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Introduzione

Pile e accumulatori Dispositivi elettrochimici capaci di trasformare energia chimica in energia elettrica. Sono utilizzati come generatori di elettricità, ad esempio per alimentare strumenti meccanici o elettronici quali registratori, apparecchi radio e orologi o per avviare l’impianto elettrico delle automobili.

Le pile propriamente dette sono irreversibili, in quanto soggette a esaurimento: dopo la trasformazione dell’energia chimica in energia elettrica, infatti, i componenti di tipo chimico non possono essere riportati nella loro condizione originaria. Gli accumulatori, invece, sono reversibili: facendo fluire corrente elettrica in senso opposto a quello del normale funzionamento, infatti, il sistema chimico può essere riportato allo stato iniziale.

Il primo modello di pila elettrica fu ideato e costruito da Alessandro Volta nel 1800. Era sostanzialmente una successione di elementi voltaici impilati (da cui il nome di pila), ciascuno dei quali costituito da un disco di zinco, uno di rame e da un panno imbevuto di acqua acidulata. L’alternanza di conduttori di prima e di seconda specie (metalli e soluzioni elettrolitiche) garantiva l’insorgenza di una differenza di potenziale ai capi della pila, in accordo con le leggi di Volta (vedi Effetto Volta).

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Componenti essenziali e principio di funzionamento

Gli elementi essenziali di una pila o di un accumulatore sono una sostanza elettrolitica e una coppia di elettrodi o poli. La prima è un conduttore di seconda specie, vale a dire, una sostanza in cui la conduzione elettrica avviene a opera del movimento congiunto di cariche positive (ioni) e negative (elettroni e ioni); gli elettrodi, invece, sono conduttori di prima specie, vale a dire metalli, in cui la conduzione avviene unicamente a opera degli elettroni.

Il principio di funzionamento di pile e accumulatori – detti genericamente celle elettrochimiche – consiste nel produrre reazioni di ossidoriduzione tra le specie metalliche degli elettrodi e la soluzione elettrolitica, in modo da creare una differenza di potenziale che consenta la circolazione della corrente elettrica in un circuito esterno. La soluzione elettrolitica chiude il circuito internamente, permettendo il flusso di ioni da un elettrodo all’altro. La tensione fornita da una pila dipende unicamente dalle specie chimiche dei suoi elettrodi: la differenza di potenziale che si misura ai poli, infatti, è sempre uguale alla differenza tra i potenziali di riduzione delle specie chimiche coinvolte (valori che si trovano riportati in apposite tavole di consultazione). Collegando in serie più pile, si possono ottenere tensioni multiple di quella relativa a una singola cella.

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Pile

La pila di Volta è costituita da una serie di elementi, detti voltaici, ognuno dei quali è composto da un disco metallico di rame e uno di zinco, a contatto con un panno imbevuto di una soluzione elettrolitica. Ciascuno di questi elementi è in tutto e per tutto equivalente a un sistema elettrochimico costituito da un recipiente contenente la soluzione elettrolitica e i due elettrodi immersi al suo interno. Tenendo presente questo schema, si può più facilmente analizzare il funzionamento di un singolo elemento voltaico e di tutti i modelli di pila successivi a quello di Volta.

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La pila Daniell

Uno dei primi e più noti tipi di pila elettrica è la pila Daniell, messa a punto nel 1836 dal chimico inglese James Daniell. La cella contiene non una, ma due soluzioni elettrolitiche separate da un setto poroso (o da un ponte salino): solfato di zinco in acqua, contenente l’elettrodo di zinco (il polo negativo), e solfato di rame in acqua, contenente l’elettrodo di rame (il polo positivo). Durante il funzionamento della pila, la corrente circola esternamente attraverso un filo elettrico che collega i poli e internamente attraverso le soluzioni elettrolitiche, grazie al movimento degli ioni.

Il funzionamento della pila dipende dalle due semireazioni che hanno luogo agli elettrodi. In corrispondenza di quello negativo, lo zinco metallico tende a ossidarsi, cedendo due elettroni secondo la reazione:

Zn → Zn²⁺ + 2e^-

All’elettrodo positivo, invece, lo ione bivalente Cu²⁺ tende a ridursi, acquistando due elettroni per diventare rame metallico:

Cu²⁺ + 2e^- → Cu

La somma delle due semireazioni dà la reazione complessiva della pila Daniell:

Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu

In sostanza, i due elettroni liberati dalla reazione di ossidazione al polo negativo sono attirati da quello positivo; circolano quindi attraverso il circuito esterno e raggiungono l’elettrodo di rame. Qui agiscono da agenti riducenti nella semireazione che produce rame metallico a partire dallo ione Cu²⁺ proveniente dalla soluzione.

Nel frattempo, lo ione Zn²⁺ prodotto entra in soluzione, mentre il rame Cu passa dalla soluzione all’anodo: via via che la reazione procede, quindi, l’elettrodo di zinco si consuma mentre l’elettrodo di rame si ingrossa. Lo scompenso di cariche che si crea nelle due semicelle è colmato dal flusso di ioni attraverso il setto poroso (o il ponte salino), che tende a ristabilire l’equilibrio.

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Altri tipi di pile

Sul modello della pila di Volta e della pila Daniell, sono state realizzate numerose varianti, diverse per specie chimiche coinvolte e disposizione degli elementi. Il tipo più diffuso è la pila a secco, messa a punto dal chimico francese Georges Leclanché nel 1866. La sua caratteristica principale è che la sostanza elettrolitica non è in forma liquida ma di gel, il che ne favorisce l’impiego in dispositivi portatili.

Un altro tipo di celle irreversibili è costituito dalle pile a combustibile; queste si differenziano dalle pile elettriche propriamente dette in quanto non contengono la sostanza elettrolitica, ma la ricevono dall’esterno con continuità.

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Accumulatori

Gli accumulatori sono celle elettrochimiche ricaricabili. Ne esistono di diversi tipi, generalmente classificati in base alla specie chimica degli elettrodi. Il più diffuso è quello al piombo, ideato nel 1859 dal fisico francese Gaston Planté. Costituito da tre o sei celle collegate in serie, eroga una tensione sufficiente a far partire un motore; è quindi largamente utilizzato per alimentare il circuito di avviamento di automobili, camion e motociclette.

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Accumulatore al piombo

L’elettrolita è costituito da una soluzione diluita di acido solforico, l’elettrodo negativo è una lastra di piombo, quello positivo una lastra di piombo ricoperta di biossido di piombo. Quando l’accumulatore viene azionato, dall’elettrodo negativo si liberano elettroni, che attraversano il circuito esterno, e ioni piombo carichi positivamente, che reagiscono con l’acido solforico producendo solfato di piombo. Quando gli elettroni rientrano nella cella, in corrispondenza dell’elettrodo positivo si sviluppa un’altra reazione chimica: il biossido di piombo reagisce con gli ioni idrogeno presenti in soluzione e con gli elettroni per formare acqua, liberando contemporaneamente ioni piombo che si combinano con gli ioni solfato presenti in soluzione per formare solfato di piombo.

L’accumulatore al piombo si scarica progressivamente con la trasformazione dell’acido solforico in acqua e degli elettrodi in solfato di piombo. Quando si ricarica la cella, avvengono reazioni chimiche opposte a quelle descritte, che riportano i componenti chimici nelle loro condizioni originarie. Un accumulatore al piombo può generare una differenza di potenziale di 2 V per cella, e in genere ha una durata di circa quattro anni; recentemente sono stati prodotti accumulatori al piombo per usi particolari, con durata fino a cinquanta anni.

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Cella alcalina

La cella alcalina o pila nichel-ferro, altrettanto diffusa, fu progettata dall’inventore statunitense Thomas Edison intorno al 1900. Ha lo stesso principio di funzionamento dell’accumulatore al piombo, ma in questo caso l’elettrodo negativo è di ferro, quello positivo di ossido di nichel e l’elettrolita è una soluzione di idrossido di potassio. Utilizzata prevalentemente nell’industria pesante, ha una durata di circa dieci anni, è in grado di produrre una differenza di potenziale di circa 1,5 V, ma presenta lo svantaggio di liberare idrogeno durante il processo di ricarica.

Una cella alcalina simile a quella di Edison è la cella nichel-cadmio o pila al cadmio, in cui l’elettrodo di ferro è sostituito da uno di cadmio. Produce una differenza di potenziale di circa 1,5 V e ha durata di circa venticinque anni.

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Batterie solari

Le batterie solari producono elettricità mediante un processo di trasformazione fotoelettrica. L’elemento che produce elettricità è un semiconduttore fotosensibile, come, ad esempio, il silicio cristallino opportunamente drogato. Quando i cristalli sono colpiti da radiazioni luminose, gli elettroni degli atomi che si trovano negli strati superficiali del cristallo migrano verso la faccia opposta del cristallo cosicché, collegando le due facce esterne del semiconduttore con un circuito esterno, si ottiene una corrente elettrica. Le celle solari hanno lunga durata: ad esempio, sono un’efficiente fonte di elettricità su satelliti artificiali e navicelle spaziali.