Esercizi sulle Pile

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Esercizi sulle Pile

Versione italiana

Esercizi sulle Pile

1. Cos'è una Pila?

Una pila è un dispositivo elettrochimico che converte l'energia chimica in energia elettrica attraverso reazioni redox. Le pile sono costituite da due elettrodi (anodo e catodo) e un elettrolita.

• Anodo: Elettrodo dove avviene l'ossidazione (perdita di elettroni).
• Catodo: Elettrodo dove avviene la riduzione (guadagno di elettroni).

2. Tipi di Pile

• Pile Galvaniche (o Voltaiche): Producono energia elettrica spontaneamente.
• Pile Elettrolitiche: Richiedono energia esterna per funzionare.

3. Esercizi Esempio

Esercizio 1: Calcolo della Tensione di una Pila

Domanda: Una pila è composta da un elettrodo di zinco (Zn) e uno di rame (Cu) in una soluzione di solfato di rame (CuSO₄). Le potenziali standard di riduzione sono:

• E^\circ_{\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}} = -0.76 \, \text{V}$E^\circ_{\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}} = -0.76 \, \text{V}$
• E^\circ_{\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}} = +0.34 \, \text{V}$E^\circ_{\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}} = +0.34 \, \text{V}$

Calcola la tensione della pila.

Soluzione:

1. Scrivi le semireazioni:

   • Ossidazione: \text{Zn} \rightarrow \text{Zn}^{2+} + 2e^-$\text{Zn} \rightarrow \text{Zn}^{2+} + 2e^-$
   • Riduzione: \text{Cu}^{2+} + 2e^- \rightarrow \text{Cu}$\text{Cu}^{2+} + 2e^- \rightarrow \text{Cu}$

2. Calcola il potenziale della pila:

   E^\circ_{\text{pila}} = E^\circ_{\text{catodo}} - E^\circ_{\text{anodo}} = E^\circ_{\text{Cu}} - E^\circ_{\text{Zn}} = 0.34 \, \text{V} - (-0.76 \, \text{V}) = 1.10 \, \text{V}

   $$E^\circ_{\text{pila}} = E^\circ_{\text{catodo}} - E^\circ_{\text{anodo}} = E^\circ_{\text{Cu}} - E^\circ_{\text{Zn}} = 0.34 \, \text{V} - (-0.76 \, \text{V}) = 1.10 \, \text{V}$$

Esercizio 2: Identificazione dell'Anodo e del Catodo

Domanda: In una pila composta da un elettrodo di piombo (Pb) e uno di piombo(IV) ossido (PbO₂) in un acido solforico (H₂SO₄), quali sono l'anodo e il catodo?

Soluzione:

1. Le semireazioni sono:

   • Ossidazione: \text{Pb} \rightarrow \text{Pb}^{2+} + 2e^-$\text{Pb} \rightarrow \text{Pb}^{2+} + 2e^-$ (anodo)
   • Riduzione: \text{PbO}_2 + 4\text{H}^+ + 2e^- \rightarrow \text{Pb}^{2+} + 2\text{H}_2\text{O}$\text{PbO}_2 + 4\text{H}^+ + 2e^- \rightarrow \text{Pb}^{2+} + 2\text{H}_2\text{O}$ (catodo)

2. Risposta: L'anodo è il piombo (Pb) e il catodo è il piombo(IV) ossido (PbO₂).

Esercizio 3: Effetto della Concentrazione sulla Tensione

Domanda: Come influisce l'aumento della concentrazione di \text{Cu}^{2+}$\text{Cu}^{2+}$ in una pila Cu/Zn sulla tensione della pila?

Soluzione:

1. Secondo l'equazione di Nernst, la tensione di una pila è influenzata dalla concentrazione degli ioni:

   E = E^\circ - \frac{RT}{nF} \ln Q

   $$E = E^\circ - \frac{RT}{nF} \ln Q$$

   dove Q$Q$ è il quoziente di reazione.

2. Aumentando la concentrazione di \text{Cu}^{2+}$\text{Cu}^{2+}$, il valore di Q$Q$ diminuisce, il che porta a un aumento della tensione della pila.

English version

Exercises on Batteries

1. What is a Battery?

A battery is an electrochemical device that converts chemical energy into electrical energy through redox reactions. Batteries are made up of two electrodes (anode and cathode) and an electrolyte.

• Anode: Electrode where oxidation (loss of electrons) occurs.
• Cathode: Electrode where reduction (gain of electrons) occurs.

2. Types of Batteries

• Galvanic (or Voltaic) Batteries: They produce electrical energy spontaneously.
• Electrolytic Batteries: They require external energy to function.

3. Example Exercises

Exercise 1: Calculating the Voltage of a Battery

Question: A battery is made up of a zinc (Zn) electrode and a copper (Cu) electrode in a copper sulfate (CuSO₄) solution. The standard reduction potentials are:

• E^\circ_{\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}} = -0.76 \, \text{V}$E^\circ_{\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}} = -0.76 \, \text{V}$
• E^\circ_{\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}} = +0.34 \, \text{V}$E^\circ_{\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}} = +0.34 \, \text{V}$

Calculate the voltage of the battery.

Solution:

1. Write the half-reactions:

• Oxidation: \text{Zn} \rightarrow \text{Zn}^{2+} + 2e^-$\text{Zn} \rightarrow \text{Zn}^{2+} + 2e^-$
• Reduction: \text{Cu}^{2+} + 2e^- \rightarrow \text{Cu}$\text{Cu}^{2+} + 2e^- \rightarrow \text{Cu}$

2. Calculate the potential of the battery:

E^\circ_{\text{battery}} = E^\circ_{\text{cathode}} - E^\circ_{\text{anode}} = E^\circ_{\text{Cu}} - E^\circ_{\text{Zn}} = 0.34 \, \text{V} - (-0.76 \, \text{V}) = 1.10 \, \text{V}

$$E^\circ_{\text{battery}} = E^\circ_{\text{cathode}} - E^\circ_{\text{anode}} = E^\circ_{\text{Cu}} - E^\circ_{\text{Zn}} = 0.34 \, \text{V} - (-0.76 \, \text{V}) = 1.10 \, \text{V}$$

Exercise 2: Identifying the Anode and the Cathode

Question: In a battery composed of an electrode of lead (Pb) and lead(IV) oxide (PbO₂) in sulfuric acid (H₂SO₄), which are the anode and cathode?

Solution:

1. The half-reactions are:

• Oxidation: \text{Pb} \rightarrow \text{Pb}^{2+} + 2e^-$\text{Pb} \rightarrow \text{Pb}^{2+} + 2e^-$ (anode)
• Reduction: \text{PbO}_2 + 4\text{H}^+ + 2e^- \rightarrow \text{Pb}^{2+} + 2\text{H}_2\text{O}$\text{PbO}_2 + 4\text{H}^+ + 2e^- \rightarrow \text{Pb}^{2+} + 2\text{H}_2\text{O}$ (cathode)

2. Answer: The anode is lead (Pb) and the cathode is lead(IV) oxide (PbO₂).

Exercise 3: Effect of Concentration on Voltage

Question: How does increasing the concentration of \text{Cu}^{2+}$\text{Cu}^{2+}$ in a Cu/Zn cell affect the voltage of the cell?

Solution:

1. According to the Nernst equation, the voltage of a cell is affected by the concentration of the ions:

E = E^\circ - \frac{RT}{nF} \ln Q

$$E = E^\circ - \frac{RT}{nF} \ln Q$$

where Q$Q$ is the reaction quotient.

2. As the concentration of \text{Cu}^{2+}$\text{Cu}^{2+}$ increases, the value of Q$Q$ decreases, which leads to an increase in the voltage of the cell.