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Termini

• Cella fotovoltaicaUna cella, come in una batteria, in cui una reazione chimica irreversibile genera elettricità; una cella che non può essere ricaricata.
• mezza cellaUna delle due parti di una cella elettrochimica contenente un elettrodo e un elettrolita.

Una cella elettrochimica è un dispositivo che produce una corrente elettrica dall’energia rilasciata da una reazione redox spontanea. Questo tipo di cella include la cella galvanica, o voltaica, che prende il nome da Luigi Galvani e Alessandro Volta. Questi scienziati condussero diversi esperimenti sulle reazioni chimiche e sulla corrente elettrica durante la fine del XVIII secolo.

Le celle elettrochimiche hanno due elettrodi conduttori, chiamati anodo e catodo. L’anodo è definito come l’elettrodo dove avviene l’ossidazione. Il catodo è l’elettrodo dove avviene la riduzione. Gli elettrodi possono essere fatti di qualsiasi materiale sufficientemente conduttivo, come metalli, semiconduttori, grafite e persino polimeri conduttivi. Tra questi elettrodi c’è l’elettrolita, che contiene ioni che possono muoversi liberamente.

La cella voltaica usa due diversi elettrodi metallici, ciascuno in una soluzione elettrolitica. L’anodo subirà l’ossidazione e il catodo la riduzione. Il metallo dell’anodo si ossiderà, passando da uno stato di ossidazione 0 (nella forma solida) a uno stato di ossidazione positiva, e diventerà uno ione. Al catodo, lo ione metallico nella soluzione accetterà uno o più elettroni dal catodo, e lo stato di ossidazione dello ione si ridurrà a 0. Questo forma un metallo solido che si deposita sul catodo. I due elettrodi devono essere collegati elettricamente l’uno all’altro, permettendo un flusso di elettroni che lascia il metallo dell’anodo e scorre attraverso questa connessione agli ioni sulla superficie del catodo. Questo flusso di elettroni è una corrente elettrica che può essere usata per fare lavoro, come far girare un motore o alimentare una luce.

Esempio di reazione

Il principio di funzionamento della cella voltaica è una reazione simultanea di ossidazione e riduzione, chiamata reazione redox. Questa reazione redox consiste di due semi-reazioni. In una tipica cella voltaica, la coppia redox è rame e zinco, rappresentata nelle seguenti reazioni di semicella:

Elettrodo di zinco (anodo): Zn(s) → Zn2+(aq) + 2 e-

Elettrodo di rame (catodo): Cu2+(aq) + 2 e- → Cu(s)

Le celle sono costruite in becher separati. Gli elettrodi metallici sono immersi in soluzioni elettrolitiche. Ogni semicella è collegata da un ponte di sale, che permette il libero trasporto di specie ioniche tra le due celle. Quando il circuito è completo, la corrente scorre e la cella “produce” energia elettrica.

Il rame ossida facilmente lo zinco; l’anodo è lo zinco e il catodo è il rame. Gli anioni nelle soluzioni sono solfati dei rispettivi metalli. Quando un dispositivo elettricamente conduttivo collega gli elettrodi, la reazione elettrochimica è:

Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu

L’elettrodo di zinco produce due elettroni quando viene ossidato (Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2e^-), che viaggiano attraverso il filo al catodo di rame. Gli elettroni trovano poi il Cu2+ in soluzione e il rame viene ridotto a rame metallico (Cu^{2+} + 2e^- \freccia Cu). Durante la reazione, l’elettrodo di zinco sarà utilizzato e il metallo si ridurrà in dimensioni, mentre l’elettrodo di rame diventerà più grande a causa del Cu depositato che viene prodotto. Un ponte di sale è necessario per mantenere la carica che scorre attraverso la cella. Senza un ponte di sale, gli elettroni prodotti all’anodo si accumulerebbero al catodo e la reazione smetterebbe di funzionare.

Le celle fotovoltaiche sono tipicamente usate come fonte di energia elettrica. Per loro natura, producono corrente continua. Una batteria è un insieme di celle voltaiche collegate in parallelo. Per esempio, una batteria piombo-acido ha celle con anodi composti da piombo e catodi composti da biossido di piombo.