3.

Pile

La pila di Volta è costituita da una serie di elementi, detti voltaici, ognuno dei quali è composto da un disco metallico di rame e uno di zinco, a contatto con un panno imbevuto di una soluzione elettrolitica. Ciascuno di questi elementi è in tutto e per tutto equivalente a un sistema elettrochimico costituito da un recipiente contenente la soluzione elettrolitica e i due elettrodi immersi al suo interno. Tenendo presente questo schema, si può più facilmente analizzare il funzionamento di un singolo elemento voltaico e di tutti i modelli di pila successivi a quello di Volta.

1.

La pila Daniell

Uno dei primi e più noti tipi di pila elettrica è la pila Daniell, messa a punto nel 1836 dal chimico inglese James Daniell. La cella contiene non una, ma due soluzioni elettrolitiche separate da un setto poroso (o da un ponte salino): solfato di zinco in acqua, contenente l’elettrodo di zinco (il polo negativo), e solfato di rame in acqua, contenente l’elettrodo di rame (il polo positivo). Durante il funzionamento della pila, la corrente circola esternamente attraverso un filo elettrico che collega i poli e internamente attraverso le soluzioni elettrolitiche, grazie al movimento degli ioni.

Il funzionamento della pila dipende dalle due semireazioni che hanno luogo agli elettrodi. In corrispondenza di quello negativo, lo zinco metallico tende a ossidarsi, cedendo due elettroni secondo la reazione:

Zn → Zn²⁺ + 2e^-

All’elettrodo positivo, invece, lo ione bivalente Cu²⁺ tende a ridursi, acquistando due elettroni per diventare rame metallico:

Cu²⁺ + 2e^- → Cu

La somma delle due semireazioni dà la reazione complessiva della pila Daniell:

Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu

In sostanza, i due elettroni liberati dalla reazione di ossidazione al polo negativo sono attirati da quello positivo; circolano quindi attraverso il circuito esterno e raggiungono l’elettrodo di rame. Qui agiscono da agenti riducenti nella semireazione che produce rame metallico a partire dallo ione Cu²⁺ proveniente dalla soluzione.

Nel frattempo, lo ione Zn²⁺ prodotto entra in soluzione, mentre il rame Cu passa dalla soluzione all’anodo: via via che la reazione procede, quindi, l’elettrodo di zinco si consuma mentre l’elettrodo di rame si ingrossa. Lo scompenso di cariche che si crea nelle due semicelle è colmato dal flusso di ioni attraverso il setto poroso (o il ponte salino), che tende a ristabilire l’equilibrio.

2.

Altri tipi di pile

Sul modello della pila di Volta e della pila Daniell, sono state realizzate numerose varianti, diverse per specie chimiche coinvolte e disposizione degli elementi. Il tipo più diffuso è la pila a secco, messa a punto dal chimico francese Georges Leclanché nel 1866. La sua caratteristica principale è che la sostanza elettrolitica non è in forma liquida ma di gel, il che ne favorisce l’impiego in dispositivi portatili.

Un altro tipo di celle irreversibili è costituito dalle pile a combustibile; queste si differenziano dalle pile elettriche propriamente dette in quanto non contengono la sostanza elettrolitica, ma la ricevono dall’esterno con continuità.