L'elettrolisi e i generatori di forza elettromotrice

F I S I C A

Come tutte le automobili anche la mitica "500" aveva un motore che per essere avviato necessitava di picchi elevati di corrente per brevi intervalli di tempo, generati da quella che tutti noi in gergo chiamiamo "batteria". In realtà quel generatore di corrente, responsabile tra l'altro anche dell'accensione delle luci di un' automobile, viene chiamato accumulatore. In questa sezione dedicata alla fisica il mio obiettivo è quello di illustrare il principio su cui si basa il funzionamento di tale componente.

L'elettrolisi e i generatori di forza elettromotrice

Per spiegare il funzionamento di un accumulatore bisognerà prima chiarire il significato del termine elettrolisi.

Immergiamo in un recipiente di vetro contenente acqua distillata due elettrodi metallici, a cui viene applicata una differenza di potenziale, e installiamo nel circuito anche una lampadina. A circuito chiuso osserviamo che la lampadina rimane spenta, questo perché l'acqua non conduce elettricità. Se sciogliamo nell'acqua un composto organico, come lo zucchero, non si nota alcun mutamento, mentre sciogliendo del sale da cucina la lampadina si illumina: la soluzione acqua - sale è conduttrice. Tutte le soluzioni di questo tipo si definiscono soluzioni elettrolitiche e le sostanze che servono per crearle, come sali[1], acidi e basi , si chiamano elettroliti. Queste sostanze disciolte in acqua conducono elettricità poiché le molecole d'acqua si inseriscono fra gli ioni della sostanza, ne indeboliscono i legami facendo si che si rompano e che la sostanza si dissoci in ioni positivi e ioni negativi. Questo processo è chiamato dissociazione elettrolitica. Gli ioni liberi migrano ora disordinatamente per tutta la soluzione. Se poi immergiamo nella soluzione due elettrodi e stabiliamo fra di essi una differenza di potenziale, il campo elettrico spingerà gli ioni positivi (cationi) verso l'elettrodo negativo (catodo) e quelli negativi (anioni) verso l'elettrodo positivo (anodo). Si ha così una corrente elettrica dovuta a un movimento di cariche positive e cariche negative. Il movimento degli ioni disciolti in soluzione è noto come elettrolisi. Il recipiente in cui avviene questo processo prende il nome di voltametro.

Quando gli ioni arrivano sugli elettrodi cedono a questi la loro carica , diventando neutri; successivamente possono svilupparsi allo stato gassoso, o depositarsi sugli elettrodi. Michael Faraday [4], misurò quantitativamente le sostanze che nell'elettrolisi si sviluppano o si depositano agli elettrodi, giungendo alla formulazione di due leggi:

Prima Legge: la massa di sostanza che si deposita a un elettrodo è direttamente proporzionale alla quantità di carica elettrica che passa nel voltametro.

Seconda Legge: in più voltametri, contenenti elettroliti diversi, e collegati in serie in modo che siano attraversati dalla stessa quantità di carica elettrica, le masse delle sostanze che si depositano agli elettrodi sono direttamente proporzionali agli equivalenti chimici[5].

Generatori di f.e.m

Quanto detto in precedenza è importante per introdurre il discorso sui generatori di corrente. Un tappa importante in questo senso fu compiuta da Alessandro Volta[6], a cui si deve l'invenzione della pila, datata 1800. Il termine pila, usato oggi correntemente per indicare una generatore di forza elettromotrice costante , trae origine dalla disposizione a pila del generatore costruito da Volta, formato da coppie di dischi di rame e zinco alternati da un panno imbevuto di una soluzione elettrolitica secondo la successione: rame - zinco - soluzione elettrolitica - rame.

Per spiegare il funzionamento della pila inventata da Volta consideriamo un dispositivo formato da un voltametro con un elettrodo di zinco (Zn) e uno di rame (Cu) immersi in una soluzione molto diluita di acido solforico. Osserviamo che all'eletrodo di zinco avviene la reazione: Zn → Zn⁺⁺   + 2e^- (reazione di ossidazione ). Contemporaneamente sull'elettrodo di rame avviene la reazione: 2 H⁺ + 2e^- → H (reazione di riduzione[9]), cioè gli ioni idrogeno H⁺ presenti nella soluzione sottraggono ognuno un elettrone all'elettrodo di rame, caricandolo positivamente, mentre sulla superficie si deposita l'idrogeno gassoso sotto forma di bollicine. La differenza di potenziale che si produce fra gli elettrodi a causa delle due reazioni è di circa 1,1 V.

Se poi si collegano i due elettrodi con un filo di rame si genera nel circuito esterno un flusso di elettroni dallo zinco al rame; questi, giunti sull'elettrodo di rame, riducono gli ioni H⁺ a idrogeno molecolare. Per ogni due elettroni che fluiscono nel circuito esterno dallo zinco al rame, l'elettrodo di zinco manda in soluzione uno ione Zn⁺⁺ ripristinando la carica negativa perduta, e così via. In questo modo si stabilisce una circolazione di correte che, secondo il verso convenzionale, nel circuito esterno va dal rame (elettrodo positivo) allo zinco (elettrodo negativo).

Con la reazione di ossidazione lo zinco all'elettrodo negativo passa in soluzione, esaurendosi con il tempo. Ma l'arresto di corrente avviene molto prima per un'altra causa nota come polarizzazione della pila. Infatti l'idrogeno, che si sviluppa all'elettrodo positivo di rame, circonda l'elettrodo stesso, alterandone le proprietà e determinando un rapido annullamento della forza elettromotrice.

Le pile attualmente utilizzate sono fatte in modo tale da eliminare il fenomeno della polarizzazione. Infatti contengono una sostanza (ad es. il biossido di manganese) che reagisce con l'idrogeno che si forma all'elettrodo positivo, evitandone per tanto la polarizzazione.

Qualunque tipo di pila dopo un certo intervallo di tempo esaurisce la propria energia chimica e non può funzionare. Per avere correnti di maggiore durata sono stati introdotti proprio gli accumulatori, che possono essere di volta in volta ricaricati tramite il collegamento ad un altro generatore.