Voltametro
Che cos'è il voltametro?
Il voltametro (o coulombometro o coulometro) è lo strumento con il quale si misura la quantità di carica elettrica circolata attraverso un conduttore elettrico in un certo intervallo di tempo.
Il voltametro non deve essere confuso con il voltmetro, strumento con il quale si misura invece la differenza di potenziale elettrico (nel Sistema Internazionale espressa in volt).
Svariate sono le occasioni in cui occorre conoscere la quantità di elettricità che ha circolato attraverso un certo sistema elettrochimico: ad esempio, nella determinazione dei rendimenti di corrente in processi elettrodici, in analisi coulombmetriche, ecc..
Se la corrente elettrica che circola nel sistema in esame è costante, per conoscere la quantità di elettricità Q in gioco sarebbe sufficiente conoscere l'intensità I e la durata t del passaggio della corrente, dato che Q = I · t.
Ma sono frequentissimi i casi in cui ciò non è praticamente possibile il calcolo diretto della quantità di elettricità Q in quanto la corrente I non è costante nel tempo, bensì fluttuante: I1 ampere per t1 secondi, poi I2 ampere per t2 secondi, I3 ampere per t3 secondi, ... , In ampere per tn secondi.
La quantità di elettricità Q risulta allora essere espressa convenientemente dalla seguente somma: Q = I1 · t1 + I2 · t2 + I3 · t3 + ... + In · tn.
Quest'ultima operazione può essere vantaggiosamente eseguita appunto per mezzo di voltametri.
I voltametri sono dunque celle elettrolitiche che permettono di conoscere il desiderato valore di Q attraverso la quantità di sostanza trasformata agli elettrodi in base alle leggi di Faraday.
I più importanti voltametri
Verrà ora data descrizione dei più importanti voltametri.
Voltametro ad argento
È il più classico e importante tra i voltametri, quello impiegato per le determinazioni più precise e critiche. È servito per la definizione dell'ampere (e del coulomb) e per la determinazione sperimentale del faraday.
Lo schema del voltametro ad argento è riportato nella figura seguente. Il catodo è un bicchiere di platino contenente una soluzione al 15% di nitrato d'argento e l'anodo è una barretta d'argento purissimo.
Un crogiolo di porcellana porosa è interposto tra catodo e anodo per evitare che detriti anodici vadano a cadere sul catodo falsandone il peso.
Voltametro ad argento.
La quantità Q di elettricità passata è infatti misurata dal peso d'argento p depositato al catodo (si pesa il catodo prima e dopo l'elettrolisi), sulla base dell'equazione Q = 96.487 p / pe (pe è il peso equivalente dell'argento), equazione che rispecchia il contenuto delle leggi di Faraday.
Voltametro a iodio
È costituito da due elettrodi di platino-iridio immersi in una soluzione concentrata di ioduro di potassio (KI).
Dopo il caricamento di tale soluzione, nella parte bassa dello scompartimento catodico viene ulteriormente immessa, col tubicino T', una soluzione concentrata di iodio in ioduro di potassio, con cautela, badando che lo iodio (facilmente visibile per il suo colore rosso-bruno) non diffonda verso l'alto raggiungendo Io scompartimento anodico: comunque quest'ultima possibilità è minimizzata dalla struttura a V dello stretto tubicino che collega i due scompartimenti.
Voltametro a iodio.
Col passaggio della corrente, all'anodo si forma iodio (2 I− → I2 + 2e−) mentre al catodo scompare iodio (I2 + 2e− → 2 I−) in quantità uguale.
Con i tubicini T si estraggono poi la soluzione anodica e quella catodica, e se ne determina (per mezzo di una titolazione con acido arsenioso) la quantità di iodio formatasi, o scomparsa, risalendo così alla quantità di elettricità passata.
Voltametro a mercurio
Questo voltametro è di uso semplicissimo, ma la sua precisione è piuttosto bassa. Esso consta di un recipiente di vetro, sigillato, contenente una soluzione acquosa di ioduro di mercurio (II) in ioduro di potassio.
Il catodo C è di grafite e l'anodo A è di mercurio, disposto circolarmente nell'apposita sacca B a guisa di fondo di bottiglia.
Il mercurio formatosi al catodo in seguito al passaggio di corrente (Hg2+ + 2e− → Hg) cade in basso, accumulandosi nel tubo D graduato sottostante al catodo. Dall'altezza del mercurio in questo tubo si può leggere direttamente la quantità di elettricità passata.
Voltametro a mercurio.
Quando il tubo graduato è pieno di mercurio quest'ultimo viene rinviato nella sua sacca B semplicemente capovolgendo e poi raddrizzando di nuovo il voltametro, che è cosi già pronto per ricominciare le misure.
Voltametro a gas e voltametro a rame
Di minor importanza pratica sono il voltametro a gas e il voltametro a rame. Nel primo la determinazione della e quantità di elettricità si effettua in base al volume di ossigeno e di idrogeno sviluppati nell'elettrolisi di una soluzione acquosa di acido solforico o idrossido di sodio con elettrodi di platino.
Nel secondo invece la determinazione si effettua in base al peso di rame deposto catodicamente elettrolizzando una soluzione di solfato di rame(II) (leggermente acidificata con acido solforico) con elettrodi di rame puro.
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