Come realizzare una Pila di Volta

Si potrebbe pensare che le batterie siano un’invenzione moderna, ma in realtà sono state uno dei primi modi per produrre elettricità. Le moderne batterie sono relativamente costose, ma tu puoi crearne una con appena 75 centesimi, nel senso più letterale del termine! In questo esperimento, infatti, realizzerai una rudimentale batteria molto simile alla famosa Pila di Volta, inventata dall’omonimo scienziato italiano oltre due secoli fa, usando monete di rame e di nichel prelevate dal tuo portamonete. Quali monete produrranno più elettricità? E come impiegarle per produrre una corrente misurabile?

Inventata dall’italiano Alessandro Volta intorno al 1800, la “pila di Volta” è il primo generatore statico di energia elettrica mai realizzato, e rappresenta il prototipo di tutte le moderne pile, accumulatori e batterie elettriche. Il suo funzionamento è basato sulla conversione di energia chimica in energia elettrica.

La pila di Volta è costituita, fondamentalmente, da una colonna di più elementi simili sovrapposti, detti “elementi voltaici” o “celle galvaniche”, ciascuno dei quali consiste di due elettrodi – un disco di zinco sovrapposto a uno di rame – uniti fra loro (e anche agli altri elementi voltaici) attraverso uno strato intermedio di feltro o cartone imbevuto di un “elettrolita” come l’acqua salata o acidulata.

Ogni elemento voltaico è dunque collegato in serie agli altri e contribuisce ad aumentare la tensione elettrica presente fra gli estremi superiore e inferiore della pila. Collegando questi ultimi per mezzo di un conduttore elettrico, si realizza un circuito nel quale passa una corrente elettrica continua.

Infatti, fra i due elettrodi metallici di ciascuna cella galvanica si instaura una differenza di potenziale mantenuta costante da forze di natura chimica. Il movimento di elettroni nel circuito esterno alla pila, che vanno dal polo di carica negativa (zinco) a quello di carica positiva (rame), tende a compensare ed annullare la differenza di potenziale fra gli elettrodi e la soluzione elettrolitica.

Schema delle celle galvaniche in serie della nostra pila zinco-rame.

Preparazione di una pila casalinga

Proponiamo qui la realizzazione di una pila di Volta che utilizza delle comuni monete, un elettrolita facilissimo da preparare e un tester per misurare la tensione prodotta. In questo modo, vedremo come il contatto di due opportuni metalli, mediato da un opportuno liquido, sia capace di generare una corrente di elettroni.

Ecco, in pratica, il materiale occorrente:

  • 5 monete da 5 centesimi e 5 da 10 (o 20) centesimi
  • Carta assorbente (o un tovagliolo di carta o della carta igienica)
  • Un po’ di sale da cucina e di bicarbonato di sodio
  • Carta stagnola (e un paio di cavetti elettrici, se disponibili)
  • Un tubetto di plastica trasparente
  • Un tester (o un millivoltmetro)

Per prima cosa occorre preparare la soluzione elettrolitica sciogliendo in un bicchiere d’acqua un cucchiaino di cloruro di sodio – cioè di sale da cucina –  e mezzo cucchiaino di bicarbonato di sodio (acquistabile presso un buon supermercato). Inoltre, occorre ritagliare la carta assorbente in tanti piccoli dischetti, oppure tagliare e piegare una o due volte la carta igienica in modo da creare dei quadratini.

Se necessario, lavate con un detergente delicato (come il sapone per i piatti) le varie monete e asciugatele. Questo è solo un passo preliminare per rimuovere sporco e sporcizia. Usando le forbici, tagliate della carta stagnola per creare un quadratino appena più piccolo delle monete da 20 centesimi. Il foglio di alluminio è un buon conduttore elettrico. Aiuterà a creare un contatto elettrico fra gli estremi della pila ed il tester. Ad esempio, una striscia di alluminio piegata in tre nel senso della lunghezza è un buon “cavo” elettrico.

Il materiale occorrente per la Pila di Volta. (fonte: Sbalordiscienza)

A questo punto, possiamo inserire nel tubetto di plastica le monetine e i dischetti (o i quadratini) di carta assorbente rispettando il seguente ordine: moneta da 5 centesimi – moneta da 10 o 20 centesimi – dischetto di carta assorbente. Dopodichè, imbeviamo appena la carta assorbente magari aiutandoci con un contagocce e ricominciamo la sequenza sovrapponendo nuove monete e dischetti. Proseguiamo in questo modo fino all’esaurimento delle monete.

Collegate poi uno dei due cavi del tester (il positivo, o rosso) a un cavetto fuoriuscente dal fondo del tubetto, dove è opportunamente incollato con della carta stagnola che funge da contatto con la moneta. Ponete il puntale dell’altro cavo del tester (il negativo, o nero) sulla monetina in cima alla pila, poiché il polo negativo della nostra pila è in corrispondenza della moneta superiore.

In alternativa, puoi impilare le monete, anziché in un tubetto di plastica, al centro di un semplice piatto (al centro del quale avremo posto una striscia di stagnola che faciliterà il successivo collegamento con il multimetro), ma in tal caso sarà più delicato realizzare il tutto, e potrai sovrapporre meno monete senza correre il rischio che la colonna creata crolli a causa di un piccolo urto.

Una volta chiuso il circuito, se avevamo preventivamente posto il tester sulla scala di misura dei millivolt (quella con 50 o 100 mV fondo-scala se si usa un tester analogico), riveleremo la tensione prodotta dalla pila, anche se dopo poco tempo sugli elettrodi della nostra pila avvengono delle reazioni chimiche che li “polarizzano” e impediscono alla reazione che produce corrente di proseguire, per cui la tensione misurata cala e la pila non funziona più.

A questo punto, puoi divertirti a vedere come il numero di monete usate nella pila influenza la quantità di elettricità prodotta. Usando il multimetro, annota le tue misure in una tabella del tipo: Numero di monete da 5 centesimi – Numero di monete da 10 centesimi – Tensione (V) – Corrente (mA). Scoprirai che aumentare il numero di coppie di monete fa crescere la tensione ma non la corrente (la quale, semmai, tende a diminuire via via che la pila si scarica, facendo poi calare anche la tensione).

Per misurare la tensione prodotta dalla pila, imposta la scala dei mV e posiziona un puntale del multimetro sulla striscia di alluminio e l’altro sulla moneta superiore della pila. Per misurare la corrente prodotta dalla batteria, impostare il multimetro per misurare la corrente, seleziona i milliampere (mA) e registra velocemente la corrente annotando il valore nella tabella dei dati (come accennato, la corrente potrebbe iniziare a diminuire leggermente quando la batteria inizia a scaricarsi).

Consigli, spiegazioni e semplici curiosità

Ecco alcune osservazioni “in pillole” relative a questa esperienza.

Fai attenzione, perché se metti troppo elettrolita sulla carta assorbente, il peso delle monete sovrastanti può fare fuoriuscire il liquido di cui sono inzuppate. Ciò provoca il malfunzionamento della pila a causa del cortocircuito di un certo numero di elementi che si viene a creare, il quale riduce la tensione complessiva misurata ai capi della pila.

Il principio di funzionamento della pila è legato a particolari reazioni chimiche spontanee, dette di ossido-riduzione, ovvero in cui l’energia (chimica) dei prodotti è minore di quella dei reagenti. Queste reazioni chimiche che coinvolgono i due metalli e l’acqua salata provocano un leggero flusso di elettroni capace di arrivare fino allo strumento di misura.

La “polarizzazione” degli elettrodi avviene perché sull’elettrodo di rame si produce idrogeno e su quello di zinco si formano dei composti di ossidazione che ostacolano il contatto tra il metallo e l’elettrolita. Per ottenere una maggiore durata della pila e una maggiore erogazione di energia elettrica nelle pile in commercio, si usano delle sostanze chimicamente affini all’idrogeno le quali, combinandosi con esso, agiscono da depolarizzanti.

La pila di Volta utilizzava dischi di rame e zinco. Noi, in realtà, abbiamo praticamente fatto altrettanto. Infatti, le monete da 1, 2 e 5 centesimi di euro non a caso sono di colore rosso, essendo fatte di rame. Mentre le monete da 10, 20 e 50 centesimi sono fatte di una lega denominata “nordic gold”, composta da rame, alluminio, zinco e stagno.

Con la nostra pila non è possibile accendere una piccola lampadina perché, malgrado la tensione possa arrivare ad essere paragonabile a quella di una piletta, tuttavia la corrente è molto più bassa. Prova a collegare un LED a basso consumo (ne esistono infatti di vari tipi) alla tua pila a monete. Di quante monete hai bisogno per accenderlo? I LED fanno passare la corrente solo in una direzione, quindi assicurati di averlo orientata correttamente.

Se non si dispone di un tester, si può usare come strumento di misura direttamente la propria lingua: infatti, poggiando i fili collegati alle due estremità della pila in punti diversi della lingua, si avvertirà un leggero pizzicore. La stessa cosa, peraltro, succede se si appoggiano sulla lingua i due poli di una comune batteria da 9 V ben carica.

L’elettrolita può essere realizzato anche con acqua e limone, oppure con acqua e aceto. In pratica, basta usare una qualsiasi soluzione “ionica”, che può venire creata dissolvendo un composto ionico in un solvente (tipicamente acqua), come ad esempio il sale da cucina nell’acqua. Quando un composto ionico si dissolve in acqua, infatti, si dissocia in cationi e in anioni. La presenza di questi ioni è il motivo per cui la soluzione risultante si definisce ionica.

Le soluzioni ioniche sono importanti per la loro capacità di condurre elettricità. Per esempio, possiamo provare a far passare l’elettricità attraverso dei comuni cristalli di sale da cucina, ma non succederà nulla, poiché il cloruro di sodio solido non ha cariche libere. Quando lo stesso sale viene disciolto in acqua, si dissocia in cationi (ioni Na+) e anioni (ioni Cl). Queste cariche libere sono capaci di condurre l’elettricità.

Per saperne di più: la pila voltaica

Si potrebbe pensare che le batterie siano un’invenzione moderna, ma le batterie sono state uno dei primi modi per produrre elettricità. Alessandro Volta realizzò la prima batteria elettrica nel 1800. Fece una gigantesca pila di strati alternati di zinco, carta assorbente imbevuta di acqua salata e argento. Questo primo progetto per una batteria divenne noto come pila voltaica.

Alessandro Volta e la sua famosa pila, oggi nota come “pila voltaica”.

Come fa una pila voltaica a produrre elettricità? La chiave dell’elettricità è il movimento delle particelle che trasportano la carica elettrica. In una pila voltaica, queste particelle si spostano da un metallo all’altro attraverso una soluzione chiamata elettrolita. Un elettrolita è un liquido che contiene particelle che trasportano la carica. Il sale da cucina disciolto usato nell’esperienza descritta è un esempio di buon elettrolita.

Le particelle cariche presenti nell’elettrolita reagiscono con i metalli, causando una reazione elettrochimica, un tipo speciale di reazione chimica che produce elettroni. Poiché gli elettroni sono particelle che trasportano la carica elettrica (nel loro caso, per convenzione negativa), facendo muovere questi elettroni tutti nella stessa direzione si creerà una corrente elettrica, ovvero elettricità.

I due tipi di metalli in una pila voltaica sono chiamati elettrodi. Poiché i tipi di metallo sono diversi, a un metallo piacerà emettere elettroni liberi, l’altro sarà più desideroso di ricevere elettroni. Questo crea una differenza di potenziale elettrico – chiamata anche tensione – tra i due tipi di metalli. Un metallo diventa carico positivamente (l’elettrodo positivo) e l’altro negativamente (l’elettrodo negativo). Questa tensione fa sì che gli elettroni si muovano, creando una corrente elettrica, e quindi l’elettricità!

Schema di funzionamento di una pila voltaica.

Nell’esperimento appena illustrato, abbiamo creato la nostra versione di pila voltaica utilizzando due diversi tipi di monete (e dunque due diversi tipi di metallo) e una soluzione ionica di sale-bicarbonato (l’elettrolita). Il metallo nelle monete reagirà con l’elettrolita. Poiché i due metalli sono diversi, a un metallo piacerà donare gli elettroni all’altro, creando dunque elettricità.

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