Le Pile

Per pila si intende un'apparecchiatura capace di trasformare l'energia chimica in energia elettrica mediante delle reazioni di tipo Redox.

Nella sua forma classica una pila è costituita da due semicelle galvaniche collegate tra loro da un ponte salino. Ogni semicella galvanica è costituita da un contenitore contenente una lamina metallica immersa in una soluzione di un suo sale. Il ponte salino, che collega le due semicelle, è costituito da un setto poroso che permette scambi di ioni fra le due semicelle.

Se le lamine delle due semicelle vengono collegate ad un voltmetro, si leggerà una certa differenza di potenziale tra le due semicelle. Ogni coppia di semicelle è caratterizzata da una sua differenza di potenziale che dipende, oltre che dalla natura dei metalli, anche dalla concentrazione della soluzione e dalla temperatura delle due semicelle.

Non è possibile determinare il potenziale assoluto di una pila ma ciò che si determina è sempre una differenza di potenziale rispetto a un elettrodo a cui, per convenzione, si da valore uguale a zero di potenziale. Questo elettrodo è quello "a idrogeno". Esso è costituito da una lamina di platino immerso in una soluzione di acido cloridrico Hcl 1M sulle cui pareti si fa gorgogliare Al gas idrogeno alla pressione di 1 atm e alla temperatura di 25°C.

Al passaggio della corrente elettrica, nella pila avvengono delle reazioni redox. Nella semicella galvanica in cui si trova immersa la lamina del metallo che ha maggiore tendenza ad ossidarsi avviene la reazione di ossidazione della lamina metallica con liberazione nella soluzione dei suoi ioni positivi. Questa semicella funziona da elettrodo negativo e prende il nome di anodo.

Viceversa nella semicella in cui è immersa la lamina che ha la minore tendenza ad ossidarsi, avviene la reazione di riduzione: gli ioni positivi del metallo contenuti nella soluzione si ridurranno ad atomi metallici andando a ingrossare la lamina metallica immersa nella soluzione. Questa semicella funzionerà da polo positivo, che è detto catodo.

Gli elettroni prodotti dalle due semireazioni si sposteranno dall'anodo verso il catodo, ovvero dal polo negativo verso il positivo.

Man mano che la reazione va avanti, nella semicella in cui avviene la reazione di ossidazione (anodo), si avrà una maggiore concentrazione di ioni positivi rispetto a quelli negativi presenti nella soluzione. Viceversa, nella semicella in cui avviene la reazione di riduzione (catodo), con il passare del tempo si avrà una riduzione della concentrazione degli ioni positivi rispetto a quelli negativi presenti nella soluzione.

Per riportare alla neutralità elettronica le due soluzioni è necessario che degli ioni possano spostarsi attraverso il ponte salino da una soluzione all'altra. Nel caso di una pila Zn/Cu [Pila Daniell], poiché lo zinco ha una maggior tendenza a ossidarsi rispetto al rame, la sua lamina passerà in soluzione ossidandosi sotto forma di ioni Zn⁺⁺.

Zn à Zn⁺⁺ + 2e^- (anodo[-])

L'elettrodo di rame, poiché il rame ha maggiore tendenza a ridursi rispetto allo zinco, si ingrosserà sempre più in quanto nella sua semicella avverrà la reazione di riduzione degli ioni Cu⁺⁺ contenuti nella soluzione di rame metallico

Cu⁺⁺ + 2e^- à Cu (catodo[+])

La differenza di potenziale in posizione standard di una pila, è data dalla differenza dei "potenziali elettrodici standard di riduzione" tra l'elettrodo che funziona da polo positivo, ovvero il catodo, e l'elettrodo che funziona da polo negativo, l'anodo.

ΔE0 = E0(+) + E0(-)

Per potenziale elettrodico standard di riduzione di una semicella si intende la differenza di potenziale positiva o negativa espressa in Volt, che si determina tra la semicella presa in esame e l'elettrodo a idrogeno collegati fra loro mediante un ponte salino. Le condizioni a cui viene fatta la determinazione corrispondono a temperatura 25°C, 1 atm di pressione e concentrazione delle soluzioni 1M

E0Cu = 0,74 V E0Zn = -0,36 V

Elettrolisi

Per elettrolisi si intende l'insieme delle reazioni che avvengono quando una corrente elettrica continua passa attraverso una cella elettrolitica. Essa è costituita da un coefficiente contenente una soluzione elettrolitica con immersi in essa due elettrodo collegati ad una sorgente di corrente continua.

La soluzione elettrolitica è detta così in quanto contiene in soluzione degli elettroliti, cioè sostanze che, disciolte in acqua, si dissociano liberando ioni capaci di condurre corrente elettrica. In generale gli elettroliti sono costituiti da sali, acidi e basi. In qualche caso la soluzione elettrolitica può essere costituita da un sale fuso, che conduce corrente elettrica.

Al passaggio della corrente elettrica nel circuito, gli ioni positivi (cationi) della soluzione elettrolitica vengono attratti dall'elettrodo negativo della cellula elettrolitica (catodo) e avviene una reazione di riduzione del catione. Viceversa, gli ioni negativi della soluzione elettrolitica (anioni), saranno attratti dall'elettrodo positivo della cellula elettrolitica (anodo) ed avviene una reazione di ossidazione dell'anione.

Se nella soluzione sono presenti ioni positivi di natura diversa, si ridurranno al catodo per primi gli ioni della specie chimica avente un E⁰ di valore più alto. Nel caso della presenza di ioni negativi di diversa natura, si ossideranno per primi all'anodo gli anioni della specie chimica avente un E⁰ dal valore più basso.

Il fenomeno elettrolitico fu studiato a metà dell'800 da Faraday, che pervenne alle seguenti due leggi:

1. La quantità di sostanza che si ossida o si riduce rispettivamente all'anodo a al catodo di una cella elettrolitica, è proporzionale alla quantità di carica elettrica passata nel circuito della cella elettrolitica.
2. A parità di quantità di carica elettrica passata nel circuito, la quantità di sostanza che si ossida o si riduce all'anodo o al catodo, è proporzionale alla "massa equivalente" della specie chimica considerata.

Per "massa equivalente" si intende la quantità di grammi di sostanza di una specie chimica che si ossida e si riduce al passaggio di un numero di Avogadro di elettroni (6,022*10²³) attraverso il circuito della cella.

La quantità di carica elettrica posseduta da una numero di Avogadro di elettroniequivale a circa 96.500 Coulomb. A questa quantità viene dato valore di 1 Faraday.

In pratica per ottenere la massa equivalente di una specie chimica si divide la massa atomica o molecolare della specie chimica per il numero i elettroni