La pila di Volta

La pila di Volta

Volta occupa un posto molto importante nella storia dell'elettrochimica per aver costruito la famosa pila. Le pile trasformano spontaneamente l'energia 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 dell'elettricità 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, 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 dell'elettrodo se ne va in soluzione, sotto forma di ioni Zn+2 lasciando nella barretta i suoi due elettroni:

Polo (-) Anodo Zn0 - 2e a Zn+2: Ossidazione

In tale reazione si verifica il processo d'ossidazione in cui il numero d'ossidazione 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 Cu0, acquistando elettroni e depositandoli sull'elettrodo.

Polo (+) Catodo Cu+2 + 2e a Cu0 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 (-) Zn0 - 2e a Zn+2: Ossidazione 1;
Catodo (+) Cu+2 + 2e a Cu0 Riduzione 1;
Zn0 + Cu+2 a Zn+2 + Cu0

All'anodo 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 all'altro.
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 l'idrogeno (H).
La scala dei potenziali normale di riduzione (E°) è stata costruita misurando il d.d.p. di una pila nella quale l'elettrodo a idrogeno, (appositamente costruito, come riportato nella figura seguente, dato che l'idrogeno si trova allo stato gassoso), rappresenta un polo e l'elemento di cui si vuol conoscere E°, l'altro polo.
Essendo E° (di H+1) uguale a 0, la d.d.p che si legge sul voltometro, ci dà direttamente il valore E° dell'altro elettrodo. La formula impiegata per il calcolo è:

E° pila = E° catodo - E° anodo

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. L'involucro esterno della pila è di zinco e rappresenta l'anodo (-), 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 una d.d.p. di 1,5 V.

Pila alcalina: L'agente riducente di questa pila è sempre lo zinco, mentre l'ossidante è MnO2. L'unica cosa che varia dalla precedente pila è l'elettrolita, 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 l'impossibilità di ricaricarla. Gli accumulatori invece, possono una volta scaricati, essere ricaricati.

Le semireazioni agli elettrodi sono le seguenti:

Polo negativo Pb + SO4-2 - 2e a PbSO4

Polo positivo PbO2 + 4H+1 + SO4-2 + 2e a PbSO4 + H2O

Pb + PbO2 + 4H+1 + 2SO4-2 2PbSO4 + 2H2O

La d.d.p. tra una coppia di elettrodi è di circa 2 V. Le batterie delle automobili ne utilizzano dunque sei (che generano in totale 12