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L'elettromagnetismo

La corrente nei liquidi e nei gas

La conducibilità elettrica di liquidi e gas dipende dalla formazione di ioni al loro interno, cioè di atomi o molecole di segno negativo o positivo, perché hanno acquistato o perso uno o più elettroni: sono gli ioni che diventano i veicoli della corrente elettrica. Infatti, mentre nei conduttori metallici la corrente è trasportata solo da particelle di carica negativa, gli elettroni, nei liquidi e nei gas il trasporto di corrente avviene attraverso cariche negative e positive, gli ioni appunto.

Per verificare se un liquido è conduttore o isolante si collegano due lamine metalliche (elettrodi) a un generatore e le si immergono in un recipiente con il liquido da analizzare. La lamina collegata con il polo positivo del generatore prende il nome di anodo, quella collegata con il polo negativo di catodo. Se si esegue questa operazione per l'acqua distillata collegando un amperometro, risulterà che non vi è alcun passaggio di corrente: l'acqua distillata è un buon isolante, tanto che se applichiamo una differenza di potenziale alle sue molecole queste non sono libere di muoversi nel campo elettrico. Lo stesso vale per altri liquidi, come per esempio l'alcol e l'olio. Se però sciogliamo nell'acqua un sale, come il cloruro di sodio (NaCl), o un acido, come l'acido cloridrico (HCl), o altre sostanze, la soluzione acquosa diventa un conduttore. La sostanza che disciolta nell'acqua la rende un conduttore prende il nome di elettrolita e l'insieme dei processi che accompagnano il passaggio della corrente in una soluzione viene detto elettrolisi.

Anche per i liquidi vale la legge di Ohm, per cui l'intensità della corrente che li attraversa è direttamente proporzionale alla differenza di potenziale applicata agli elettrodi. La resistività dei liquidi varia da liquido a liquido. Gli elettroliti sono in genere conduttori di seconda classe, poiché hanno resistività molto più alte di quelle dei conduttori metallici, che sono detti conduttori di prima classe (v. tab. 17.3).

L'elettrolisi

L'elettrolisi è quel complesso di fenomeni che avvengono in seguito al passaggio di una corrente elettrica in una soluzione di un elettrolita. Per comprendere il motivo della presenza di particelle cariche all'interno di una soluzione di elettrolita occorre rifarsi alle forze che tengono legate le particelle (atomi o ioni) in un composto. In presenza di un solvente (in genere ci si riferisce all'acqua), alcuni composti chimici, come gli acidi, le basi o i sali, che chiameremo elettroliti, passano in soluzione dissociandosi in ioni, cioè in atomi o gruppi di atomi dotati di carica elettrica. Ioni positivi sono detti cationi e ioni negativi sono detti anioni (negli elettroliti ionici i legami chimici si stabiliscono tra ioni di carica opposta, in seguito ad attrazione elettrostatica; legami di questo tipo si chiamano legami ionici). La molecola dell'acqua, composta da due atomi di idrogeno e da un atomo di ossigeno, si comporta come un dipolo elettrico (un dipolo elettrico è un sistema costituito da due cariche di uguale intensità e di segno opposto, separate da una piccola distanza), con una frazione di carica negativa sull'atomo di ossigeno e un'equivalente frazione di carica positiva sui due atomi di idrogeno. Quando un elettrolita viene disciolto in acqua, le molecole dell'acqua si insinuano tra quelle dell'elettrolita e circondano con l'estremità negativa i cationi e con quella positiva gli anioni, dissociando così l'elettrolita. Questo fenomeno prende il nome di dissociazione elettrolitica.

Sotto l'azione del campo elettrico generato dagli elettrodi, gli ioni presenti nell'elettrolita migrano: quelli di carica positiva (i cationi ) verso il catodo, quelli di carica negativa (gli anioni) verso l'anodo. Giunti a contatto con il catodo, i cationi acquistano elettroni (si riducono) e possono formare specie neutre. Per esempio, possono dar luogo a un gas, come l'idrogeno, o depositarsi sull'elettrodo, come nel caso di alcuni metalli (il processo di deposizione dei metalli sugli elettrodi mediante l'elettrolisi viene sfruttato industrialmente: per esempio, per rivestire d'oro, d'argento o di cromo materiali metallici).

Gli anioni, giunti a contatto con l'anodo, cedono elettroni (si ossidano), formando anch'essi specie neutre. Per esempio, nel corso dell'elettrolisi del cloruro di sodio, al catodo si forma sodio metallico (Na) e all'anodo si forma cloro gassoso (Cl2).

Le numerose applicazioni dell'elettrolisi sono, oltre al rivestimento di oggetti di strati metallici, l'estrazione di metalli quali l'alluminio, il magnesio ecc., la raffinazione di metalli impuri o la produzione di elementi, come per esempio il cloro, a partire dai loro composti. Anche il funzionamento della pila si basa sull'elettrolisi.

Le leggi di Faraday sull'elettrolisi

Studiando il fenomeno dell'elettrolisi, Michael Faraday (1791-1867), chimico e fisico inglese, scoprì che il processo segue delle leggi ben determinate, che sono ricordate oggi come leggi di Faraday sull'elettrolisi.

La prima legge di Faraday afferma che la quantità di materia trasformata durante l'elettrolisi è proporzionale alla quantità di corrente che attraversa la soluzione.

La seconda legge di Faraday dice che la massa di sostanza depositata o liberata agli elettrodi, in seguito al passaggio di una determinata carica elettrica, è proporzionale all'equivalente chimico della sostanza. L'equivalente chimico è il rapporto tra il peso atomico di un elemento e la sua valenza, mentre la valenza rappresenta il numero di elettroni che un atomo di quella sostanza può perdere o acquistare quando forma un legame chimico.

La conducibilità nei gas

In condizioni normali, un gas non contiene portatori di carica ed è perciò un buon isolante. Tuttavia, se viene sottoposto all'azione di un agente ionizzante, che produce al suo interno coppie di ioni, anche un gas può diventare un conduttore. Agenti ionizzanti sono per esempio i raggi X, la luce e altri tipi di radiazioni elettromagnetiche , che forniscono agli elettroni più esterni degli atomi che compongono il gas l'energia necessaria per rompere il legame che li tiene uniti ai nuclei atomici. Si formano così ioni positivi e ioni negativi, che, trasportando la corrente elettrica, fanno del gas un conduttore.

I conduttori gassosi non seguono la legge di Ohm: la legge che lega l'intensità di corrente alla differenza di potenziale in un gas non è lineare, ma è più complessa e dipende dalla pressione del gas.

Il fenomeno più comune che avviene all'interno di un gas in cui siano posti due elettrodi ai quali sia applicata una differenza di potenziale è la scintilla. Se la scintilla viene fatta scoccare all'interno di un tubo in cui il gas è a pressione molto bassa, invade lentamente tutto il tubo e si ha una scarica a bagliore: su questo principio si basano i comuni tubi a luminescenza usati per l'illuminazione.

Diminuendo ulteriormente la pressione all'interno di un tubo a scarica, il moto delle particelle ionizzate diventa pressoché nullo, data la rarefazione del gas, ma compare una luminescenza (fluorescenza) sulla parete del tubo opposta al catodo, dovuta a un flusso di elettroni emessi dal catodo se la differenza di potenziale è sufficientemente elevata. Data la loro origine, questi raggi di elettroni vennero chiamati raggi catodici. L'emissione dei raggi catodici viene sfruttata per esempio nella formazione delle immagini televisive. Il tipo più semplice di tubo elettronico è il diodo a vuoto, o a gas; all'interno di un'ampolla di vetro in cui è fatto il vuoto, un filamento, riscaldato dal passaggio di corrente, emette elettroni. All'interno dell'ampolla c'è anche una placca metallica: se questa è portata a potenziale positivo rispetto al filamento, che quindi è negativo, gli elettroni emessi dal filamento possono essere raccolti dalla placca e circola corrente. Se si invertono le polarità, gli elettroni emessi sono respinti dalla placca e la corrente non circola. Il diodo quindi, come quello a semiconduttore , fa passare la corrente solo in un senso. I diodi a gas differiscono da quelli a vuoto perché nell'ampolla viene posto un gas rarefatto al posto del vuoto.

I fulmini sono una delle manifestazioni del passaggio della corrente all'interno di un gas, in questo caso l'aria. Comunemente l'aria è un buon isolante, ma esistono sempre nell'ambiente degli agenti debolmente ionizzanti, come la radiazione solare o i raggi cosmici: quando tra la nube e il suolo, o tra nube e nube, si produce una forte differenza di potenziale, si può formare una enorme scintilla, il fulmine. Il calore sviluppato dall'intensa corrente elettrica riscalda l'aria e la sua improvvisa espansione provoca un'onda sonora, il tuono.

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