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Una pila, (detta anche pila elettrica, pila chimica, cella elettrochimica o batteria primaria) in elettrotecnica ed elettrochimica è un dispositivo che converte l'energia chimica in energia elettrica. Un insieme di più pile disposte in serie e o parallelo (per aumentare i valori rispettivamente di tensione ai capi e o corrente e erogabile), prende comunemente il nome di pila o batteria.

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Le pile, o celle elettrolitiche, sono generatori di tensione che sfruttano soluzioni elettrolitiche per compiere lavoro; esse utilizzano l’energia potenziale chimica delle soluzioni per produrre energia elettrica.

Le soluzioni utilizzate sono poste in due recipienti diversi, collegati tra loro da un ponte salino, oppure divisi divisi da una membrana semipermeabile, che permette solo il passaggio di determinate sostanze; all’interno delle soluzioni, poi, sono poste delle lamine metalliche, gli elettrodi.

A differenza delle celle elettrolitiche, in questo caso il polo negativo viene detto anodo, mentre quello positivo si dice catodo.

Esaminiamo il funzionamento delle pile con un esempio pratico.

Consideriamo una soluzione liquida di solfato di rame, in cui viene immersa una barretta di zinco. Dopo un certo periodo di tempo, la barretta si ricopre di uno strato di rame metallico, assumendo così un colore rossiccio; la temperatura della soluzione, inoltre, risulta aumentata.

La situazione può essere spiegata in termini chimici, parlando di reazioni di ossido-riduzione, nelle quali una specie chimica acquista elettroni, mentre l’altra li cede.

In questo caso, lo zinco si ossida e cede due elettroni al rame, mentre quest’ultimo si riduce acquistando due elettroni (e diventando, così, uno ione positivo).

La reazione chimica, in questo caso, avviene spontaneamente, e pertanto vi è una produzione di calore; la reazione, quindi, si dice esotermica.

La pila, quindi, sfrutta le reazioni di ossido-riduzione per trasformare l’energia chimica della reazione spontanea in energia elettrica. Il suo funzionamento, però, prevede che le due reazioni, quella di ossidazione e quella di riduzione, avvengano separatamente.

Si posizionano, in questo caso, una barretta di zinco in una soluzione di solfato di zinco, e una barretta di rame in una soluzione di solfato di rame.

Le due soluzioni, poi, vengono collegate con un ponte salino, che permette solo il passaggio di determinate sostanze, che non influenzino le reazioni di ossidoriduzione; queste sostanze permettono di ristabilite un equilibrio delle cariche, trasportando elettroni da una soluzione all’altra.

Le barrette metalliche, invece, sono collegate da un filo conduttore, che permette il passaggio degli elettroni; in questo caso, lo zinco perde elettroni e la barretta di zinco si assottiglia; il filo conduttore permette il passaggio degli elettroni da una soluzione all’altra, e nella seconda, gli elettroni vengono acquistati dal rame, cosicché la barretta di rame diventa più spessa.

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Alessandro Volta nacque a Como il 18 febbraio 1745 da don Filippo e donna Maddalena dei Conti Inzaghi.

Dal 1758 al 1760 seguì la Scuola di retorica presso i gesuiti e qui iniziò il ginnasio. Tuttavia, sin dalla giovane età Volta fu attratto dagli studi scientifici, nei quali fu praticamente autodidatta. Completò gli studi al Seminario Benzi di Como dove conobbe il canonico Giulio Cesare Gattoni che ne incoraggiò la vocazione scientifica.

Inventò la pila, l’antenata delle moderne batterie che servono per far funzionare i dispositivi portatili. La pila è stata il primo generatore in grado di produrre una corrente costante, una innovazione rivoluzionaria che ha reso famoso in tutta Europa il suo ideatore. Ancora oggi, in onore dello scienziato italiano, l’unità di misura della differenza di potenziale elettrico prende il nome di volt e il fenomeno che consente il funzionamento delle pile si chiama effetto Volta.

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SPIEGAZIONE DI ALESSANDRO VOLTA E LA PILA

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SPIEGAZIONE DI ALESSANDRO VOLTA E LA PILA

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La pila di Alessandro Volta
La pila consiste in dischetti di rame e
zinco alternati, fra i quali sono interposti
dischetti di panno imbevuti della sostanza
elettrolitica, il tutto tenuto a posto dalla
struttura di legno esterna (si deve
attenzione a non fare gocciolare
lateralmente la soluzione perchè essa
metterebbe in cortocircuito gli elementi
della pila). Una volta disposti i dischetti e il
panno sul supporto, collegando il primo e
l'ultimo dischetto della colonna con due
fili di rame, si viene a creare tra essi una
differenza di potenziale in grado di
produrre corrente.

Il Principio su cui si basa la pila di Volta è l'
Effetto Volta: tra due metalli conduttori si
genera una differenza di potenziale e un
campo elettrico.
Questo principio è regolato a sua volta da
3 leggi sperimentali:
1) Se ho due metalli e considero la
superficie di contatto, tra i due si
stabilisce una differenza di
potenziale.
2) Presi due conduttori di diverso
tipo e, interposti tra di loro altri
conduttori, la differenza di potenziale
tra i due conduttori iniziali, che si
viene a creare, è identica a quella
della prima legge, cioè come se i
conduttori di mezzo non esistessero.
3) Prese due barrette del medesimo
materiale, da soli non avranno
nessuna differenza di potenziale,
mentre se aggiungo una soluzione
elettrolitica ci sarà una differenza di
potenziale agli estremi delle barrette.

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 PENSATORE ALL’AVANGUARDIA, MICHAEL THACKERAY

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 PENSATORE ALL’AVANGUARDIA, MICHAEL THACKERAY

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Il successore moderno di Alessandro Volta è il Prof. Michael Thackeray, chimico nato in Sudafrica, che è uno dei maggiori scienziati che hanno contribuito alla creazione delle batterie al litio – una tecnologia chiave per la possibilità di generare energia pulita.
Dopo aver conseguito la laurea in Chimica nel 1973, il pensiero di una carriera nel campo delle “messy batteries” era ben lungi da lui. Quando entrò a far parte del Consiglio per la Ricerca Scientifica e Industriale (Council for Scientific and Industrial Research - CSIR) di Pretoria, era appena scoppiata la crisi petrolifera del Medioriente, scatenando una corsa mondiale alla scoperta di batterie ricaricabili. Johan Coetzer, il mentore di Thackeray al CSIR, aveva cominciato a svolgere delle ricerche sui conduttori costituiti da elettroliti solidi cristallini contenenti ioni Ag, ispirando a Thackeray la sua prima intuizione sul rapporto tra le strutture cristalline e l’energia elettrica. Lavorarono insieme alla creazione di nuove tecnologie per batterie al sodio e al litio a temperature elevate.
All’età di 67 anni Thackeray sta ancora lavorando su una versione più avanzata degli elettrodi compositi, inserendo un componente a spinello nella struttura. “Questo approccio sembra promettente” dice. “Stiamo anche cercando di sfruttare l’energia dell’ossigeno nelle strutture di ossidi metallici – una sfida ancora più ardua.”

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Le pile moderne, dette pile a secco o pile Leclanchè (dal nome del loro inventore), sono abbastanza diverse dalla storica pila di Volta, ma sfruttano lo stesso principio, basato sulle reazioni chimiche fra metalli diversi in soluzione acida.

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Le cosiddette “pile a secco” sono un particolare tipo di pila, definite in questo modo perché la pila di Volta, la prima pila inventata, era costituita da una serie di dischi di rame e zinco separati tra loro da un panno inumidito imbevuto di un conduttore elettrolitico.
Le pile a secco, invece, sono ad esempio le pile in zinco-carbone, le classiche pile di uso quotidiano.
Queste pile sono costituite da un rivestimento di zinco all’interno del quale sono presenti, in ordine, una soluzione elettrolitica, uno strato di diossido di manganese, e un cilindro di grafite.
Il funzionamento di queste pile si basa sempre su reazioni di ossidoriduzione; lo zinco tende a perdere elettroni, che vengono attratti nella soluzione elettrolitica, concentrata in uno dei due estremi della pila; a causa dell’eccesso di elettroni presenti, questa parte diventerà il polo negativo della pila. Il carbone, invece, tende a cedere elettroni al diossido di manganese, cosicché l’altro estremo diviene il polo positivo.