I generatori elettrochimici
Molti strumenti che usiamo ogni giorno funzionano grazie alle pile elettriche. Le pile sono generatori elettrochimici, cioè generatori che utilizzano particolari reazioni chimiche, dette reazioni di ossidoriduzione o redox), per ottenere energia elettrica sottoforma di corrente continua. Le reazioni di ossidoriduzione sono particolari reazioni in cui si ha un passaggio di elettroni da una specie chimica ad un’altra.
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I generatori elettrochimici
Le pile sono generatori elettrochimici, cioè generatori che utilizzano particolari reazioni chimiche, dette reazioni di ossidoriduzione o redox), per ottenere energia elettrica sottoforma di corrente continua. Le reazioni di ossidoriduzione sono particolari reazioni in cui si ha un passaggio di elettroni da una specie chimica ad un’altra.
La pila è stata inventata da Alessandro Volta nel 1800, ed è il risultato di esperimenti che riprendevano studi precedenti di Luigi Galvani sull’elettricità. Ma andiamo con ordine…
Luigi Galvani
Luigi Galvani è stato un fisiologo, fisico e anatomista italiano oggi ricordato maggiormente per i suoi studi dell’elettricità animale. Intorno al 1790 Galvani scoprì che, toccando contemporaneamente gli estremi di una coscia di rana scorticata con una combinazione di elettrodi metallici, i muscoli della coscia si contraevano. Galvani ipotizzò l’esistenza di una elettricità specifica degli animali, e che il muscolo dell’animale e il collegamento metallico formassero un vero e proprio circuito elettrico in cui poteva scorrere la presunta elettricità animale.
Alessandro Volta
Alessandro Volta, chimico, fisico, inventore e accademico italiano, appoggiò inizialmente questa tesi, ma poi si convinse del fatto che la rana non era la causa del passaggio di corrente, ma solo un indicatore. A fargli cambiare idea fu questo particolare: le contrazioni delle rane erano molto più evidenti quando il collegamento era formato da metalli di specie diverse. Secondo Volta le cause del fenomeno elettrico osservato andavano cercate proprio nell’arco metallico e non nelle rane.
Alla fine sia Volta che Galvani avevano in parte ragione: i metalli scelti erano sì fondamentali, ma la corente elettrica era generata da reazioni chimiche tra la carne della rana e i metalli.
Volta proseguì le proprie ricerche, e riuscì a riprodurre il fenomeno senza usare corpi di animali: nel 1800 annunciò la costruzione della prima pila.
La pila di Volta
Come era fatta la pila inventata da Volta?
Il suo nome dipende dalla disposizione ‘a pila’ di più elementi simili sovrapposti, detti elementi voltaici. Ogni elemento voltaico era formato da due dischi metallici detti elettrodi (un disco di rame e un disco di zinco) divisi da un disco di feltro o cartone imbevuto in acqua salata, che è un buon conduttore). Al posto dello zinco è possibile usare anche l’alluminio.
Tra l’elettrodo di rame, il conduttore umido e l’elettrodo di zinco avvengono reazioni chimiche di ossidoriduzione, che generano una differenza di potenziale elettrico tra i due elettrodi.
Collegando gli estremi superiore e inferiore della pila per mezzo di un conduttore elettrico si crea un circuito nel quale passa corrente continua.
Maggiore è il numero degli elementi voltaici collegati in serie, maggiore è la differenza di potenziale tra i due estremi della pila, e quindi la corrente che circola nel circuito.
Le pile a secco
Oggi si usano pile che funzionano in modo simile alla pila di Volta, dette pile a secco perchè non contengono liquidi: per questo motivo sono facilmente trasportabili ed utilizzabili.
La prima pila a secco prodotta industrialmente e commercializzata su ampia scala fu la pila Leclanché, o pila zinco-carbone, brevettata nel 1886. E’ costituita da un cilindro di zinco, che è l’elettrodo negativo, e da un nucleo centrale in carbone (polo positivo). L’elettrolita è una sostanza pastosa. Il tutto è inserito in un contenitore isolante in plastica, protetto esternamente da un lamierino.
Un altro esempio di pila a secco è l’evoluzione della pila zinco-carbone: la pila alcalina, che usa come elettrolita un composto a base di un metallo alcalino. La pila alcalina ha una durata nettamente maggiore della pila zinco-carbone, ma è anche più costosa.
Un altro esempio ancora di pila a secco è la pila a bottone. Queste pile hanno dimensioni estremamente ridotte, e servono per alimentare orologi, calcolatrici, bilance.
Pile e accumulatori
Nelle pile le reazioni chimiche sono irreversibili: non è possibile invertire la reazione fornendo energia elettrica alla pila; quando i reagenti della pila si trasformano completamente nei prodotti finali, la pila si scarica divenendo inutilizzabile.
Esistono anche generatori chimici di elettricità con funzionamento reversibile, detti accumulatori: facendo scorrere al loro interno una corrente elettrica in verso opposto rispetto a quella che loro generano, si innescano reazioni chimiche inverse a quelle di funzionamento, che ricaricano l’accumulatore ristabilendo al suo interno le condizioni iniziali. Un esempio di accumulatore è la batteria dell’auto.
Fonti:
“TecnoMEDIA PLUS” – Arduino – Lattes
“Tecnologia.verde” – Paci, Paci, Bernardini – Zanichelli
https://it.wikipedia.org/wiki/Pila_di_Volta
http://ppp.unipv.it/VoltaGalvani/
https://it.wikipedia.org/wiki/Luigi_Galvani
https://it.wikipedia.org/wiki/Pila_(elettrotecnica)
https://www.treccani.it/enciclopedia/alessandro-volta_%28Enciclopedia-dei-ragazzi%29/
Video “Come funzionano le batterie? / La Pila di Alessandro Volta / Redox” Del Canale Youtube “VirtualBrain [IT]”
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Costruzione della Pila di Volta
L’elemento voltaico base è formato da:
- monetina da 5 centesimi di euro (il rame)
- un dischetto di carta assorbente (ritagliato delle stesse dimensioni della moneta) imbevuto in acqua salata
- un dischetto di alluminino, sempre delle stesse dimensioni.
Si impilano circa otto-dieci elementi semprenello stesso ordine.
Ma attenzione: se la carta bagnata o l’alluminio sporgono e toccano più strati sottostanti, gli elementi in mezzo vengono “cortocircuitati”, cioè saltati, e la pila potrebbe non funzionare. Ogni strato deve essere a contatto solo con l’immediatamente precedente e l’immediatamente successivo
A questo punto si può attaccare il led alla pila, per accenderlo. Il led ha una polarità ben definita e può servire per stabilire quali sono il polo positivo e il polo negativo della pila. Si può tenere tutto in una mano. Se non si accende in un verso, quello giusto sarà l’altro. Il led si accende quando viene collegato con la giusta polarità (+ con +, e – con –)
Pulizia delle monete. Per togliere la patina marrone di ossido, immergerle (anche per poco) in aceto e sale. Sciacquarle e asciugarle sfregando bene, e poi sfregarle con la gomma da cancellare.
Il rame continua così a cedere elettroni, l’alluminio ad acquistarne. Tra l’alluminio e il
rame separati dal disco ammollito si stabilisce una differenza di potenziale, costruita dalle
reazioni chimiche, di circa 0.6 volt.