Cella Voltaica Costruzione di Base e Funzionamento della Cella Voltaica

Una cella voltaica semplice è composta immergendo una lamina di zinco e una lamina di rame in una soluzione di acido solforico diluito con acqua. Come mostrato nella figura, se la lamina di rame e quella di zinco sono connesse esternamente a un carico elettrico, inizia a scorrere una corrente elettrica dalla lamina di rame alla lamina di zinco attraverso il carico. Ciò significa che si sviluppa una certa differenza di potenziale elettrico tra la lamina di rame e quella di zinco. Mentre la corrente scorre dal rame allo zinco, è ovvio che la lamina di rame diventa positivamente caricata e la lamina di zinco negativamente caricata.

Funzionamento della cella voltaica

Il principio di funzionamento della cella voltaica dipende dal principio secondo cui, quando due metalli diversi sono immersi in una soluzione elettrolitica, il metallo più reattivo tenderà a dissolversi nell'elettrolita come ioni metallici positivi, lasciando elettroni sulla lamina metallica. Questo fenomeno rende la lamina del metallo più reattivo negativamente caricata.

Il metallo meno reattivo attirerà gli ioni positivi presenti nell'elettrolita, e quindi questi ioni positivi si depositeranno sulla lamina, rendendola positivamente caricata. In questo caso di una semplice cella voltaica, lo zinco viene rilasciato nella soluzione di acido solforico come ione positivo e poi reagisce con l'ione SO4 − − negativo della soluzione, formando solfato di zinco (ZnSO4). Poiché il rame è un metallo meno reattivo, gli ioni idrogeno positivi della soluzione di acido solforico tendono a depositarsi sulla lamina di rame. Più ioni di zinco vengono rilasciati in soluzione, più elettroni rimangono sulla lamina di zinco. Questi elettroni passano poi attraverso il conduttore esterno connesso tra le lamine di zinco e rame.

Raggiungendo la lamina di rame, questi elettroni si combinano con gli atomi di idrogeno depositati sulla lamina, formando atomi di idrogeno neutri. Questi atomi si combinano a coppie per formare molecole di gas idrogeno, che infine emergono lungo la lamina di rame sotto forma di bolle di idrogeno. La reazione chimica che avviene all'interno della cella voltaica è la seguente,

Tuttavia, questa reazione si ferma quando il potenziale di contatto tra Zn e acido solforico diluito raggiunge il valore di 0,62 Volt. Durante l'operazione di una cella voltaica, la lamina di zinco è ad un potenziale inferiore rispetto al film di soluzione adiacente, come mostrato nella figura sottostante.

Analogamente, quando la lamina di rame è posta in contatto con l'elettrolita, gli ioni idrogeno positivi nella soluzione tendono a depositarsi su di essa fino a quando il suo potenziale non aumenta quasi a 0,46 V sopra la soluzione. Pertanto, la differenza di potenziale elettrico sviluppata in una cella voltaica è 0,62 − (− 0,46) = 1,08 Volt.

In una cella voltaica semplice ci sono principalmente due inconvenienti, noti come polarizzazione e azione locale.

Polarizzazione della cella voltaica

Si osserva che in questa cella, la corrente si riduce gradualmente e, dopo un certo periodo di funzionamento, la corrente può cessare completamente. Questa diminuzione della corrente è dovuta alla deposizione di idrogeno sulla lamina di rame. Anche se l'idrogeno esce dalla cella sotto forma di bolle, si forma comunque uno strato sottile di idrogeno sulla superficie della lamina. Questo strato agisce come isolante elettrico, aumentando la resistenza interna della cella. A causa di questo strato isolante, ulteriori ioni di idrogeno non possono ottenere elettroni dalla lamina di rame e si depositano in forma ionica. Questo strato di ioni di idrogeno positivi sulla lamina di rame esercita una forza repulsiva sugli altri ioni di idrogeno che si avvicinano alla lamina di rame. Pertanto, la corrente si riduce. Questo fenomeno è noto come polarizzazione.

Azione locale della cella voltaica

Si è scoperto che anche quando la cella voltaica non fornisce corrente, lo zinco si dissolve continuamente nell'elettrolita. Questo è dovuto al fatto che alcune tracce di impurità come ferro e piombo nello zinco commerciale formano piccole celle locali che sono cortocircuitate dal corpo principale dello zinco. L'azione di queste celle parassite non può essere controllata, pertanto c'è un certo spreco di zinco. Questo fenomeno è noto come azione locale.

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