Cella chimica
Una cella chimica converte l'energia chimica in energia elettrica. La maggior parte delle batterie sono celle chimiche. Una reazione chimica avviene all'interno della batteria e provoca il flusso di corrente elettrica.
Ci sono due tipi principali di batterie: quelle ricaricabili e quelle che non lo sono.
Una batteria che non è ricaricabile darà elettricità fino a quando le sostanze chimiche in essa contenute non saranno esaurite. Allora non è più utile. Può essere giustamente chiamata "usa e getta".
Una batteria ricaricabile può essere ricaricata facendo passare la corrente elettrica all'indietro attraverso la batteria; poi può essere usata di nuovo per produrre più elettricità. Fu Gaston Plante, uno scienziato francese che inventò queste batterie ricaricabili nel 1859.
Le batterie sono disponibili in molte forme e dimensioni, da quelle molto piccole usate nei giocattoli e nelle macchine fotografiche, a quelle usate nelle automobili o ancora più grandi. I sottomarini richiedono batterie molto grandi.
Tipi di cellule chimiche
- Cella semplice
- Cella a secco
- Cella umida
- Cella a combustibile
- Cella solare
- Cella elettrica
Celle elettrochimiche
Una classe estremamente importante di reazioni di ossidazione e riduzione è usata per fornire energia elettrica utile nelle batterie. Una semplice cella elettrochimica può essere fatta da metalli di rame e zinco con soluzioni dei loro solfati. Nel processo della reazione, gli elettroni possono essere trasferiti dallo zinco al rame attraverso un percorso elettricamente conduttivo come una corrente elettrica utile.
Una cella elettrochimica può essere creata mettendo elettrodi metallici in un elettrolita dove una reazione chimica utilizza o genera una corrente elettrica. Le celle elettrochimiche che generano una corrente elettrica sono chiamate celle voltaiche o galvaniche, e le batterie comuni sono costituite da una o più di queste celle. In altre celle elettrochimiche una corrente elettrica fornita dall'esterno viene utilizzata per guidare una reazione chimica che non avverrebbe spontaneamente. Tali celle sono chiamate celle elettrolitiche.
Celle Voltaiche
Una cella elettrochimica che provoca un flusso di corrente elettrica esterna può essere creata usando due metalli diversi, poiché i metalli differiscono nella loro tendenza a perdere elettroni. Lo zinco perde elettroni più facilmente del rame, quindi ponendo lo zinco e il rame in soluzioni dei loro sali si può far fluire gli elettroni attraverso un filo esterno che porta dallo zinco al rame. Quando un atomo di zinco fornisce gli elettroni, diventa uno ione positivo e va in soluzione acquosa, diminuendo la massa dell'elettrodo di zinco. Dal lato del rame, i due elettroni ricevuti gli permettono di convertire uno ione di rame dalla soluzione in un atomo di rame senza carica che si deposita sull'elettrodo di rame, aumentando la sua massa. Le due reazioni si scrivono tipicamente
Zn(s) --> Zn2+(aq) + 2e-
Cu2+(aq) + 2e- --> Cu(s)
Le lettere tra parentesi ricordano che lo zinco passa da un solido (s) a una soluzione di acqua (aq) e viceversa per il rame. È tipico nel linguaggio dell'elettrochimica riferirsi a questi due processi come "mezze reazioni" che avvengono ai due elettrodi.
| Zn(s) -> Zn2+(aq) + 2e- |
|
| Cu2+(aq) + 2e- -> Cu(s) |
Affinché la cella voltaica continui a produrre una corrente elettrica esterna, ci deve essere un movimento degli ioni solfato in soluzione da destra a sinistra per bilanciare il flusso di elettroni nel circuito esterno. Agli stessi ioni metallici deve essere impedito di muoversi tra gli elettrodi, quindi qualche tipo di membrana porosa o altro meccanismo deve provvedere al movimento selettivo degli ioni negativi nell'elettrolita da destra a sinistra.
L'energia è necessaria per forzare gli elettroni a muoversi dall'elettrodo di zinco a quello di rame, e la quantità di energia per unità di carica disponibile dalla cella voltaica è chiamata forza elettromotrice (emf) della cella. L'energia per unità di carica è espressa in volt (1 volt = 1 joule/coulomb).
Chiaramente, per ottenere energia dalla cella, si deve ottenere più energia rilasciata dall'ossidazione dello zinco di quella che serve per ridurre il rame. La cella può produrre una quantità finita di energia da questo processo, essendo il processo limitato dalla quantità di materiale disponibile nell'elettrolita o negli elettrodi metallici. Per esempio, se ci fosse una mole di ioni solfato SO42- sul lato rame, allora il processo è limitato al trasferimento di due moli di elettroni attraverso il circuito esterno. La quantità di carica elettrica contenuta in una mole di elettroni è chiamata costante di Faraday, ed è uguale al numero di Avogadro per la carica dell'elettrone:
Costante di Faraday = F = NAe = 6,022 x 1023 x 1,602 x 10-19 = 96.485 Coulombs/mole
La resa energetica di una cella voltaica è data dalla tensione della cella per il numero di moli di elettroni trasferiti per la costante di Faraday.
Produzione di energia elettrica = nFEcell
L'emf della cella Ecell può essere previsto dai potenziali standard degli elettrodi per i due metalli. Per la cella zinco/rame nelle condizioni standard, il potenziale di cella calcolato è di 1,1 volt.
Cella semplice
Una cella semplice ha tipicamente piastre di rame (Cu) e zinco (Zn) in acido solforico diluito. Lo zinco si dissolve e bolle di idrogeno appaiono sulla piastra di rame. Queste bolle di idrogeno interferiscono con il passaggio della corrente, quindi una cella semplice può essere utilizzata solo per un breve periodo. Per fornire una corrente costante, è necessario un depolarizzatore (un agente ossidante) per ossidare l'idrogeno. Nella cella Daniel, il depolarizzatore è il solfato di rame, che scambia l'idrogeno con il rame. Nella batteria Leclanche, il depolarizzatore è il biossido dimanganese, che ossida l'idrogeno in acqua.
Cella semplice
Cella Daniel
Il chimico inglese John Frederick Daniell sviluppò una cella voltaica nel 1836 che utilizzava zinco e rame e soluzioni dei loro ioni.
Chiave
- Asta di zinco = terminale negativo
- H2SO4 = elettrolita di acido solforico diluito
- La pentola porosa separa i due liquidi
- CuSO4 = solfato di rame depolarizzante
- Pentola di rame = terminale positivo
Schema di una cella Daniel
Domande e risposte
D: Che cos'è una cella chimica e qual è il suo scopo?
R: Una cella chimica è un dispositivo che converte l'energia chimica in energia elettrica. Il suo scopo è quello di produrre corrente elettrica attraverso una reazione chimica.
D: Che cosa sono la maggior parte delle batterie?
R: La maggior parte delle batterie sono celle chimiche.
D: Che cosa succede all'interno di una batteria per far fluire la corrente elettrica?
R: All'interno della batteria avviene una reazione chimica che fa fluire la corrente elettrica.
D: Quanti tipi di batterie esistono e quali sono?
R: Esistono due tipi principali di batterie: quelle ricaricabili e quelle non ricaricabili.
D: Cosa succede quando una batteria non ricaricabile si esaurisce?
R: Una batteria non ricaricabile fornisce elettricità fino a quando le sostanze chimiche in essa contenute non si esauriscono. A quel punto non è più utile e può essere gettata via.
D: Chi ha inventato le batterie ricaricabili e quando?
R: Le batterie ricaricabili sono state inventate da Gaston Plante, uno scienziato francese, nel 1859.
D: Le batterie possono essere di diverse dimensioni e qual è un esempio di dispositivo che richiede una batteria di grandi dimensioni?
R: Sì, le batterie possono avere molte forme e dimensioni. Un esempio di dispositivo che richiede una batteria di grandi dimensioni è un sottomarino.
