Cella galvanica

Cella galvanica

Una cella galvanica è un dispositivo che converte energia chimica in energia elettrica.
Una batteria è un insieme di celle galvaniche collegate tra di loro.

La cella, o meglio le due semi-celle

Una cella galvanica in generale è composta da due semicelle.
In ciascuna semicella è presente un elemento metallico immerso in una soluzione acquosa conduttiva, l’elettrolita.
Prendiamo per esempio una barretta di zinco Zn(s) immersa in una soluzione salina, composta ad esempio da ioni solfato SO₄^2-: la barretta di zinco tenderà a cedere elettroni alla soluzione, e dunque a sciogliersi, secondo la reazione

Zn(s) → Zn(aq)²⁺ + 2e^-

Con il procedere della reazione rimangono nel metallo non disciolto alcuni elettroni liberi, per cui la barretta di metallo assume una carica negativa rispetto all’elettrolita.
Elementi diversi hanno una diversa tendenza a cedere elettroni, e questa tendenza prende il nome di potenziale di ossidazione.
Si può pensare di sfruttare questa diversa tendenza a spostare elettroni per generare un flusso ordinato di elettroni, ovvero sia una corrente elettrica. Infatti è sufficiente stabilire un contatto elettrico tra i due elettrodi - per esempio mediante un cavo - affinché una corrente elettrica inizi a fluire, con gli elettroni che si sposteranno dall’anodo (polo con potenziale di ossidazione maggiore, negativo) verso il catodo (polo con potenziale di ossidazione minore, positivo).

Come funziona una cella galvanica

Prendiamo due semicelle, in cui siano inseriti due elementi metallici diversi, per esempio rame e zinco, e colleghiamo tra loro con un conduttore gli elementi metallici.
In ciascuna semicella sono presenti in soluzione ioni metallici, elettroni e ioni solfato.
Se la tendenza a cedere elettroni dei due metalli è diversa, in particolare per esempio quella dello zinco è maggiore di quella del rame, allora lo zinco cederà elettroni al rame rilasciando ioni Zn²⁺ in soluzione acquosa e innescando così un flusso di elettroni che si sposteranno dallo zinco al rame. Nella semicella del rame, gli ioni Cu²⁺ presenti in soluzione si legheranno agli elettroni a riformare rame metallico. Affinché si instauri un flusso di elettroni è però necessario che ci sia un migrazione di cariche negative dalla cella in cui è dissolto il rame a quella in cui è dissolto lo zinco: a questo provvedono gli ioni negativi di solfato che migrano attraverso il ponte salino dalla semicella del rame a quella dello zinco.
La barretta di zinco tenderà a dissolversi mentre quella di rame a accrescersi, secondo le reazioni

Zn(s) → Zn(aq)²⁺ + 2e^-
Cu(aq)²⁺ + 2e^- → Cu(s)

Tra i due elementi metallici si è così stabilita una differenza di potenziale pari alla differenza tra i due potenziali elettrochimici di rame e zinco,

ΔE=E_Cu-E_Zn = 0.34V - (-0.76V) = 1.1V

Per quanto funziona la batteria?

La differenza di potenziale sarà disponibile fino a quando la reazione chimica può proseguire, ovvero sia fino a quando non si è completamente disciolto lo zinco oppure viceversa si esauriscono gli ioni rame presenti in soluzione.