Cella galvanica
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Una cella galvanica consiste in due metalli fra cui è interposta una soluzione salina. È chiamata anche cella voltaica e cella elettrochimica. Ha preso il nome dallo scopritore Luigi Galvani.
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[modifica] Storia
Nel 1780 Galvani scoprì che due diversi metalli (ad esempio rame e zinco) messi a contatto tra loro, con ciascuno di essi collegato contemporaneamente ad una diversa regione del nervo scoperto di una zampa di rana, provocavano la contrazione della zampa. Egli chiamò questo fenomeno elettricità animale. La pila elettrica, scoperta da Alessandro Volta all'inizio dell'ottocento, si basa su un principio simile a quello della cella galvanica. Queste scoperte, insieme ad altre, aprirono la strada all'invenzione delle batterie elettriche.
[modifica] Descrizione
I metalli della cella si sciolgono nell'elettrolita a due diverse velocità, lasciando alcuni elettroni liberi nel metallo non disciolto, che quindi assume una carica negativa rispetto all'elettrolita. Ciascun metallo è sottoposto ad una diversa semi-reazione, con diversa velocità, e quindi con rilascio di un numero differente di elettroni nei due metalli. Ne risulta un diverso potenziale di elettrodo fra l'elettrolita e ciascun metallo. Se fra i due metalli si realizza un contatto elettrico (utilizzando un cavo oppure mettendoli a contatto diretto), una corrente elettrica comincia a fluire. Contemporaneamente, gli ioni del metallo più attivo, che formano l'anodo, sono trasferiti, passando attraverso l'elettrolita, verso il metallo meno attivo, il catodo, dove si depositano formando un rivestimento intorno ad esso. In seguito a questo processo l'anodo viene progressivamente consumato e corroso, con conseguente diminuzione della differenza di potenziale e, alla fine del processo, interruzione della corrente.
La corrente che fluisce attraverso l'elettrolita è uguale alla corrente che fluisce nel circuito esterno, così che l'insieme dei due metalli e dell'elettrolita costituisce un circuito elettrico completo, in cui gli elettroni si muovono dagli ioni dell'anodo "ossidato" agli atomi "ridotti" del catodo. È questo flusso, provocato da una reazione di riduzione, che costituisce la corrente elettrica.
Il procedimento dell'elettrodeposizione funziona secondo questo stesso principio.
[modifica] Potenziale elettrico di una cella galvanica
Il potenziale elettrico di una cella può essere facilmente determinato utilizzando una tabella dei potenziali di riduzione standard. In alternativa si può anche usare una tabella dei potenziali di ossidazione, ma quella dei potenziali di riduzione è più comune. Il primo passo è quello di identificare i due metalli che reagiscono nella cella. Quindi si cerca il valore di Eo (potenziale di riduzione standard, in volts) per ognuna delle semireazioni. Il potenziale elettrico della cella è uguale al valore di Eo più positivo meno quello più negativo.
Per esempio, nella figura sopra menzionata le soluzioni sono CuSO4 e ZnSO4. In ogni soluzione è immersa la corrispondente barretta di metallo, ed un setto poroso (salt bridge) collega le due soluzioni e permette agli ioni SO42− di fluire liberamente tra le soluzioni di rame e zinco. Per calcolare il potenziale elettrico si cercano le semireazioni del rame e dello zinco e si trova che:
- Cu2+ + 2e− → Cu (E = +0.34 V)
- Zn2+ + 2e− → Zn (E = −0.76 V)
Pertanto la reazione che ha luogo nella realtà è:
- Cu2+ + Zn → Cu + Zn2+
Il potenziale elettrico è dunque +0.34 V −(−0.76 V) = 1.10 V
Se la cella funziona in condizioni non-standard, il potenziale deve essere corretto utilizzando l'Equazione di Nernst.
[modifica] Corrosione galvanica
Il fenomeno della corrosione galvanica si verifica quando due diversi metalli vengono a contatto in presenza di un elettrolita (es. acqua salata) con la conseguente creazione di una cella galvanica naturale indesiderata che provoca nei metalli coinvolti la reazione chimica sopra descritta.
[modifica] Mezzi usati per prevenire la corrosione galvanica
- Isolare elettricamente fra di loro i metalli, per esempio usando flange e rondelle di plastica o di fibra isolante per separare le condotte idrauliche in acciaio dai relativi accessori in rame, oppure applicare un rivestimento di grasso per separare l'alluminio dalle parti in acciaio.
- Mantenere i metalli asciutti e/o protetti dai composti ionici (sali, acidi e basi), ad esempio incapsulandoli all'interno di gusci di plastica o resina epossidica.
- Realizzare la cosiddetta protezione catodica, che utilizza uno o più anodi da "sacrificare" realizzati con un metallo ancora più "attivo" di quello da proteggere, come lo zinco, il magnesio e l'alluminio.
- Collegare un'alimentazione elettrica in modo da controbilanciare la forza elettromotrice che provoca la corrente galvanica responsabile della corrosione (metodo della protezione catodica a corrente impressa).
