esploriamo la chimica © Zanichelli editore Reazioni redox spontanee e non spontanee A temperatura ambiente, la reazione redox tra zinco metallico e solfato di rame in soluzione acquosa è praticamente completa.

14 14Valitutti,Tifi, Gentile, Esploriamo la chimica © Zanichelli editore Reazioni redox spontanee e non spontanee A temperatura ambiente, la reazione tra rame metallico e ioni Zn 2+ è non spontanea.

15 15Valitutti,Tifi, Gentile, Esploriamo la chimica © Zanichelli editore Le pile Una pila ospita una reazione redox spontanea e converte energia chimica in energia elettrica.

16 16Valitutti,Tifi, Gentile, Esploriamo la chimica © Zanichelli editore Le pile La pila Daniell è costituita da una semicella in cui una lamina di Zn (elettrodo) è immersa in una soluzione di ZnSO 4 1 M; una semicella in cui una lamina di Cu (elettrodo) è immersa in una soluzione di CuSO 4 1 M; un filo metallico che collega i due elettrodi.

17 17Valitutti,Tifi, Gentile, Esploriamo la chimica © Zanichelli editore Le pile un misuratore di corrente inserito nel filo; un ponte salino che chiude il circuito mettendo in contatto tra loro le due soluzioni senza che si mescolino.

18 18Valitutti,Tifi, Gentile, Esploriamo la chimica © Zanichelli editore Le pile

19 19Valitutti,Tifi, Gentile, Esploriamo la chimica © Zanichelli editore Le pile Una volta collegate le parti della pila, gli elettroni incominciano a passare attraverso il filo trasferendosi dallelettrodo sede dellossidazione, allelettrodo sede della riduzione.

20 20Valitutti,Tifi, Gentile, Esploriamo la chimica © Zanichelli editore Le pile Contemporaneamente, gli ioni trasportano la carica attraverso la soluzione elettrolitica: i cationi migrano verso la semicella della riduzione; gli anioni migrano verso la semicella dellossidazione.

21 21Valitutti,Tifi, Gentile, Esploriamo la chimica © Zanichelli editore Le pile Lelettrodo a cui avviene lossidazione prende il nome di anodo. Lelettrodo a cui avviene la riduzione prende il nome di catodo.

22 22Valitutti,Tifi, Gentile, Esploriamo la chimica © Zanichelli editore Le pile Il voltaggio di una pila o di una batteria è la differenza di potenziale (d.d.p.), misurata in volt (V), fra i due elettrodi.

23 23Valitutti,Tifi, Gentile, Esploriamo la chimica © Zanichelli editore La scala dei potenziali standard di riduzione La differenza di potenziale o forza elettromotrice (fem) di una pila è il valore, sempre positivo, della differenza di potenziale del catodo e il potenziale dellanodo fem = E catodo – E anodo

24 24Valitutti,Tifi, Gentile, Esploriamo la chimica © Zanichelli editore La scala dei potenziali standard di riduzione Utilizzando come riferimento lelettrodo a idrogeno, si ricava la scala dei potenziali standard di riduzione (E°).

25 25Valitutti,Tifi, Gentile, Esploriamo la chimica © Zanichelli editore La scala dei potenziali standard di riduzione Il potenziale standard di riduzione E° di una coppia redox è il potenziale che la corrispondente semicella, in condizioni standard, assume quando è abbinata a un elettrodo standard a idrogeno.

26 26Valitutti,Tifi, Gentile, Esploriamo la chimica © Zanichelli editore La scala dei potenziali standard di riduzione Le condizioni standard nelle misure elettrochimiche sono tutte le soluzioni sono 1 M; tutti i gas hanno la pressione parziale di 1 bar; la temperatura a cui si effettuano le misurazioni è 25 °C.

27 27Valitutti,Tifi, Gentile, Esploriamo la chimica © Zanichelli editore La scala dei potenziali standard di riduzione La tabella dei potenziali standard di riduzione, quindi, permette di prevedere la polarità di una pila e di scrivere la redox spontanea che avviene.

28 28Valitutti,Tifi, Gentile, Esploriamo la chimica © Zanichelli editore La scala dei potenziali standard di riduzione Le reazioni sono spontanee quando la variazione di energia libera ΔG è negativa. La diminuzione di energia libera standard ΔG° di una redox spontanea corrisponde al massimo lavoro elettrico prodotto dalla pila in cui avviene la reazione considerata.

29 29Valitutti,Tifi, Gentile, Esploriamo la chimica © Zanichelli editore La scala dei potenziali standard di riduzione Per le redox più semplici si deduce quale reazione è spontanea basandosi sullelettronegatività degli elementi il meno elettronegativo è il donatore di elettroni (catodo); il più elettronegativo è laccettore di elettroni (anodo).

30 30Valitutti,Tifi, Gentile, Esploriamo la chimica © Zanichelli editore La corrosione La corrosione del ferro può essere schematizzato come la formazione di una cella elettrochimica tra il ferro e lossigeno dellaria umida.

31 31Valitutti,Tifi, Gentile, Esploriamo la chimica © Zanichelli editore La corrosione Metodo della protezione catodica si collega ciò che si vuole proteggere con una barra di materiale con E° minore del ferro (Mg o Zn); lanodo è la barra di Zn (o di Mg); il catodo è loggetto di ferro; lo Zn ossidandosi produce elettroni che migrano verso il catodo, proteggendolo dalla corrosione.

32 32Valitutti,Tifi, Gentile, Esploriamo la chimica © Zanichelli editore Lelettrolisi e la cella elettrolitica Una cella elettrolitica ospita una reazione una redox non spontanea e converte energia elettrica in energia chimica.

33 33Valitutti,Tifi, Gentile, Esploriamo la chimica © Zanichelli editore Lelettrolisi e la cella elettrolitica Se si oppone a una pila Daniell un generatore di corrente continua, si forza in senso opposto la reazione redox della pila. In questo modo, la riduzione continua ad avvenire al catodo e lossidazione allanodo, ma i segni degli elettrodi sono invertiti rispetto alla pila, perché si inverte la reazione redox.

34 34Valitutti,Tifi, Gentile, Esploriamo la chimica © Zanichelli editore Lelettrolisi e la cella elettrolitica

35 35Valitutti,Tifi, Gentile, Esploriamo la chimica © Zanichelli editore Lelettrolisi e la cella elettrolitica Lelettrolisi è linsieme dei fenomeni che hanno luogo nella cella per effetto del passaggio della corrente continua fornita da una sorgente esterna

36 36Valitutti,Tifi, Gentile, Esploriamo la chimica © Zanichelli editore Lelettrolisi e la cella elettrolitica

37 37Valitutti,Tifi, Gentile, Esploriamo la chimica © Zanichelli editore Lelettrolisi e la cella elettrolitica Lelettrolisi si può applicare ai sali e agli ossidi allo stato fuso e alle soluzioni acquose di alcuni sali.

38 38Valitutti,Tifi, Gentile, Esploriamo la chimica © Zanichelli editore Lelettrolisi e la cella elettrolitica Al catodo di una cella elettrolitica si riduce la specie che possiede il valore di potenziale E° più grande.

39 39Valitutti,Tifi, Gentile, Esploriamo la chimica © Zanichelli editore Lelettrolisi e la cella elettrolitica Allanodo di una cella elettrolitica si ossida la specie che possiede il valore di potenziale E° più piccolo.

40 40Valitutti,Tifi, Gentile, Esploriamo la chimica © Zanichelli editore Lelettrolisi e la cella elettrolitica Lelettrolisi dellacqua porta alla formazione di idrogeno gassoso al catodo (-) e di ossigeno gassoso allanodo (+).

41 41Valitutti,Tifi, Gentile, Esploriamo la chimica © Zanichelli editore Le leggi di Faraday Le leggi di Faraday permettono di capire il rapporto tra la quantità di corrente Q che passa in una cella elettrolitica e la massa m di sostanza che si forma agli elettrodi.

42 42Valitutti,Tifi, Gentile, Esploriamo la chimica © Zanichelli editore Le leggi di Faraday La quantità di carica elettrica si determina misurando lintensità di corrente che fluisce e la durata del flusso. 1 coulomb = 1 ampere secondo 1 C = 1 A s

43 43Valitutti,Tifi, Gentile, Esploriamo la chimica © Zanichelli editore Le leggi di Faraday Prima legge di Faraday La massa di sostanza che si libera a un elettrodo è direttamente proporzionale alla quantità di carica che giunge allelettrodo.

44 44Valitutti,Tifi, Gentile, Esploriamo la chimica © Zanichelli editore Le leggi di Faraday Seconda legge di Faraday Se una stessa quantità di corrente attraversa celle elettrolitiche contenenti soluzioni diverse, le masse delle sostanze depositate agli elettrodi sono direttamente proporzionali ai rispettivi equivalenti elettrochimici.

45 45Valitutti,Tifi, Gentile, Esploriamo la chimica © Zanichelli editore Le leggi di Faraday La quantità di carica di 1 faraday (1 F) fa depositare sullelettrodo un equivalente di sostanza.

46 46Valitutti,Tifi, Gentile, Esploriamo la chimica © Zanichelli editore Le pile in commercio Le pile a secco o alcaline hanno spesso come agente riducente lo zinco e come agente ossidante il diossido di manganese; la differenza di potenziale di questa pila è 1,5 V.

47 47Valitutti,Tifi, Gentile, Esploriamo la chimica © Zanichelli editore Le pile in commercio Unaltra versione di pila a secco è la pila a bottone, detta anche pila a mercurio perché lelettrodo positivo è costituito da HgO.

48 48Valitutti,Tifi, Gentile, Esploriamo la chimica © Zanichelli editore Le pile in commercio Gli accumulatori sono dispositivi che possono essere ricaricati; sono caratterizzati da reazioni reversibili. Laccumulatore al piombo funziona in base alla reazione:

49 49Valitutti,Tifi, Gentile, Esploriamo la chimica © Zanichelli editore Le pile in commercio Nella batteria al litio: il catodo è costituito da LiCoO 2, mentre lanodo è di grafite cristallina; durante la carica, al catodo, Li + si riduce a LiO; durante la scarica, allanodo, LiO si ossida a Li +.

50 50Valitutti,Tifi, Gentile, Esploriamo la chimica © Zanichelli editore Le pile in commercio


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