Potenziale di riduzione in condizioni non standard. Esercizi, equazione di Nernst

Data  una semireazione di riduzione ad essa è associato un potenziale di riduzione indicato con E° che è determinato rispetto all’elettrodo standard a idrogeno idrogeno.
Il potenziale normale di riduzione si riferisce a condizioni standard in cui reagenti e prodotti hanno concentrazione 1 M, alla temperatura di 273 K e alla pressione di 1 atm.

Quando ci si trova in condizioni diverse da quelle standard si può calcolare il potenziale elettrodico tramite l’equazione di Nernst dovuta al chimico tedesco Walther Hermann Nernst per la quale:
E = E° + 0.05916/n log [stato ossidato]/ [stato ridotto]
Dove n è il numero di elettroni scambiati nella semireazione di riduzione.

Il calcolo del potenziale di una semicella costituisce il primo step per la determinazione del potenziale di una cella.

Esercizi sul potenziale di riduzione

1)      Calcolare il potenziale di una semicella contenente Zn²⁺ a concentrazione 0.10 M sapendo che il potenziale normale di riduzione relativo alla semireazione:

Zn²⁺_(aq) + 2 e^–  ⇄ Zn_(s)

vale E° = – 0.763 V

Il numero n relativo agli elettroni acquistati nella semireazione  di riduzione vale 2 pertanto l’equazione di Nernst diventa:

E = – 0.763 + 0.05916/2  log  [Zn²⁺] = – 0.763 + 0.05916/2  log 0.10 = – 0.793 V

Si noti che, nell’argomento del logaritmo, non compare la concentrazione di zinco metallico in quanto solido.

Il potenziale varia quindi linearmente con il logaritmo decimale della concentrazione dello ione zinco

2)      Calcolare il potenziale di una semicella contenente Al³⁺ a concentrazione 0.0010 M sapendo che il potenziale normale di riduzione relativo alla semireazione:

Al³⁺_(aq) + 3 e^–  ⇄ Al _(s)

vale E° = – 1.66 V

Il numero n relativo agli elettroni acquistati nella semireazione  di riduzione vale 3 pertanto l’equazione di Nernst diventa:

E = – 1.66 + 0.05961/3 log 0.0010 = – 1.72 V

3)      Calcolare il potenziale di una semicella contenente un elettrodo di platino a contatto con idrogeno gassoso alla pressione di 1 atm e ioni H⁺ a concentrazione 0.10 M sapendo che il potenziale normale relativo di riduzione relativo alla semireazione:

2 H⁺_(aq) + 2 e^– ⇄ H_2(g)

vale  E° = 0.00 V

Il numero n relativo agli elettroni acquistati nella semireazione  di riduzione vale 2 pertanto l’equazione di Nernst diventa:

E = E° + 0.05961/2 log [H⁺]²/ p_H2 = 0.00 + log 0.05961/2 log (0.10)²/ 1 atm = – 0.05961 V

4)      Calcolare il il potenziale di una semicella contenente Fe²⁺ a concentrazione 0.20 M e  Fe³⁺ a concentrazione 0.10 M sapendo che il potenziale normale di riduzione relativo alla semireazione:

Fe³⁺_(aq) + 1 e^– ⇄ Fe²⁺_(aq)

vale E° = + 0.771 V

Il numero n relativo agli elettroni acquistati nella semireazione  di riduzione vale 1

Lo stato ossidato è costituito da Fe³⁺ ( quello che compare a sinistra nella semireazione di riduzione) e lo stato ridotto da Fe²⁺ (quello che compare a destra nella semireazione di riduzione).

L’equazione di Nernst diventa pertanto:

E = + 0.771 + 0.05961/1 log [Fe³⁺]/[Fe²⁺] = + 0.771 + 0.05961/1 log 0.10/0.20 = + 0.753 V

5)      Calcolare il potenziale di una semicella contenente ione Mn²⁺ a concentrazione 0.10 M e ione MnO₄^– a concentrazione 0.15 M tamponata a pH = 1.0 sapendo che il potenziale normale di riduzione relativo alla semireazione:
MnO₄^.– _(aq) + 8 H⁺_(aq) + 5 e^– ⇄ Mn²⁺_(aq) + 4 H₂O_(l)

vale E° = + 1.51 V

In questo caso il potenziale della semicella dipende oltre che dalla concentrazione di Mn²⁺ e di MnO₄^– anche dal pH

Il numero n relativo agli elettroni acquistati nella semireazione  di riduzione vale 5

La concentrazione di ioni H⁺ vale:

[H⁺] = 10^-1.0 = 0.10 M

L’equazione di Nernst diventa pertanto:

E = + 1.51 + 0.05961/5 log [MnO₄^–][H⁺]⁸/ [Mn²⁺] = + 1.51 + 0.05961/5 log 0.15 (0.10)⁸/0.10 = + 1.42 V