ACCUMULATORI ELETTRICI

ACCUMULATORI ELETTRICI

 IntroduzioneIl passaggio della corrente elettrica nelle soluzioni elettrolitiche determina interessanti processi chimici. Queste trasformazioni ed i relativi processi avvengono con un assorbimento di energia. Questa energia viene fornita da un generatore elettrico, che per mezzo della sua forza elettromotrice mantiene il passaggio di corrente elettrica nella soluzione. è noto che per separare gli elementi chimici di un composto occorre una certa quantità di energia, di valore  uguale a quella che si è liberata all’atto della sua formazione. Per comprendere meglio il fenomeno approfondiamo il meccanismo del passaggio dell’ elettricità nelle soluzioni elettrolitiche. Quando si fornisce tensione ad una cella elettrolitica, voltametro, i primi ioni, creati dalla dissociazione elettrolitica dovuta al solvente, iniziano a muoversi sotto l’ effetto del campo elettrico, ma giunti nei pressi degli elettrodi , sia positivo che negativo, non vi si depositano, ma stazionano davanti arrivando a formare una specie di guaina attorno all’ elettrodo stesso. La presenza di queste cariche origina una campo elettrico contrario a quello del generatore applicato al voltametro ed impedisce che altri ioni raggiungano gli elettrodi, a meno che questi non posseggano un’ energia cinetica sufficientemente alta da vincere questa repulsione. Quindi da un punto di vista elettrico ogni elettrodo manifesta una forza controelettromotrice che deve essere vinta se vogliamo mantenere la corrente nella cella: è dimostrato sperimentalmente che il valore di questa è strettamente dipendente dalla natura chimica degli elementi separati e non dalla forma degli elettrodi o del voltametro. Il valore di questa forza controelettromotrice è stata denominata tensione di polarizzazione anodica. Il generatore deve dunque vincere questa differenza di potenziale contraria, comunemente chiamata tensione di polarizzazione. Conoscendo questo parametro è possibile scrivere adesso l’ equazione del voltametro:

V = RI + Vp

dove R è la resistenza ohmica presentata dalla soluzione elettrolitica, dipendente da vari fattori quali temperatura, concentrazione del soluto, tipo di solvente, ecc… e Vp la tensione di polarizzazione. Se moltiplichiamo ambo i membri per It (quantità di carica circolante) otteniamo:

VIt = RI²t + VpIt

Da cui comprendiamo agevolmente che l’ energia totale assorbita dal voltametro (VIt) è composta da un’ aliquota dissipata in calore per effetto Joule (RI²t) e dall’ altra (VpIt) che viene trasformata in energia chimica, affinché si possano compiere nel voltametro tutti quei processi che portano alla liberazione o deposizione degli elementi presenti nella soluzione. è a questo punto importantissimo sapere che chiudendo con un carico i due elettrodi, con un amperometro in serie, si osservi un deciso passaggio di corrente, di verso contrario a quella presentata con il voltametro chiuso sul generatore. In questo caso il voltametro si comporta come un generatore vero e proprio; ovviamente la causa di questa forza elettromotrice è da attribuirsi alla tensione di polarizzazione anodica. Logicamente questa corrente andrà gradualmente esaurendosi, con una rapidità dipendente da vari fattori che esamineremo in seguito !!! Il fenomeno è comunque interessante e trova la sua pratica applicazione negli accumulatori elettrici, che sfruttano appunto le f.e.m. di polarizzazione, ovvero l’energia chimica accumulata sugli elettrodi durante il precedente processo di carica. Trattazione estesaL’ accumulatore elettrico è un voltametro in cui il passaggio di corrente in un certo verso causa un fenomeno di polarizzazione molto cospicuo, affinché nella fase di scarica possa restituire una notevole quantità di energia elettrica. All’ interno della cella si verificano una serie di reazioni chimiche di un certo tipo in fase di carica ed esattamente di natura opposta in quella di scarica: in pratica si tratta di una cella elettrolitica perfettamente reversibile, da cui si ottiene una prima grande classificazione nel panorama di questi tipi di generatori, ovvero pile reversibili per quelle ricaricabili ed irreversibili per quelle utilizzabili, pena l’ esplosione, unicamente nella fase di scarica !!!La perfetta comprensione di quanto introdotto, la otteniamo andando ad analizzare il meccanismo per cui avviene la fase di carica e scarica in un tipo di accumulatore diffusissimo, quello cosiddetto al piombo. La cella elettrolitica è composta da una soluzione di acqua distillata (H2O) ed acido solforico (H2SO4) molto diluito e da due elettrodi di piombo. Inizialmente senza aver effettuato nessuna prima ricarica otterremo, per l’ azione dell’ acido solforico, un sottile strato di solfato di piombo su entrambe gli elettrodi, mentre nella soluzione troveremo, per dissociazione, ioni positivi d’ idrogeno (2H+) e radicali acidi (SO4–).Facendo adesso attraversare la cella da una corrente elettrica, quindi attivando un campo elettrico, gli ioni presenti nella soluzione inizieranno a muoversi verso i rispettivi elettrodi, ovvero:1) Gli ioni SO4– migreranno verso l’anodo e neutralizzata la loro carica reagiranno con il solfato che ricopre  l’elettrodo e con l’ acqua della soluzione secondo la seguente equazione chimica:PbSO4 + 2H20 + SO4 = PbO2 + 2H2SO4trasformando cioè il solfato in biossido di piombo e producendo acido solforico.2) Gli ioni idrogeno 2H+ si sposteranno verso il catodo e neutralizzatisi reagiranno anch’essi con il solfato di piombo, di cui è ricoperto l’elettrodo, secondo la seguente equazione chimica:PbSO4 + 2H = Pb + H2SO4trasformando il solfato di piombo in piombo metallico, spugnoso e producendo acido solforico.La corrente di carica porterà alla fine ad uno stato in cui l’elettrodo positivo sarà ricoperto da uno strato di biossido di piombo , mentre quello negativo nella sua parte più esterna da piombo spugnoso. La carica sarà terminata quando l’ energia elettrica non potrà più essere immagazzinata sotto forma di energia chimica, ovvero quando l’idrogeno ed il radicale acido non riusciranno più a penetrare entro il solfato di piombo che ricopre gli elettrodi , per reagire secondo le due equazioni poc’anzi riportate.Da questo punto qualsiasi ulteriore apporto di energia causerà il fenomeno dell’elettrolisi dell’acqua, che determinerà la formazione di bolle gassose d’idrogeno ed ossigeno, con un forte bollore della soluzione.