L’energia non può essere creata o distrutta, ma può essere conservata in varie forme. Un modo per conservarla è sotto forma di energia chimica in una batteria. Quando è collegata in un circuito, una batteria può produrre elettricità.
Una batteria ha due estremità – un terminale positivo (catodo) e un terminale negativo (anodo). Se si collegano i due terminali con del filo, si forma un circuito. Gli elettroni scorrono attraverso il filo e viene prodotta una corrente elettrica. All’interno della batteria avviene una reazione tra sostanze chimiche. Ma la reazione avviene solo se c’è un flusso di elettroni. Le batterie possono essere conservate per molto tempo e continuare a funzionare perché il processo chimico non inizia finché gli elettroni non passano dai terminali negativi a quelli positivi attraverso un circuito.
Una reazione chimica avviene in una batteria
Un semplice esempio — La batteria a cella di limone
Iniziamo con una batteria molto semplice che usa un limone in cui sono inseriti due diversi oggetti metallici, per esempio un chiodo galvanizzato e una moneta o filo di rame. Il rame serve come elettrodo positivo o catodo e il chiodo galvanizzato (zincato) come elettrodo negativo o anodo che produce elettroni. Questi due oggetti funzionano come elettrodi, causando una reazione elettrochimica che genera una piccola differenza di potenziale.
Siccome gli atomi di rame (Cu) attraggono gli elettroni più degli atomi di zinco (Zn), se metti un pezzo di rame e un pezzo di zinco in contatto tra loro, gli elettroni passeranno dallo zinco al rame. Poiché gli elettroni si concentrano sul rame, si respingeranno a vicenda e fermeranno il flusso di elettroni dallo zinco al rame. D’altra parte, se si mettono delle strisce di zinco e di rame in una soluzione conduttiva, e le si collega esternamente con un filo, le reazioni tra gli elettrodi e la soluzione permetteranno agli elettroni di fluire continuamente attraverso il filo.
|
BATTERIA AL MONDO
|
Come funziona una batteria al limone? Una batteria al limone è fatta con un limone e due elettrodi metallici di metalli diversi, come un penny o un filo di rame e un chiodo galvanizzato (zincato). L’energia per la batteria non viene dal limone, ma piuttosto dal cambiamento chimico nello zinco (o altro metallo). Lo zinco viene ossidato all’interno del limone, scambiando alcuni dei suoi elettroni per raggiungere uno stato di energia inferiore, e l’energia rilasciata fornisce la potenza. Il limone fornisce semplicemente un ambiente in cui questo può avvenire, ma non si consuma nel processo. Assumendo l’uso di elettrodi di zinco e rame (come una moneta di rame e un chiodo zincato), un singolo limone potrebbe generare circa 0,9 volt. A sinistra un circuito in serie di limoni mostra la produzione di 3,41 volt. NOTA: Si possono usare patate, mele, crauti, o qualsiasi altra frutta o verdura contenente acido o altri elettroliti, ma i limoni sono preferiti per la loro maggiore acidità. Nelle patate, per esempio, l’elettrolita è l’acido fosforico, mentre nei limoni è l’acido citrico. |
In una batteria al limone, avviene sia l’ossidazione (perdita di elettroni) che la riduzione (guadagno di elettroni). Questa batteria è simile alle originali “celle voltaiche semplici” inventate da Alessandro Volta (vedi sotto). All’anodo, lo zinco metallico è ossidato, ed entra nella soluzione acida come ioni Zn2+:
Zn –> Zn2 + + 2 e-
Al catodo di rame, ioni idrogeno (protoni solvatati dalla soluzione acida nel limone) sono ridotti per formare idrogeno molecolare:
2H++ 2e- –> H2
Cosa fa muovere gli elettroni?
Quando lasci andare una palla che hai in mano questa cade a terra perché il campo gravitazionale della Terra la tira verso il basso. In modo simile, le particelle cariche come gli elettroni hanno bisogno di lavoro per spostarsi da un punto all’altro. La quantità di lavoro per unità di carica si chiama differenza di potenziale elettrico tra i due punti. L’unità della differenza di potenziale è chiamata volt.
La differenza di potenziale tra il catodo e l’anodo è stabilita dalla reazione chimica. All’interno della batteria gli elettroni sono spinti dalla reazione chimica verso l’estremità positiva creando una differenza di potenziale.
È questa differenza di potenziale che spinge gli elettroni attraverso il filo.
La differenza di potenziale può essere positiva o negativa, paragonata all’energia gravitazionale, che sale o scende da una collina. In una batteria il flusso di elettroni è in discesa… gli elettroni possono fluire in salita come nel caso di un caricabatterie.
Perché gli elettroni non si muovono semplicemente dall’anodo al catodo all’interno della batteria?
L’elettrolita nella batteria impedisce agli elettroni solitari di andare direttamente dall’anodo al catodo all’interno della batteria. Quando i terminali sono collegati con un filo conduttore, gli elettroni possono facilmente fluire dall’anodo al catodo.
In che direzione si muovono gli elettroni nel filo?
Gli elettroni sono caricati negativamente, quindi saranno attratti dall’estremità positiva di una batteria e respinti da quella negativa. Quando la batteria è collegata a un dispositivo che lascia fluire gli elettroni attraverso di essa, questi fluiscono dal terminale negativo (anodo) a quello positivo (catodo).
Chi ha inventato la cella elettrochimica (batteria)?
|
LA PRIMA BATTERIA DI VOLTA
|
La batteria realizzata da Volta è accreditata come la prima cella elettrochimica. È composta da due elettrodi: uno di zinco e l’altro di rame. L’elettrolita è acido solforico o una miscela salina di sale e acqua. L’elettrolita esiste sotto forma di 2H+ e SO42-. Lo zinco, che è superiore sia al rame che all’idrogeno nella serie elettrochimica, reagisce con il solfato caricato negativamente SO42- . Gli ioni idrogeno caricati positivamente (protoni) catturano elettroni dal rame, formando bolle di gas idrogeno, H2. Questo rende la barra di zinco l’elettrodo negativo e la barra di rame l’elettrodo positivo. Abbiamo ora due terminali, e la corrente scorrerà se li colleghiamo. Le reazioni in questa cella sono le seguenti: Zinco Zn –> Zn2+ + 2e- acido solforico 2H+ + 2e- –> H2 Il rame non reagisce, fungendo da elettrodo per la reazione chimica. |
Come funziona una batteria moderna (batteria zinco-carbone)?
 |
Una pila o batteria a secco zinco-carbone è confezionata in una lattina di zinco che funge sia da contenitore che da terminale negativo (anodo). Il terminale positivo è una barra di carbonio circondata da una miscela di biossido di manganese e polvere di carbonio. L’elettrolita utilizzato è una pasta di cloruro di zinco e cloruro di ammonio sciolta in acqua. L’asta di carbonio (grafite) è ciò che raccoglie gli elettroni provenienti dalla parte anodica della batteria per tornare alla parte catodica della batteria. Il carbonio è l’unico materiale conduttore pratico perché ogni metallo comune si corrode rapidamente nell’elettrodo positivo in un elettrolita a base di sale. Lo zinco viene ossidato secondo la seguente semi-equazione. Il biossido di manganese è mescolato con polvere di carbonio per aumentare la conduttività elettrica. La reazione è la seguente: e il CL si unisce allo Zn2+. In questa mezza reazione, il manganese si riduce da uno stato di ossidazione di (+4) a (+3). Ci sono altre possibili reazioni collaterali, ma la reazione complessiva in una cella zinco-carbone può essere rappresentata come: Zn(s) + 2MnO2(s) + 2NH4Cl(aq) —> Mn2O3(s) + Zn(NH3)2Cl2 (aq) + H2O(l) La batteria ha un e.m.f. di circa 1,5 V. |
Quali sono i diversi tipi di batterie? Alcuni dei tipi più comuni di batterie sono:
|
Batteria alcalina |
Usata in Duracell® ed Energizer® e altre batterie alcaline. Gli elettrodi sono di zinco e ossido di manganese. L’elettrolita è una pasta alcalina. |
|
Lad-acido al piombo |
Sono utilizzati nelle automobili. Gli elettrodi sono fatti di piombo e ossido di piombo con un acido forte come elettrolita. |
|
Batteria al litio |
Queste batterie sono utilizzate nelle fotocamere per il bulbo del flash. Sono fatte con litio, litio-ioduro e piombo-ioduro. Possono fornire picchi di elettricità per il flash. |
| Batteria al litio | Queste batterie sono utilizzate nelle fotocamere per il flash. Sono fatte con litio, litio-ioduro e piombo-ioduro. Possono fornire picchi di elettricità per il flash. |
| Batteria agli ioni di litio | Queste batterie si trovano in computer portatili, telefoni cellulari e altre apparecchiature portatili ad alto utilizzo. |
| Batteria nichel-cadmio o NiCad | Gli elettrodi sono nichel-idrossido e cadmio. L’elettrolita è l’idrossido di potassio. |
| Batteria zinco-carbone o batteria standard al carbonio – | Zinco e carbonio sono utilizzati in tutte le batterie a secco AA, C e D normali o standard. Gli elettrodi sono fatti di zinco e carbonio, con una pasta di materiali acidi tra di loro che serve come elettrolita. |