Una pila o cella galvanica trasforma l’energia chimica in energia elettrica (video 2). E’ un processo in discesa, è un processo spontaneo. E’ una reazione redox spontanea, dove qualcosa si ossida e qualcosa si riduce.
In una cella galvanica l’anodo è il polo negativo e il catodo è il polo positivo, diversamente accade nella cella elettrolitica ove avviene l’elettrolisi.
Pila Daniell
La Pila Daniell è l’evoluzione della Pila di Volta.
Nella pila avvengono alcune reazioni che è possibile sfruttare per ottenere energia elettrica.
Abbiamo delle reazioni di ossidoriduzione, dove qualcosa si ossida cioè perde elettroni e qualcos’altro si riduce cioè prende elettroni. Durante le reazioni redox c’è un flusso di elettroni, per poter sfruttare il flusso di elettroni a nostro vantaggio, dobbiamo avere due soluzioni separate.
Pila in soluzione elettrolitica
Le vasche contengono una soluzione elettrolitica e non una semplice acqua distillata, perché l’elettrodo di zinco e di rame perde piccole quantità di ioni Zn++ e Cu++ che si disciolgono nel liquido, e quindi l’elettrodo diventa relativamente negativo. Se le molecole d’acqua distillata fosse ferme, si formerebbe una differenza di potenziale diventa stabile, ma l’acqua è sempre in movimento, allontana e riavvicina gli ioni positivi all’elettrodo, ma così la differenza di potenziale diventa instabile. Per tale ragione si aggiungono dei sali, per stabilizzare la quantità di ioni attorno all’elettrodo e quindi stabilizzare la differenza di potenziale. (video 3)
Attenzione: lo ione in soluzione apportato dal sale deve essere uguale allo ione che l’elettrodo cede: quindi elettrodo di zinco aggiungo sale di zinco (solfato di zinco), elettrodo di rame aggiungo un sale di rame (solfato di rame).
Ricapitolando: nelle vasche non c’è acqua distillata, ma abbiamo due soluzioni elettrolitiche, cioè soluzioni in cui una sostanza si dissocia parzialmente o totalmente in ioni, cioè specie cariche in movimento.
L’ossidoriduzione nella Pila di Daniell
All’anodo avviene l’ossidazione, cioè la perdita di elettroni: Zn >>> Zn++ + 2e-.
Lo Zn++ va nella vasca azzurra, mentre gli elettroni dalla lamina migrano verso il catodo.
Al catodo avviene la riduzione, cioè avviene l’acquisizione di elettroni: Cu++ + 2e- >>> Cu.
La lamina del catodo riceve gli elettroni, diventa negativa, attrae il Cu++ dissociato dal solfato di rame e si deposita come rame metallico.
La corrente elettrica
Nella vasca azzurra lo zinco metallico dell’elettrodo si dissocia in ione Zn++, gli elettroni dall’anodo vanno al catodo: gli elettroni sono trasportati da una lamina all’altra da un conduttore: il filo elettrico.
Nel filo elettrico si muovono gli elettroni: è l’energia elettrica.
Il flusso di elettroni accende la lampadina o muove la lancetta di un voltometro. Il voltmetro mi dice esattamente la differenza di potenziale tra le due lamine.
Cosa succede nelle vasche ?
Nelle vasche della cella galvanica avremo un eccesso di ioni: Zn++ e SO4–.
Nel tempo nella vasca azzurra abbiamo avremo un eccesso di ioni Zn++.
Nel tempo nella vasca rosa aumenta la concentrazione di ioni SO4–, perché lo io Cu++ si è deposita sull’elettrodo di rame che riceve continuamente gli elettroni dell’altro elettrodo.
Quindi c’è una continuo aumento dell’elettrodo di rame.
Nel tempo la soluzione rosa troppi ioni solfato contrastano l’ulteriore deposito di rame sul catodo.
Nel tempo se non si fa niente le due soluzioni non sono più neutre.
Il ponte salino
Per mantenere elettricamente neutre le due soluzioni interviene il ponte salino.
Il ponte salino contiene un sale che si dissocia in due ioni: il nitrato di potassio si dissocia nell’anione nitrato e nel catione potassio.
Il ponte ha due filtri che da un lato lascia passare solo l’anione NO3- e dall’altro solo il catione K+.
Nella vasca azzurra l’anione NO3- neutralizza lo ione Zn++, mentre nella vasca rosa il catione K+ neutralizza lo ione SO4–.
Il ponte salino può essere fatto anche da altri sali che non interferiscano con le reazioni, come il KCl.
Membrana ionica
Nella cella galvanica, anziché il ponte salino, si può usare la membrana ionica che fa passare dalla vasca rosa a quella azzurra solo lo ione solfato.
Il solfato passato nella vasca rosa si lega allo zinco, formando solfato di zinco, quindi l’elettrodo di zinco si consuma.
Tabella potenziale standard riduzione E° a 25°C a 1 atm
Dalla tabella dei potenziali standard sappiamo fra due specie che
il catodo ha il potenziale più alto e
l’anodo ha il potenziale più basso.
Il potenziale dello zinco E° Zn = -0,762 è più basso del rame E° Cu = 0,342.
Quindi lo zinco è l’anodo e il rame è il catodo.
Attenzione se avessimo zinco e ferro, il primo -0,763 è l’anodo e il secondo -0,44 è il catodo.
Così se avessimo rame e oro, il primo 0,337 è l’anodo e il secondo 1,5 è il catodo.
Torniamo alla pila di Daniell: gli elettroni negativi vanno dall’anodo di Zn al catodo di Cu.
La differenza tra il potenziale al catodo (polo positivo) e quello all’anodo (polo negativo):
∆Eº = Eº(Cu2+/Cu)−Eº(Zn2+/Zn)=
La differenza E° = 0,337 – (-0,762) = 1,099 V è la differenza di potenziale iniziale.
La pila diventa scarica
La differenza di potenziale iniziale è 1,099 V, ma pian piano diminuisce, finché si arriva a zero.
Nel tempo lo Zn++ libero aumenta sempre più, la velocità di reazione da destra a sinistra aumenta sempre più, finchè le due velocità sono uguali, si instaura un equilibrio tra sinistra e destra:
e la differenza di energia libera di Gibbs diventa zero.
Se il delta G è il lavoro utile, significa che non c’è più lavoro per muovere la lancetta del voltometro, nè di accendere la lampadina, e la pila è scarica.