Celle elettrochimiche

Le celle elettrochimiche sono sensori che misurano la presenza o la concentrazione di una sostanza trasformando una reazione chimica in un segnale elettrico. Il principio unisce chimica ed elettricità: quando la sostanza da misurare entra in contatto con la cella, avviene una reazione che coinvolge il trasferimento di cariche elettriche, e questo genera una tensione o una corrente proporzionale alla quantità di sostanza. Misurando questo segnale elettrico si risale alla concentrazione. Le celle elettrochimiche sono alla base di molti strumenti di misura fondamentali, come i misuratori di pH, i sensori di gas e i misuratori di ossigeno. Sono sensori selettivi e sensibili, ma richiedono cura e taratura. Capire come funzionano aiuta a comprendere una vasta famiglia di sensori chimici molto diffusi.

Questa pagina spiega come una reazione chimica genera un segnale elettrico, gli esempi del pH e dei gas, e i limiti delle celle. È una guida per il tecnico che usa sensori chimici.

Dalla reazione chimica al segnale elettrico

Il cuore di una cella elettrochimica è una reazione che avviene su appositi elettrodi a contatto con la sostanza da misurare. Queste reazioni, chiamate di ossidoriduzione, comportano uno scambio di elettroni, cioè di cariche elettriche. A seconda del tipo di cella, questo scambio genera una tensione tra gli elettrodi, che dipende dalla concentrazione della sostanza, oppure fa passare una corrente proporzionale a quanta sostanza reagisce. In entrambi i casi, la grandezza chimica, cioè la concentrazione, viene tradotta in una grandezza elettrica misurabile. Lo strumento misura questa tensione o corrente e la converte nel valore della sostanza. È questa capacità di trasformare una reazione chimica specifica in un segnale elettrico che rende le celle elettrochimiche selettive: progettando la cella per una particolare reazione, si misura una particolare sostanza, distinguendola dalle altre presenti.

Gli esempi del pH e dei gas

Due esempi molto diffusi chiariscono il principio. Il misuratore di pH usa un elettrodo di vetro che genera una tensione dipendente dall’acidità della soluzione, cioè dalla concentrazione di ioni idrogeno: misurando questa tensione si legge il pH. È una cella elettrochimica di tipo potenziometrico, che misura una tensione a corrente quasi nulla. I sensori di gas elettrochimici, usati per rilevare gas come il monossido di carbonio o l’ossigeno, funzionano spesso in modo amperometrico: il gas reagisce su un elettrodo e genera una corrente proporzionale alla sua concentrazione. In entrambi i casi la cella è progettata per essere selettiva verso la sostanza di interesse. Questi sensori sono compatti, sensibili e relativamente economici, per questo si trovano ovunque: nei phmetri da laboratorio e da campo, nei rilevatori di gas per la sicurezza, negli analizzatori di combustione, nei misuratori di ossigeno disciolto.

Tipo di cella	Esempio
Potenziometrica (tensione)	Misura del pH
Amperometrica (corrente)	Sensori di gas
Caratteristica	Selettiva verso una sostanza

Cura, taratura e limiti

Le celle elettrochimiche, essendo basate su reazioni chimiche, hanno alcune caratteristiche da conoscere. Hanno bisogno di taratura con soluzioni o gas di riferimento a concentrazione nota, perché la loro risposta può variare, e vanno tarate con una certa frequenza. Molte celle si consumano nel tempo, perché la reazione consuma materiale dell’elettrodo o dell’elettrolita, e hanno quindi una vita utile limitata dopo la quale vanno sostituite. Sono sensibili alla temperatura, che influenza le reazioni e va compensata, e possono risentire di sostanze interferenti. Gli elettrodi vanno mantenuti puliti, idratati e conservati correttamente. Nonostante queste esigenze, le celle elettrochimiche restano tra i sensori chimici più pratici e diffusi, per la loro selettività, sensibilità e compattezza. Conoscere la necessità di taratura e i limiti di durata è essenziale per ottenere misure affidabili e per gestire correttamente questi sensori.

• Trasformano una reazione chimica in segnale elettrico.
• Sono selettive verso una sostanza specifica.
• Il pH e i sensori di gas ne sono esempi comuni.
• Richiedono taratura periodica.
• Si consumano e hanno una vita utile limitata.

Affidabilità della misura

Per misure affidabili con le celle elettrochimiche contano la taratura regolare con riferimenti noti, la compensazione della temperatura, la corretta manutenzione e conservazione degli elettrodi, e il rispetto della vita utile del sensore. Va tenuto conto delle possibili sostanze interferenti che possono alterare la misura. Documentare taratura, temperatura e stato del sensore rende le misure confrontabili e affidabili. Nonostante richiedano attenzione, le celle elettrochimiche sono strumenti insostituibili in molti campi, dalla misura del pH e dell’ossigeno alla rilevazione dei gas per la sicurezza. Gestite con cura e tarate regolarmente, offrono misure chimiche selettive e sensibili, alla base di gran parte della strumentazione analitica portatile e da laboratorio.

Dalla tecnologia allo strumento: cosa serve in pratica

Questo tema appartiene all’area Tecnologie elettriche e dielettriche del ramo Tecnologie e principi di misura, ed è collegato alla misura di conducibilità. Per la strumentazione il riferimento è il Catalogo prodotti.

Nel catalogo gli strumenti a cella elettrochimica per l’acqua fanno capo agli strumenti per analisi acqua, pH e conducibilità, nella famiglia strumenti elettrici, acustici, ottici e da laboratorio. Se devi misurare pH, gas o ossigeno con sensori elettrochimici, il modulo di richiesta consente di ricevere un’indicazione mirata.