1. 13/11/11 1 1 1

2. Le scienze naturali Jay Phelan, Maria Cristina Pignocchino
13/11/11
Jay Phelan, Maria Cristina Pignocchino
Le scienze naturali
Le trasformazioni nella materia e il corpo umano 2 2 2

3. L’elettrochimica Capitolo 3 3 13/11/11 3
Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2016 3 3

4. Le redox: elettroni in movimento
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Lezione 1
Le redox: elettroni in movimento 4
Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2016 4 4

5. 1. Le reazioni di ossidoriduzione
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1. Le reazioni di ossidoriduzione
Le reazioni in cui avviene il trasferimento di elettroni da una specie chimica a un’altra sono chiamate ossidoriduzioni o redox.
L’ossidazione è la perdita di elettroni, la riduzione è l’acquisto di elettroni. 5
Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2016 5 5

6. 2. Come si riconosce una redox?
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2. Come si riconosce una redox?
Nelle redox, si ossida l’elemento il cui numero di ossidazione aumenta; si riduce l’elemento il cui numero di ossidazione diminuisce.
Fe + H2SO4 → FeSO4 + H2
Il ferro si ossida
L’idrogeno si riduce
La variazione del numero di ossidazione corrisponde al numero di elettroni persi o acquistati da ciascun atomo.
Fe → Fe + 2e–
H + 2e– → H 6
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7. 3. Bilanciare le redox in forma molecolare
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3. Bilanciare le redox in forma molecolare
Il bilanciamento delle redox viene effettuato applicando due criteri:
il numero complessivo degli elettroni ceduti dagli atomi che si ossidano deve essere uguale al numero degli elettroni acquistati dagli atomi che si riducono;
il numero totale degli atomi e delle cariche deve essere uguale a sinistra e a destra della freccia. 7
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8. 4. Bilanciare le redox in soluzione acida o basica
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4. Bilanciare le redox in soluzione acida o basica
Per bilanciare le ossidoriduzioni in ambiente acido o basico si può utilizzare il metodo delle semireazioni:
non si considera il singolo elemento ma l’intera formula della specie che si ossida o si riduce;
ogni semireazione è bilanciata per le cariche e per gli atomi;
si utilizzano molecole di acqua per bilanciare gli atomi di ossigeno, ioni H+(aq) o ioni OH–(aq) per bilanciare le cariche. 8
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9. Le redox e la vita Lezione 2 9 13/11/11 9
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10. 5. L’atmosfera terrestre è ossidante
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5. L’atmosfera terrestre è ossidante
L’atmosfera terrestre è ossidante perché contiene O2 molecolare, una sostanza molto reattiva che ossida i metalli presenti nelle rocce della litosfera e partecipa a reazioni di combustioni. 10
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11. 6. I gruppi funzionali e le redox
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6. I gruppi funzionali e le redox
In una molecola organica possono essere presenti atomi di carbonio con diverso numero di ossidazione.
Lo stato di ossidazione del singolo atomo di carbonio dipende dal bilancio tra elettroni persi (nei legami con l’ossigeno o l’azoto) e acquistati (nei legami con l’idrogeno).
gruppo alcolico
Nei gruppi funzionali l’atomo di carbonio è tanto più ridotto quanto più numerosi sono i legami C–H; è tanto più ossidato quanto più numerosi sono i legami C–N e C–O. ox
gruppo carbonilico ox
gruppo carbossilico ox
CO2 11
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12. 7. Dalle redox energia per la vita
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7. Dalle redox energia per la vita
Nelle redox biologiche l’ossidazione comporta spesso la deidrogenazione, cioè la perdita di atomi di idrogeno da parte di uno o più atomi di carbonio.
C6H12O6 + O2 → 6CO2 + 6H2O
La riduzione invece comporta spesso l’idrogenazione degli atomi di carbonio, ovvero l’aggiunta di atomi di carbonio.
6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + O2 12
Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2016 12 12

13. Due dispositivi per sfruttare le redox Lezione 3 13 13/11/11 13
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14. 8. Le redox spontanee e la competizione per gli elettroni /1
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8. Le redox spontanee e la competizione per gli elettroni /1
Due specie chimiche che si possono trasformare l’una nell’altra mediante ossidazione o riduzione costituiscono una coppia redox.
Ogni reazione di ossidoriduzione coinvolge due coppie redox. 14
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15. 8. Le redox spontanee e la competizione per gli elettroni /2
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8. Le redox spontanee e la competizione per gli elettroni /2
Il verso in cui procede spontaneamente la reazione redox dipende dalla “competizione per gli elettroni” che si realizza tra le due coppie. 15
Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2016 15 15

16. 9. La pila trasforma energia chimica in energia elettrica /1
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9. La pila trasforma energia chimica in energia elettrica /1
Il dispositivo che sfrutta l’energia prodotta in una reazione di ossidoriduzione spontanea per generare corrente elettrica è chiamato pila (o cella galvanica).
La pila di Daniell è formata da due semicelle collegate da un filo metallico e da un ponte salino. 16
Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2016 16 16

17. 9. La pila trasforma energia chimica in energia elettrica /2
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9. La pila trasforma energia chimica in energia elettrica /2
Ogni semicella contiene una coppia redox e un elettrodo in diretta connessione con il filo metallico.
L’elettrodo su cui avviene l’ossidazione è chiamato anodo.
L’elettrodo su cui avviene la riduzione è chiamato catodo. 17
Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2016 17 17

18. 10. Nelle pile le semireazioni avvengono sempre in scomparti diversi
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10. Nelle pile le semireazioni avvengono sempre in scomparti diversi
La pila di Daniell si rappresenta con un diagramma di cella in cui sono indicati da sinistra verso destra: l’ossidazione della coppia redox all’anodo (–), il ponte salino, la riduzione della coppia redox al catodo (+).
ponte salino
catodo
anodo
Zn(s) | Zn2+(aq) || Cu2+(aq) | Cu(s)
elettrodo
elettrolita
elettrolita
elettrodo 18
Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2016 18 18

19. 11. Ogni pila ha una f.e.m. caratteristica
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11. Ogni pila ha una f.e.m. caratteristica
La forza elettromotrice (f.e.m.) misura la capacità della pila di compiere lavoro elettrico.
In condizioni standard, la f.e.m. dipende dalla capacità di attrarre elettroni della specie ossidata al catodo e dalla capacità di cedere elettroni della specie ridotta all’anodo. 19
Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2016 19 19

20. 12. I potenziali di riduzione /1
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12. I potenziali di riduzione /1
Ogni coppia redox ha un caratteristico potenziale di riduzione standard (E°rid), che misura la tendenza ad acquistare elettroni della sua forma ossidata. 20
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21. 12. I potenziali di riduzione /2
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12. I potenziali di riduzione /2
Erid si misura per confronto con una semicella a idrogeno, si esprime in volt e può avere valore positivo o negativo.
Il potenziale di ossidazione Eox ha lo stesso valore numerico di Erid, ma segno opposto. 21
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22. 13. Dai potenziali tante informazioni
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13. Dai potenziali tante informazioni
In una pila, la coppia redox che ha valore di E°rid superiore funge da catodo.
I valori di E°rid permettono di stabilire quali redox non sono spontanee e qual è la f.e.m. di una pila in condizioni standard:
f.e.m.pila = E°rid(catodo) – E°rid(anodo) 22
Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2016 22 22

23. 14. L’elettrolisi converte energia elettrica in energia chimica /1
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14. L’elettrolisi converte energia elettrica in energia chimica /1
L’elettrolisi è il fenomeno per cui, grazie alla corrente elettrica, si realizza una reazione di ossidoriduzione non spontanea in una soluzione elettrolitica o in un composto ionico fuso.
Avviene in una cella elettrolitica. 23
Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2016 23 23

24. 14. L’elettrolisi converte energia elettrica in energia chimica /2
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14. L’elettrolisi converte energia elettrica in energia chimica /2
Gli ioni positivi presenti in soluzione vengono ridotti al catodo; gli ioni negativi vengono ossidati all’anodo.
Avviene in una cella elettrolitica. 24
Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2016 24 24