funzionamento chimico-fisico della pila (Step #04)

POTENZIALE DI RIDUZIONE

La Pila di Volta funziona secondo il principio chimico del Potenziale di Riduzione:

Esso è un valore standardizzato per ogni elemento chimico, e misura la tendenza di una specie chimica ad acquistare elettroni, cioè a "ridursi".

Maggiore è il suo valore, maggiore è questa capacità di riduzione.

schema reazione di ossidoriduzione

Di fondamentale importanza è dire che le reazioni di ossidoriduzione avvengono sempre con una coppia di specie chimiche:

Una tra le due specie si riduce, acquistando gli elettroni da un'altra specie chimica che glieli cede e che quindi si ossida, dato il suo potenziale di riduzione più basso.

Schema Pila di Volta, formata da più "elementi voltaici"

SCHEMA PILA

 

La Pila di Volta era appunto formata da una serie di dischetti di rame e zinco separati da uno strato di feltro, imbevuto in acqua salata.

Collegando gli estremi inferiore e superiore della pila ad un conduttore, si veniva a creare un circuito elettrico nel quale passava corrente continua. 

Per Convenzione la corrente in un circuito circola sempre dal polo positivo verso quello negativo, cioè quindi dal "catodo" all' "anodo".

 

 

EQUAZIONE DI NERNST

Ogni elemento ha un potenziale di riduzione specifico, calcolato in condizioni particolari definite "standard" ( 25 °C, 1 Atm).

Se la pila funzionasse in condizioni non-standard, allora non si potrebbero utilizzare quei valori, ma bisognerebbe ricalcolarli con una particolare equazione di derivazione chimico-fisica, ovvero l'equazione di Nernst:

Dentro il logaritmo naturale sono contenute le "attività" delle specie chimiche.

Se fossimo ad una temperatura di 25 °C, con una soluzione molto diluita, potremmo modificare questa equazione, che diventerebbe la seguente versione semplificata, contenente non le attività ma più semplicemente le concentrazioni molari:

 

Con n intendiamo il numero di elettroni che "migrano" dal riducente all'ossidante, che in questo caso del rame-zinco sono 2 (guardare semireazioni di riduzione più avanti).

Calcolo tensione pila di Volta

Prima di calcolare la tensione della pila di volta, elenchiamo le reazioni chimiche che avvengono al suo interno.

valore dei due potenziali di riduzione

 

Considerando che il rame ha un potenziale di riduzione standard maggiore, esso sarà la specie che si ridurrà, diventando quindi il Catodo, cioè il polo Positivo della nostra pila.

Viceversa lo zinco si ossiderà, diventando l'Anodo e quindi il polo Negativo.

La reazione globale del processo si potrà quindi scrivere in questo modo:

Da notare come il rame si ossida, ovvero il numero di ossidazione passa da 2+ a 0, valore convenzionale per le specie solide, mentre lo zinco si ossida, ciè aumenta il suo numero di ossidazione da 0 a 2+.

Grazie a questa reazione la pila ha la capacità di produrre una tensione, e di conseguenza una corrente elettrica.

 

Pila di Volta fa funzionare un led

La tensione generata da un singolo elemento rame-zinco si calcola come il potenziale del catodo meno quello dell'anodo, quindi:

Tensione = E(catodo) - E(anodo) = 0.34 V - (-0-76 V) = 1.1 V

Questo è la tensione elettrica che si crea agli estremi di un elemento voltaico:

Sapendo poi da quanti elementi fosse costituita la pila di Volta, si poteva facilmente calcolarne la tensione generata.

 

Sitografia:

• Pila di Volta, https://it.wikipedia.org/wiki/Pila_di_Volta;
• Cella Galvanica, https://it.wikipedia.org/wiki/Cella_galvanica;
• Potenziale di riduzione, https://it.wikipedia.org/wiki/Potenziale_di_riduzione;
• Equazione di Nernst, https://it.wikipedia.org/wiki/Equazione_di_Nernst;
• Just How the Heck Did the Original Voltaic Pile Work?, https://www.coopertoons.com/caricatures/charlesproteussteinmetz_voltaicpile.html;
• Pila (elettrotecnica), https://it.wikipedia.org/wiki/Pila_(elettrotecnica)#Volta_e_la_prima_pila;
• Circuito eletttrico, http://www.elemania.altervista.org/basi/corr_tens/corten3.html;
  

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