Celle voltaiche/galvaniche

Una reazione redox spontanea genera elettricità, che può alimentare dispositivi elettrici. Ma come funziona? Si consideri la reazione redox fra il rame ed una soluzione di nitrato d'argento.

Quando viene posto in un recipiente, il rame viene ossidato in ioni rameosi, mentre gli ioni argento vengono ridotti in un precipitato d'argento. Qui, il trasferimento di elettroni è diretto e non genera corrente elettrica. Tuttavia, quando queste semireazioni sono fisicamente separate e collegate tramite un circuito esterno, si osserva una corrente elettrica.

Questa configurazione è detta cella elettrochimica, ulteriormente definita come cella galvanica o voltaica per una reazione redox spontanea. Una cella galvanica è costituita da due semicelle contenenti le miscele di reazione della semicella di un elettrodo metallico solido nella sua corrispondente soluzione elettrolitica. Qui è rame in nitrato di rame acquoso, e argento in nitrato d'argento acquoso.

I reagenti separati sperimentano un potenziale cellulare, ma senza una connessione esterna, non si verifica alcuna reazione o flusso di elettroni. Una volta collegati esternamente, gli elettroni sono costretti a fluire indirettamente sul circuito esterno, consentendo che le reazioni avvengano in corrispondenza dei rispettivi elettrodi. Per convenzione, l'ossidazione si verifica all'anodo che porta una carica negativa e la riduzione al catodo che porta una carica positiva.

Quando avviene il trasferimento di elettroni, si formano ioni positivi nella semicella di ossidazione e ioni negativi nella semicella di riduzione. Ciò provoca un accumulo di carica positiva e negativa che impedisce un ulteriore flusso di elettroni e deve essere continuamente neutralizzato affinché la reazione progredisca. Pertanto, le due semicelle sono collegate da un ponte salino:un tubo a U rovesciato, contenente una pasta o un gel di un elettrolita inerte, come il nitrato di sodio.

Man mano che la reazione redox progredisce, i controioni fluiscono nelle rispettive semicelle, per garantire la neutralità della carica senza mescolare gli elettroliti. Notazioni speciali, o schemi di cella, sono usati per descrivere una cella galvanica. L'ossidazione è rappresentata a sinistra e la riduzione a destra.

Una doppia linea verticale indica un ponte di sale che collega le due semicelle, mentre singole linee verticali indicano le interfacce fra le fasi componenti. Se due o più componenti esistono nella stessa fase, vengono separati mediante virgole.