Ponte salino: semicelle, pila Daniell, semireazioni

Il ponte salino consente alla corrente di fluire tra due elettrodi senza che avvenga miscelazione tra due soluzioni elettrolitiche.
In assenza di ponte salino non sarebbe garantita l’elettroneutralità delle soluzioni e la pila non funzionerebbe in quanto la reazione si arresterebbe

Una cella galvanica è un dispositivo che può convertire l’energia derivante da una reazione chimica in energia elettrica.
Una cella elettrochimica è costituita da due semicelle in ognuna delle quali avviene una semireazione di ossidazione e di riduzione rispettivamente: la specie che si ossida perde elettroni mentre quella che si riduce li acquista e ciò comporta un passaggio di elettroni.

In ogni semicella è presente un elettrodo che può essere lo stesso o diverso nelle due semicelle e un elettrolita. Le reazioni chimiche in una cella possono coinvolgere l’elettrolita, gli elettrodi o una specie esterna come nelle celle a combustibile in cui viene utilizzato l’idrogeno gassoso come combustibile.

Pila Daniell e ponte salino

L’esempio più emblematico di cella galvanica è costituito dalla Pila Daniell. Essa fu inventata dal chimico John Frederic Daniell ed è costituita da due semicelle in una delle quali è presente un elettrodo di metallico immerso nei suoi ioni ovvero una soluzione contenente ioni Zn²⁺ (come una soluzione di ZnSO₄) mentre nell’altra è presente un elettrodo di rame immerso nei suoi ioni ovvero una soluzione contenente ioni Cu²⁺ ( come una soluzione di CuSO₄).

Nella prima semicella lo zinco si ossida secondo la semireazione di ossidazione:

Zn_(s) → Zn²⁺_(aq) + 2 e^– 

quindi l’elettrodo di zinco man mano che la reazione decorre si assottiglia. Lo zinco funziona da polo negativo: per convenzione infatti si assegna il segno – all’elettrodo che cede elettroni.

I due elettroni ceduti dallo zinco imboccano il conduttore metallico e giungono all’elettrodo di rame che in tal modo viene ad essere carico negativamente. Gli ioni rame contenuti nella soluzione di solfato di rame (II)  si depositano sull’elettrodo di rame a seguito della semireazione di riduzione:

 Cu²⁺_(aq) + 2 e^–→ Cu_(s) 

quindi l’elettrodo di rame si inspessisce e funziona da polo positivo.

Semicelle e ponte salino

Nella semicella in cui avviene l’ossidazione che, per convenzione viene indicata a sinistra, è contenuto il solfato di zinco che, essendo solubile in acqua si scioglie dando luogo alla formazione di ioni Zn²⁺ e ioni SO₄^2-. L’ossidazione dell’elettrodo di zinco porta in soluzione ioni Zn²⁺ quindi si avrebbe un eccesso di ioni positivi e non sarebbe garantita l’elettroneutralità della soluzione.

Analogamente nell’altra semicella in cui è contenuto CuSO₄ che si scioglie dando luogo alla formazione di ioni Cu²⁺ e ioni SO₄^2- avviene la riduzione dello ione rame che quindi è sottratto dalla soluzione quindi si avrebbe un eccesso di ioni negativi SO₄^2- e non sarebbe garantita l’elettroneutralità della soluzione.

In tali condizioni pertanto la pila non funzionerebbe: la reazione infatti si arresterebbe e conseguentemente il flusso di elettroni. E’ quindi indispensabile un dispositivo che garantisca l’elettroneutralità delle soluzioni: tale funzione è assolta dal ponte salino costituito generalmente da un tubo a forma di U rovesciato che contiene una soluzione salina concentrata mescolata con gelatina e recante setti porosi alle estremità che vengono immerse nelle soluzioni.

I setti porosi sono solitamente dei diaframmi costituiti di polvere di vetro sinterizzata. Essi  sono dotati di pori sufficientemente grandi da permettere il libero passaggio da una soluzione all’altra delle molecole di solvente e dei soluti. Tuttavia sono ma sufficientemente piccoli da rendere lentissimo un eventuale mescolamento diretto delle soluzioni.

Proprietà dell’elettrolita

L’elettrolita contenuto nel ponte salino deve avere alcune caratteristiche:

 1)      i potenziali standard di riduzione del catione e di ossidazione dell’anione devono essere maggiori di quelli delle specie che si riducono e si ossidano nella pila

2)      non deve reagire con le specie presenti nella cella

3)      il catione e l’anione devono avere circa la stessa conduttività e quindi una velocità di migrazione molto simile

Gli elettroliti che ben si adattano allo scopo sono, ad esempio, KCl, KNO₃, Na₂SO₄.

I cationi presenti nel ponte salino migrano nella semicella contenente l’elettrodo di rame per rimpiazzare gli ioni Cu²⁺ che si riducono. Gli anioni presenti nel ponte salino migrano nella semicella contenente l’elettrodo di zinco per controbilanciare la carica positiva degli ioni zinco che si formano.