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La Pila di Volta

Quando un pezzo di metallo viene posto a contatto con una soluzione tende a formare ioni che passano nella soluzione stessa. Uno ione è un atomo di metallo che ha perso uno o più elettroni (il loro numero dipende dal metallo). Il processo viene rappresentato mediante la seguente equazione chimica:

M_(solido)    →    M^z+_(soluzione) + z e^-
 
(M = atomo metallico; Mz+ = ione metallico; z = carica dello ione, coincidente con il numero di elettroni persi; e- = elettrone)

Poiché gli elettroni non possono esistere liberi nelle soluzioni essi restano nel metallo solido, facendogli assumere una carica elettrica negativa. Infatti gli elettroni, che sono i trasportatori dell'elettricità, sono particelle dotate di carica elettrica negativa.

 

Questo processo non avviene in uguale misura per tutti i metalli. Per esempio, lo zinco (Zn) ha una forte tendenza a rilasciare gli ioni Zn²⁺ in soluzione, mentre per il rame (Cu) la tendenza a rilasciare gli ioni Cu²⁺ è scarsa.
Un pezzo di metallo immerso in una soluzione dei suoi ioni costituisce un elettrodo. La misura di quanto un elettrodo tende a rilasciare gli ioni in soluzione e ad accumulare elettroni su di sé è fornita da un numero, il potenziale elettrochimico standard (E°):

 

Quanto più grande è il valore di E° tanto maggiore è la tendenza dell'elettrodo del metallo a rilasciare i suoi ioni in soluzione.
 
Per convenzione il potenziale standard degli elettrodi non viene riferito al processo di rilascio degli ioni in soluzione da parte del metallo, ma al processo inverso, cioè di cattura degli elettroni da parte degli ioni che dalla soluzione ritornano nel solido come atomi neutri. In tal caso le equazioni chimiche vanno scritte al contrario e i potenziali cambiano di segno, mantenendo lo stesso valore assoluto: Zn²⁺_(soluzione) + 2 e^-   →   Zn _(solido)     E° (volt) = -0.76
 
Quando due elettrodi diversi vengono accoppiati si ottiene una cella galvanica, cioè un generatore di corrente elettrica (che noi spesso chiamiamo pila o batteria). Consideriamo l'esempio dello zinco e del rame: il primo ha una tendenza a cedere gli elettroni molto più alta di quella del rame; quindi, se si pongono in contatto gli elettrodi, gli elettroni si trasferiscono dall'elettrodo di zinco a quello di rame, cioè si ottiene una corrente elettrica.

 

Il circuito della cella deve essere chiuso da un conduttore di elettricità che impedisca agli ioni Cu²⁺ di raggiungere lo zinco solido, perché in questo caso il trasferimento elettronico avverrebbe direttamente. In questo modo gli elettroni sono costretti a muoversi attraverso il circuito esterno della cella (per esempio un filo elettrico). Ovviamente, se i due elettrodi sono collegati direttamente la cella va in corto-circuito e si scarica. Se invece la corrente elettrica viene fatta passare attraverso un apparecchio elettrico (per esempio una lampadina, un motorino), questo entra in funzione.
Una proprietà dei potenziali elettrochimici dei singoli elettrodi è che la loro differenza può essere usata per prevedere la forza elettromotrice (fem; "tensione") della cella.
 
Idealmente la fem di una cella dovrebbe corrisponde alla sua "tensione elettrica", ma in realtà quest'ultima risulta sempre un po' inferiore alla prima a causa dei fenomeni di resistenza elettrica interna.
 
Nel caso della cella formata da un elettrodo di zinco e uno di rame, la fem è data quindi da:

fem (volt) = 0.76 - (-0.34) = 0.76 + 0.34 = 1.10 V

Alessandro Volta costruì la sua famosa pila collegando in serie una batteria di celle galvaniche con elettrodi di rame e zinco. La chiamò pila perché la realizzò impilando uno sopra l'altro dischi di rame e zinco inframmezzati da dischi di feltro imbevuti di acido solforico (conduttore non elettronico). Si noti che i termini pila e batteria sono equivalenti e indicano non una cella formata da una sola coppia di elettrodi, ma una serie di queste celle (nel linguaggio comune tuttavia la parola cella non viene quasi mai usata e si usano indifferentemente pila o batteria anche per quelle che in realtà sono celle).

 

In una batteria in serie le tensioni delle singole celle si sommano, per cui in una batteria di due celle rame/zinco la tensione totale sarà di circa 2.2 V (= 2 x 1.1 V) o, meglio, un po' inferiore.
 

Che cosa vediamo oggi

Nel corso dell'esperimento dimostrazione verrà montata una pila di Volta contenente fino a sei elementi e verrà mostrato il suo funzionamento.
 

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Avviso importante
Questa scheda è puramente illustrativa. L’Università di Padova avverte che essa non deve essere usata come fonte di informazioni per eseguire o far eseguire gli esperimenti descritti. Chiunque utilizzi le informazioni contenute nella scheda per questo o qualunque altro scopo lo fa sotto la propria, piena ed esclusiva responsabilità. L’Università di Padova non risponde di eventuali errori ed omissioni nelle informazioni riportate nella scheda né di alcuna conseguenza derivante da qualunque tipo di uso di tali informazioni.

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