La notazione di cella IUPAC: come si scrive e si legge un diagramma

Scrivere per esteso ogni componente di una cella — i due elettrodi, le due soluzioni, il ponte che le unisce — sarebbe lungo e poco maneggevole. Per questo l’elettrochimica usa una notazione di cella compatta e standardizzata, che in una riga descrive l’intera cella e, letta nel verso giusto, ne fornisce anche la convenzione di segno.

Vediamo come si scrive un diagramma di cella, che cosa significano le barre verticali singole e doppie, in che verso si legge e come la notazione fissa il segno della forza elettromotrice.

La struttura del diagramma

Il diagramma di cella elenca i componenti da sinistra a destra, separati da barre verticali. La convenzione raccomandata è scrivere l’anodo a sinistra e il catodo a destra: si parte dal materiale dell’anodo, si attraversano le soluzioni con cui è a contatto, si passa al comparto catodico e si termina con il materiale del catodo. Ogni passaggio fra due fasi diverse è marcato da una barra.

anodo | soluzione anodica ‖ soluzione catodica | catodo

Le barre: confini di fase e di giunzione

I separatori non sono tutti uguali. Una barra singola ( | ) indica un confine di fase, cioè il contatto fra due fasi diverse: per esempio fra il metallo dell’elettrodo e la soluzione in cui è immerso. Una doppia barra ( ‖ ) indica invece un ponte salino, ossia una giunzione liquida il cui potenziale è stato reso trascurabile. Quando le due soluzioni si toccano direttamente, senza ponte, si usa una barra tratteggiata o doppia tratteggiata per segnalare che resta una giunzione liquida non eliminata.

Un esempio classico

La cella di Daniell, in cui uno zinco metallico è immerso in solfato di zinco e un rame metallico in solfato di rame, collegati da un ponte salino, si scrive così:

Zn(s) | Zn²⁺(aq) ‖ Cu²⁺(aq) | Cu(s)

A sinistra l’anodo di zinco, che si ossida (Zn → Zn²⁺ + 2e⁻); a destra il catodo di rame, dove gli ioni Cu²⁺ si riducono a rame metallico. Le barre singole segnano i due contatti metallo-soluzione, la doppia barra il ponte salino al centro. Una sola riga riassume tutta la cella.

Il verso di lettura e il segno

La convenzione di lettura — da sinistra a destra — non è solo estetica: stabilisce anche il segno del potenziale. Per convenzione il potenziale di cella si calcola come potenziale dell’elettrodo di destra meno quello dell’elettrodo di sinistra. Se la cella è scritta correttamente con l’anodo a sinistra e il catodo a destra, e la reazione spontanea va effettivamente in quel verso, il potenziale risulta positivo, coerente con una reazione spontanea.

E_cella = E_destra − E_sinistra  =  E_catodo − E_anodo

Convenzioni accessorie

Il diagramma può arricchirsi di altre informazioni: lo stato fisico fra parentesi (s solido, l liquido, g gas, aq in soluzione), eventuali concentrazioni o attività indicate dopo la specie, la pressione per gli elettrodi a gas. Per gli elettrodi inerti, come il platino in un elettrodo redox, si scrive esplicitamente il metallo inerte all’estremità, perché serve solo da supporto elettronico e non partecipa alla reazione. Questi dettagli sono utili soprattutto quando si vuole calcolare il potenziale con l’equazione di Nernst, trattata a parte.

Perché conta nella pratica

Saper scrivere e leggere un diagramma di cella è una competenza di base per chiunque tratti dati elettrochimici: permette di comunicare senza ambiguità com’è costruita una cella, di applicare correttamente la convenzione di segno e di non sbagliare l’attribuzione di anodo e catodo nei calcoli. È anche il formato in cui sono tabulati i potenziali standard e in cui si descrivono le celle nei testi e negli articoli, quindi padroneggiarlo significa accedere a tutta la letteratura del settore senza incertezze.

Domande frequenti

Come si scrive un diagramma di cella?

Si elencano i componenti da sinistra a destra, con l’anodo a sinistra e il catodo a destra, separati da barre verticali. Si parte dal materiale dell’anodo, si attraversano le soluzioni e si termina col materiale del catodo. La cella di Daniell, ad esempio, si scrive Zn | Zn²⁺ ‖ Cu²⁺ | Cu, con le barre singole per i contatti metallo-soluzione e la doppia per il ponte salino.

Che differenza c’è fra barra singola e doppia barra?

La barra singola ( | ) indica un confine fra due fasi diverse, tipicamente fra il metallo dell’elettrodo e la soluzione. La doppia barra ( ‖ ) indica un ponte salino, cioè una giunzione liquida il cui potenziale è stato reso trascurabile. Se le soluzioni si toccano direttamente senza ponte, si usa una barra tratteggiata per segnalare una giunzione liquida non eliminata.

In che verso si legge la notazione di cella?

Da sinistra a destra, con l’anodo a sinistra e il catodo a destra. Questo verso non è solo convenzionale: stabilisce anche come calcolare il potenziale, definito come potenziale dell’elettrodo di destra meno quello di sinistra. Se la cella è scritta con anodo a sinistra e la reazione è spontanea in quel verso, il potenziale risulta positivo.

Come si calcola il potenziale di cella dal diagramma?

Si applica la convenzione «destra meno sinistra»: il potenziale di cella è il potenziale dell’elettrodo di destra meno quello dell’elettrodo di sinistra, ossia catodo meno anodo se la cella è scritta correttamente. Il valore assoluto non dipende da come si scrive la cella; il segno indica solo in quale verso la reazione è spontanea.

Come si indica un elettrodo inerte nel diagramma?

Si scrive esplicitamente il metallo inerte all’estremità del diagramma, ad esempio Pt per un elettrodo redox in platino. Il metallo inerte serve solo da supporto per lo scambio di elettroni e non partecipa alla reazione, ma va indicato perché definisce il contatto elettrico. Si possono aggiungere anche stato fisico, attività delle specie e pressione dei gas coinvolti.