La pila: cella elettrochimica usata come batteria

La pila: cella elettrochimica usata come batteria

La pila, chiamata anche cella elettrochimica o comunemente batteria, è un sistema che utilizzando una reazione che combina i processi di ossidazione e di riduzione degli elementi trasforma energia chimica in energia elettrica. E’ formata da due parti, dove gli elettroni contenuti nella prima passano nella seconda parte.

Questo passaggio di elettroni è dovuto alla reazione di ossidoriduzione (redox), dove un elemento chimico cede i suoi elettroni che vengono assorbiti da un altro elemento. Affinché la reazione avvenga, è necessario che i due materiali siano immersi in soluzioni acquose in modo che gli elettroni siano liberi di muoversi. Nel caso delle pile, le due parti devono essere collegate da un tubo che contiene una sostanza che favorisce il passaggio degli elettroni.

Per spiegare come funziona una cella elettrochimica si fa riferimento alla pila messa a punto dal fisico J.F. Daniell nel 1836. Essa è costituita da due parti, chiamate semicelle e costituite ciascuna da una lamina di metallo diverso, una di zinco e una di rame, in parte immersa in soluzione acquosa. Come mostra l’articolo sulle ossidoriduzioni, la lamina perde i suoi elettroni che vengono assorbiti dalla soluzione formando un nuovo legame e un nuovo composto. Ma può anche succedere il contrario, cioè la soluzione è meno elettronegativo della lamina e cede i suoi elettroni ritornando al suo stato ridotto in forma solida.

Le due semicelle sono legate tra loro e in ciascuna avviene una di queste due reazioni. La semicella dove avviene l’ossidazione dello zinco viene chiamata anodo e crea un potenziale elettrico negativo, cioè genera elettroni che potranno essere assorbiti dall’altra parte. Ecco perché l’anodo viene chiamato polo negativo (-). Nell’altra semicella avviene la riduzione del rame che rappresenta, perciò, il polo positivo e viene chiamato catodo.

Rappresentazione di ciò che avviene in una pila

Il tubo che collega le due semicelle viene chiamato ponte salino e contiene una soluzione acquosa molto concentrata di un sale, come il nitrato di potassio, che non reagisce con nessuna delle due lamine. Questo ponte serve per due motivi:

  • Permette il passaggio degli elettroni dall’anodo al catodo producendo corrente elettrica;
  • Rilascia i suoi ioni positivi, in questo caso il potassio, nella soluzione che ha assorbito elettroni, e ioni negativi del nitrato nella soluzione che ha ceduto i suoi elettroni. Lo scopo è quello di ristabilire la neutralità elettrica delle due semicelle che è molto importante per la loro stabilità. Infatti, quando non c’è il passaggio della corrente elettrica, ciascuna lamina con la corrispondente soluzione annullano la loro carica elettrica rendendo la semicella elettricamente neutra.

Per rappresentare le pile, si scrivono i simboli delle specie chimiche coinvolte nella reazione di ciascuna semicella separandole da due barre. A sinistra si rappresenta l’elemento che cede i suoi elettroni, l’anodo, e a destra quello che assorbe gli elettroni e si riduce, il catodo. Infine, per ogni semicella si scrive prima il simbolo del reagente e dopo quello del prodotto. Nel caso della pila di Daniell lo schema è:

(-)Zn/Zn2+//Cu2+/Cu(+)

Nella prima semicella il reagente è lo zinco mentre il prodotto ottenuto immergendo la lamina nella soluzione acquosa è lo ione positivo di zinco. Nella seconda semicella della pila, il reagente è lo ione positivo di rame immerso nella soluzione che viene assorbito dalla lamina di rame che si riduce.

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