Proprietà elettrolitiche
Quando gli elettrodi sono posti in una soluzione elettrolitica e viene applicata una tensione, l’elettrolita conduce elettricità.
Obiettivi di apprendimento
Utilizzare una tabella di potenziali di riduzione standard per determinare quali specie in soluzione saranno ridotte o ossidate.
Punti chiave
Punti chiave
- Quando una corrente elettrica passa attraverso una soluzione (spesso di elettroliti), un catione o molecola neutra si riduce al catodo, e un anione o molecola neutra si ossida all’anodo.
- Per determinare quali specie in soluzione saranno ossidate e quali ridotte, una tabella dei potenziali di riduzione standard può identificare l’opzione termodinamicamente più fattibile.
- In pratica, l’elettrolisi dell’acqua pura può creare gas idrogeno.
Termini chiave
- elettrodo: il terminale attraverso il quale passa la corrente elettrica tra parti metalliche e non metalliche di un circuito elettrico; nell’elettrolisi, il catodo e l’anodo sono posti nella soluzione separatamente.
- elettrone: la particella subatomica che ha una carica negativa e orbita attorno al nucleo; il flusso di elettroni in un conduttore costituisce l’elettricità.
Proprietà elettrolitiche
Quando gli elettrodi sono posti in una soluzione elettrolitica e viene applicata una tensione, l’elettrolita condurrà elettricità. Di solito gli elettroni solitari non possono passare attraverso l’elettrolita; invece, si verifica una reazione chimica al catodo che consuma gli elettroni dall’anodo. Un’altra reazione si verifica all’anodo, producendo elettroni che alla fine vengono trasferiti al catodo. Come risultato, una nuvola di carica negativa si sviluppa nell’elettrolita intorno al catodo, e una carica positiva si sviluppa intorno all’anodo. Gli ioni nell’elettrolita neutralizzano queste cariche, permettendo agli elettroni di continuare a fluire e alle reazioni di continuare.
Per esempio, in una soluzione di comune sale da cucina (cloruro di sodio, NaCl) in acqua, la reazione al catodo sarà:
2{H}_{2}{O}+2e^{-}+{H}{OH}^{-} e l’idrogeno gorgoglierà. La reazione anodica è:
2{NaCl}{rightarrow2{Na}^{+}+{Cl}_2 + 2e^{-}
e verrà liberato cloro gassoso. Gli ioni di sodio a carica positiva Na+ reagiranno verso il catodo, neutralizzando la carica negativa di OH-; gli ioni idrossido a carica negativa OH- reagiranno verso l’anodo, neutralizzando la carica positiva di Na+. Senza gli ioni dell’elettrolita, le cariche intorno all’elettrodo rallentano il flusso continuo di elettroni; la diffusione di H+ e OH- attraverso l’acqua verso l’altro elettrodo richiede più tempo del movimento degli ioni di sale, molto più prevalenti.
In altri sistemi, le reazioni dell’elettrodo possono coinvolgere sia gli ioni metallici dell’elettrodo che quelli dell’elettrolita. Nelle batterie, per esempio, due materiali con diverse affinità elettroniche sono usati come elettrodi: all’esterno della batteria, gli elettroni fluiscono da un elettrodo all’altro; all’interno, il circuito è chiuso dagli ioni dell’elettrolita. Qui, le reazioni degli elettrodi convertono l’energia chimica in energia elettrica.
Ossidazione e riduzione agli elettrodi
L’ossidazione di ioni o molecole neutre avviene all’anodo, e la riduzione di ioni o molecole neutre avviene al catodo. Due mnemotecniche per ricordare che la riduzione avviene al catodo e l’ossidazione all’anodo sono: “Red Cat” (riduzione – catodo) e “An Ox” (anodo – ossidazione). Il mnemonico “LeO ha detto GeR” è utile per ricordare “perdere un elettrone in ossidazione” e “guadagnare un elettrone in riduzione.”
È possibile ossidare ioni ferrosi a ioni ferrici all’anodo. Per esempio:
TestoFe}^{2+}(aq)
TestoFe}^{3+}(aq)+e^{-}
Anche le molecole neutre possono reagire ad entrambi gli elettrodi. Per esempio, il p-Benzochinone può essere ridotto a idrochinone al catodo:
+ 2 e^{-} + 2\text{H}^{+} \rightarrow
Idrochinone: L’idrochinone è un riduttore o donatore di elettroni e una molecola organica.
Para-benzochinone: Il P-benzochinone è un ossidante o accettore di elettroni.
Nell’ultimo esempio, anche gli ioni H+ (ioni idrogeno) partecipano alla reazione, e sono forniti da un acido nella soluzione o dal solvente stesso (acqua, metanolo, ecc.). Le reazioni di elettrolisi che coinvolgono ioni H+ sono abbastanza comuni nelle soluzioni acide, mentre le reazioni che coinvolgono OH- (ioni idrossido) sono comuni nelle soluzioni di acqua alcalina.
Le sostanze ossidate o ridotte possono anche essere il solvente (solitamente acqua) o gli elettrodi. È possibile avere un’elettrolisi che coinvolge i gas.
Per determinare quali specie in soluzione saranno ossidate e quali saranno ridotte, il potenziale standard di elettrodo di ogni specie può essere ottenuto da una tabella di potenziali di riduzione standard, un piccolo campione dei quali è mostrato qui:
Tabella dei potenziali standard di elettrodo: Questo è il potenziale di riduzione standard per la reazione indicata, misurato in volt. Il potenziale positivo è più favorevole in questo caso.
Storicamente, i potenziali di ossidazione erano tabulati e usati nei calcoli, ma lo standard attuale è quello di registrare solo il potenziale di riduzione nelle tabelle. Se un problema richiede l’uso del potenziale di ossidazione, esso può essere interpretato come il negativo del potenziale di riduzione registrato. Per esempio, riferendosi ai dati nella tabella sopra, l’ossidazione del sodio elementare (Na(s)) è un processo altamente favorevole con un valore di E_{ox}^0 (V)= + 2,71 V; questo ha un senso intuitivo perché la perdita di un elettrone da un atomo di sodio produce un catione di sodio, che ha la stessa configurazione elettronica del neon, un gas nobile. La produzione di questa configurazione elettronica stabile e a bassa energia è chiaramente un processo favorevole. Il cloro gassoso, d’altra parte, ha molte più probabilità di essere ridotto in condizioni normali, come si può dedurre dal valore di E_{red}^0 (V)= +1,36 V nella tabella. Ricorda che un potenziale più positivo significa sempre che quella reazione sarà favorita; questo avrà conseguenze sulle reazioni redox.