Volta occupa un posto molto importante nella storia dellelettrochimica per aver costruito la famosa pila.
Le pile trasformano spontaneamente lenergia chimica delle reazioni in energia elettrica, sfruttando le reazioni di ossidoriduzioni. Come conduttori vengono utilizzati i metalli, che avendo numerosi elettroni in libero movimento, permettono appunto il passaggio di corrente, mentre nei conduttori elettrolitici gli incaricati del trasporto dellelettricità sono gli ioni:
Positivi (cationi),
che si dirigono verso il polo negativo
Negativi (anioni), che si dirigono verso il polo positivo.
Gli elettrodi costituenti
le pile si realizzano immergendo un filo, una lamina o una barra
di metallo in una soluzione contenente ioni dello stesso metallo.
La pila di Volta (Fig. 1), fu realizzata con lastre di zinco (Zn),
fogli di feltro e lastre di rame (Cu). Il feltro viene bagnato
con una soluzione di acqua e sale.
Un altro tipo di cella voltaica relativamente semplice, è la pila di Daniell, costituita da elettrodi di zinco e rame, immersi in soluzioni dei rispettivi sali separati da un setto poroso. Lo zinco dellelettrodo se ne va in soluzione, sotto forma di ioni Zn+2 lasciando nella barretta i suoi due elettroni: Polo (-) Anodo Zn° - 2e -> Zn+2 Ossidazione | ||
In
tale reazione si verifica il processo dossidazione
in cui il numero dossidazione dello zinco, passa da
0 a +2. Gli elettroni, attraverso il circuito esterno, si
trasferiscono alla barra di rame. La reazione al catodo
porta alla riduzione del rame che passa da Cu+2
a Cu°, acquistando elettroni e depositandoli sullelettrodo.
Polo (+) Catodo Cu+2 + 2e ->Cu° Riduzione Questo tipo di pila presenta una differenza di potenziale fra i due poli di 1,1 Volt. La reazione conclusiva si può riassumere come segue: |
||
Anodo (-) Zn° - 2e -> Zn+2
Ossidazione 1 Allanodo si verificano sempre reazioni di ossidazione, mentre al catodo sempre di riduzione. Il voltaggio (in questo caso di 1,1 V.) viene definito come differenza di potenziale (d.d.p.) fra 2 elettrodi e può essere interpretata come la "pressione " necessaria a spingere elettroni da un elettrodo allaltro. |
La pila di Daniell è così costituita:
Per
stabilire quali fossero gli elementi in grado di
ossidarsi e quelli in grado di ridursi, bisognava
costruire una scala con un valido punto di riferimento. Come tale si è scelto lidrogeno (H). La scala dei potenziali normale di riduzione (E°) è stata costruita misurando il d.d.p. di una pila nella quale lelettrodo a idrogeno, (appositamente costruito, come riportato nella figura seguente, dato che lidrogeno si trova allo stato gassoso), rappresenta un polo e lelemento di cui si vuol conoscere E°, laltro polo. |
Essendo E° (di H+1) uguale a 0, il d.d.p che si legge sul voltometro, ci dà direttamente il valore E° dellaltro elettrodo. La formula impiegata per il calcolo è:
E° pila = E° catodo E° anodo
Non trovandosi allo stato solido, lelettrodo a idrogeno deve essere così costruito:
Scala potenziali di riduzione: .. ... Sn+4 0,15 Si riduce 2H+1 0,00 Pb+2 -0,13 Si ossida .. |
Tutte le misure della scala sono state fatte in condizioni standard (pressione, temperatura di 25°C, concentrazione 1M).
In cima alla lista vi sono i migliori ossidanti (quindi si riducono), in fondo i migliori riducenti (si ossidano). La scala dei potenziali è fondamentale per stabilire la spontaneità e il verso di una razione, nonché per la progettazione di pile. Ogni reazione di ossidoriduzione può essere divisa in due semireazioni:
Reazione di ossidazione ANODO
Reazione di riduzione CATODO
Per decidere quali delle due semireazioni è di ossidazione e quale di riduzione, basta vedere la scala, in cui il valore più alto di E° sta ad indicare la riduzione della semireazione.
Nel corso del tempo le pile sono diventate sempre più piccole, ma allo stesso tempo più efficienti e affidabili. Tra le più importanti vi sono:
Pila a secco: tali pile utilizzano lo zinco come agente riducente e MnO2 come ossidante. Linvolucro esterno della pila è di zinco e rappresenta lanodo (-), mentre il catodo (+), è costituito da un bastoncino di carbone che affonda nella "pasta" umida di MnO2 e NH4Cl. Queste pile sono abbastanza complicate ed hanno un d.d.p. di 1,5 V.
Pila alcalina: Lagente riducente di questa pila è sempre lo zinco, mentre lossidante è MnO2. Lunica cosa che variadalla precedente pila è lelettrolita, che non è più il cloruro di ammonio, ma una soluzione acquosa di idrossido di potassio. Tali pile hanno maggiore durata e maggiora stabilità di voltaggio.
Accumulatore a piombo: Lo svantaggio della pila a secco è limpossibilità di ricaricarla. Gli accumulatori invece, possono una volta scaricati, essere ricaricati.
Le semireazioni
agli elettrodi sono le seguenti: Polo negativo Pb + SO4-2
- 2e à PbSO4 La d.d.p. tra una
coppia di elettrodi è di circa 2 V. |