Electrochimia (celule galvanice, electroliza, potențial standard)

Electrochimia este ramura chimiei care studiază relația dintre reacțiile chimice și fenomenele electrice, precum și conversia energiei chimice în energie electrică și invers. Noțiunile fundamentale sunt: potențialul standard de electrod (E°), celulele galvanice (sau voltaice) și electroliza. Potențialul standard de electrod se măsoară în condiții standard (1 atm, 25°C, concentrație 1 M) față de electrodul standard de hidrogen (ESH), căruia i se atribuie E° = 0 V.

O celulă galvanică este formată din două semicelule (anod și catod) conectate printr-un punte de sare sau diafragmă, generând o diferență de potențial (tensiune electromotoare, TEM). La anod are loc oxidarea (pierdere de electroni), iar la catod reducerea (câștig de electroni). Reacția globală este spontană (ΔG < 0) și produce curent electric.

Electroliza este procesul invers: prin aplicarea unui curent electric extern, o reacție nespontană (ΔG > 0) poate fi forțată să aibă loc. În electroliză, anodul este electrodul pozitiv (oxidare), iar catodul este cel negativ (reducere). Aplicațiile includ producerea metalelor pure (de exemplu, aluminiu), galvanizarea, rafinarea cuprului, pilele de combustie și bateriile.

Pentru a calcula TEM a unei celule galvanice se folosește formula: E°celulă = E°catod - E°anod. Valorile potențialelor standard sunt tabelate și se referă la reacțiile de reducere (cu cât E° este mai mare, cu atât specia respectivă este un oxidant mai puternic). În exercițiile de bacalaureat, se cere adesea scrierea semireacțiilor, identificarea polarității, calcularea potențialului și stabilirea spontaneității.

Exemple

• Exemplul 1: Celula Daniell (Cu-Zn). Semireacții: Zn → Zn²⁺ + 2e⁻ (oxidare, anod, E° = -0,76 V); Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu (reducere, catod, E° = +0,34 V). TEM = 0,34 - (-0,76) = 1,10 V. Reacția globală: Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu. Aceasta este spontană, iar curentul curge de la anod (Zn) la catod (Cu).
• Exemplul 2: Electroliza apei. În soluție de H₂SO₄ diluat, la catod (pol negativ) are loc reducerea: 2H₂O + 2e⁻ → H₂↑ + 2OH⁻; la anod (pol pozitiv) oxidarea: 2H₂O → O₂↑ + 4H⁺ + 4e⁻. Reacția globală: 2H₂O → 2H₂ + O₂. Volumul de hidrogen degajat este dublu față de oxigen (stoechiometrie).
• Exemplul 3: Calcularea TEM pentru celula: Fe | Fe²⁺ (1 M) || Ag⁺ (1 M) | Ag. Date: E°(Fe²⁺/Fe) = -0,44 V; E°(Ag⁺/Ag) = +0,80 V. Fe este mai reducător, deci este anod: Fe → Fe²⁺ + 2e⁻ (oxidare). Catod: Ag⁺ + e⁻ → Ag (reducere). E°celulă = 0,80 - (-0,44) = 1,24 V. Reacția globală: Fe + 2Ag⁺ → Fe²⁺ + 2Ag.

Concepte cheie: Potențial standard de electrod (E°) și electrodul standard de hidrogen (ESH), Celulă galvanică: conversia energiei chimice în energie electrică (reacție spontană), Electroliza: conversia energiei electrice în energie chimică (reacție forțată), Semireacții de oxidare și reducere la anod și catod, Calculul tensiunii electromotoare (TEM = E°catod - E°anod), Serii de potențiale și spontaneitatea reacțiilor redox, Aplicații practice: baterii, galvanizare, rafinarea metalelor