LA PILA DI ALESSANDRO VOLTA

LA PILA DI ALESSANDRO VOLTA

fisico italiano (Como 1745-1827). Sesto figlio di Filippo V. e di Maria Maddalena dei conti Inzaghi, fu accolto, alla morte del padre, nella casa dello zio Alessandro che provvide alla sua prima educazione. Sebbene avviato agli studi umanistici, V. si appassionò alle scienze naturali, iniziando ancor giovane quelle esperienze sulla misteriosa vis electrica che avrebbero occupato quasi interamente la sua attività scientifica. Nel 1779, quando ottenne la cattedra di fisica sperimentale all’Università di Pavia, di cui sarebbe diventato rettore dal 1785, era già conosciuto fra gli studiosi di elettricità per l’invenzione dell’elettroforo, strumento per accumulare cariche elettriche. La sua fama si accrebbe progressivamente in seguito all’ideazione dell’eudiometro che impiegò per lo studio dei gas, giungendo alla scoperta del “gas delle paludi” (metano) e alla formulazione di alcune leggi sulla pressione dei miscugli gassosi. V. compì inoltre importanti esperienze sulla dilatazione dell’aria e seppe definire in modo corretto i concetti di “capacità elettrica” e di “tensione elettrica”. Negli anni in cui V. svolgeva queste ricerche, l’abate L. Galvani scoprì, con le famose esperienze sulla rana, un tipo di fenomeni elettrici completamente nuovo, che interpretò come la prova incontestabile dell’esistenza di un’elettricità animale. Studiati ed estesi i suoi esperimenti, V. ne confutò l’interpretazione, attribuendo correttamente la causa dei fenomeni elettrici al contatto di metalli diversi. Ne nacque una celebre disputa che ebbe il merito di promuovere esperienze sempre più raffinate e che videalla fine prevalere i sostenitori del Volta. Fu proprio nel corso della polemica che V. giunse a realizzare il dispositivo ora noto come “pila di V.” usando un gran numero di dischi di ferro e di zinco alternati e separati da strati di panno inzuppato in soluzione salina. La sua invenzione, che aprì la via all’impiego pratico dell’elettricità, fu annunciata in una lettera del 20 marzo 1800 alla Royal Society di Londra in cui venivano presentate le due versioni a colonna e a corona di tazze.
Effetto Volta-Fenomeno consistente nel manifestarsi di una differenza di potenziale sulla superficie di separazione di due metalli di natura diversa posti a contatto.
Serie di Volta-Classificazione degli elementi chimici in base al loro potenziale elettrolitico normale crescente, cioè secondo il potenziale che ciascun elemento assume quando un elettrodo costituito dall’elemento libero viene immerso in una soluzione di concentrazione unitaria dei suoi ioni. La serie di V. indica quindi la tendenza relativa dei singoli elementi a esistere sotto forma di ioni, ossia sotto forma di sale, anziché come elemento libero. Includendovi solo gli elementi più comuni, la serie di V. prende la forma: Li, K, Ba, Na, Ca, Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Cd, Co, Ni, Pb, Sn, H, Bi, Cu, Ag, Hg, Au. All’elettrodo normale a idrogeno si attribuisce convenzionalmente il potenziale zero, mentre si attribuisce segno negativo al potenziale degli elementi che lo precedono nella serie di V. e segno positivo a quello degli elementi che lo seguono, detti anche metalli nobili. La serie di V. spiega il comportamento dei vari elementi chimici nei processi di elettrolisi; inoltre rende conto anche dei fenomeni di spostamento, nei quali p. es. lo zinco metallico introdotto in una soluzione contenente sale di rame passa in soluzione di sale di zinco, mentre contemporaneamente il rame, data la sua tendenza maggiore di quella dello zinco a sussistere sotto forma di elemento libero, precipita sotto forma di rame metallico.

LE PILE

La pila di Volta ha solo un’importanza storica ed è facilmente realizzabile alternando lastre di rame con lastre di zinco separate da un feltro imbevuto di acido solforico; ogni coppia +rame/H2SO4/zinco- costituisce un elemento galvanico o p. e l’intero sistema costituito da n elementi galvanici messi in serie costituisce una batteria. Nell’uso comune una batteria di p. oggi viene indifferentemente chiamata p. o batteria. Poiché la differenza di potenziale della p. di Volta è di circa 1V, l’intera batteria darà alle due estremità la differenza di potenziale di nV. Se però si tenta di sfruttare la p. di Volta come sorgente di energia elettrica, e cioè si chiude su un circuito esterno di utilizzazione, si vedrà che l’intensità di corrente diminuirà rapidamente fino a 0 perché l’idrogeno che si sviluppa sull’elettrodo di rame circonderà l’elettrodo stesso ostacolando l’ulteriore riduzione dello ione idrogeno; un tale fenomeno viene chiamato polarizzazione della pila. La p. di Volta in definitiva non può esser usata per erogare corrente elettrica di intensità apprezzabile, idonea a compiere del lavoro, a meno che non si aggiunga una sostanza che ostacoli la polarizzazione e cioè depolarizzi l’elettrodo positivo. Anche la p. Daniell già ricordata non può trovare applicazioni pratiche per l’elevata resistenza interna dovuta tra l’altro al diaframma poroso che occorre interporre tra le due soluzioni acquose di solfato per evitare che si mescolino. Per avere una sorgente portatile di energia elettrica bisogna attendere fino al 1860 quando l’elettrochimico Georges Leclanché costruisce una p. non polarizzabile .La reazione elettrochimica è eguale a quella della p. di Volta, ma il biossido di manganese reagendo con l’idrogeno agisce da depolarizzante riducendosi a ossido di manganese mentre lo zinco forma un complesso con il cloruro di ammonio; la reazione totale pertanto comporta una differenza di potenziale di 1,5 V Si aggiunga che nella p. Leclanché l’elettrodo positivo di carbone, oltre a essere indifferente dal punto di vista chimico (non viene attaccato dalla soluzione) è più economico; l’elettrolita inoltre è lo stesso per i due elettrodi e oltre a non essere aggressivo come l’acido solforico, può essere imbevuto in un sostegno gelatinoso; di conseguenza non è necessario mantenere verticale la p. o la batteria. La p. Leclanché e tutte le p. che non necessitano della presenza dell’elettrolita liquido vengono denominate p. o batterie a secco. Le p. a secco Leclanché, nelle loro differenti forme di realizzazione sono ancora oggi usate accanto alle batterie alcaline. Collegando in serie due o più elementi Leclanché si ottengono batterie a secco, di voltaggi multipli di 1,5 (3-4,5-6-7,5-9 e 12 V) oggi utilizzate in piccole apparecchiature elettriche portatili (torce, radio, rasoi, trapani, giocattoli, ecc.) che per funzionare non impegnano grosse intensità di corrente. La quantità di elettricità che si può ottenere da una batteria del tipo finora descritto dipende dalla quantità di composti chimici che sono capaci di reagire e quindi dalla dimensione della p.; la durata della batteria dipende inoltre anche dalla intensità con la quale si fa funzionare la pila. La quantità di elettricità che una batteria può erogare si esprime in ampere-ora (1 ampere-ora=3600 coulomb). Mentre per molte applicazioni sono necessarie batterie di piccole dimensioni, di lunga durata, utilizzabili con basse intensità di corrente (batterie per orologi, per pacemakers, per apparecchi acustici, ecc.) in altri casi sono necessarie forti intensità mentre non sono indispensabili lunghi tempi di funzionamento (batterie per automobili, per avviamenti di motori a scoppio, per livellamento della erogazione di energia elettrica, ecc.). I processi elettrochimici e le p. finora descritti sono processi irreversibili, cioè una volta che hanno trasformato l’energia chimica in energia elettrica non possono essere rigenerati per ricostituire il sistema chimico originario. Conseguentemente le batterie a secco dopo un certo tempo di utilizzazione si esauriscono e devono essere buttate. Contemporaneamente alla p. Leclanché fu allora studiata e messa a punto una p. nella quale la reazione elettrochimica fosse reversibile; in altre parole una p. che una volta esaurita potesse essere rigenerata con un processo di carica per ripristinare il sistema chimico originale; una tale p. serviva così ad accumulare energia elettrica sotto forma di energia chimica, utilizzabile in luoghi e tempi diversi. Una p. o batteria di questo tipo costituisce un accumulatore elettrico. L’accumulatore a piombo messo a punto nel 1859 dal fisico Gaston Planté è ancora oggi usato per carichi elettrici elevati (cioè per essere utilizzato con elevate intensità di scarica). Il solfato di piombo, che è praticamente insolubile in acido solforico, si deposita sugli elettrodi durante la scarica della batteria. Per aumentare l’interfaccia elettrodo soluzione le superfici delle lastre di piombo sono spugnose in modo da presentare delle cavità entro cui diffonde l’elettrolita. La batteria si può considerare scarica quando tutta la superficie degli elettrodi è ricoperta da PbSO4. La tensione di esercizio dell’accumulatore al piombo è di circa 2V e poiché l’alimentazione dei circuiti elettrici delle auto è di 12V una batteria per auto è formata da 6 elementi. Durante il processo di scarica si consuma l’acido solforico che si trasforma in solfato di piombo solido, la densità del liquido elettrolitico diminuisce e di conseguenza lo stato di carica si può misurare con un comune densimetro. Nella storia dello sviluppo industriale e della comprensione della struttura delle soluzioni e, in misura minore, dei solidi, la p. elettrica ha avuto un ruolo fondamentale. La semplice relazione DG=nEF ha consentito di risalire dalla misura potenziometrica di E al valore di DG dei processi chimici cioè alla variazione di energia libera della reazione. Eseguendo le misure a varie temperature è stato così possibile il calcolo di quasi tutte le grandezze termodinamiche, quali entropia, entalpia, coefficienti di attività, energia di attivazione, meccanismi di reazione, costanti di equilibrio, ecc. Le p. che più frequentemente sono state usate a questo scopo sono le pile tipo Daniell, le pile a gas, le pile a concentrazione, le pile ad amalgama, le pile ibride.