Principio di funzionamento della batteria: Come funziona una batteria?

Principio di funzionamento della batteria

Una batteria funziona sull'ossidazione e riduzione di un elettrolita con metalli. Quando due sostanze metalliche diverse, chiamate elettrodi, vengono poste in un elettrolita diluito, si verificano reazioni di ossidazione e riduzione negli elettrodi rispettivamente, a seconda dell'affinità elettronica del metallo degli elettrodi. A causa della reazione di ossidazione, un elettrodo si carica negativamente, chiamato catodo, e a causa della reazione di riduzione, un altro elettrodo si carica positivamente, chiamato anodo.

Il catodo forma il terminale negativo, mentre l'anodo forma il terminale positivo di una batteria. Per comprendere correttamente il principio di base della batteria, prima dovremmo avere alcune nozioni di base sugli elettroliti e sull'affinità elettronica. In effetti, quando due metalli diversi sono immersi in un elettrolita, si produrrà una differenza di potenziale tra questi metalli.

Si è scoperto che, quando alcuni composti specifici vengono aggiunti all'acqua, si dissolvono e producono ioni negativi e positivi. Questo tipo di composto è chiamato elettrolita. Esempi popolari di elettroliti sono quasi tutti i tipi di sali, acidi e basi. L'energia rilasciata durante l'accettazione di un elettrone da un atomo neutro è nota come affinità elettronica. Poiché la struttura atomica per diversi materiali è diversa, l'affinità elettronica dei diversi materiali sarà diversa.

Se due tipi diversi di metalli vengono immersi nella stessa soluzione elettrolitica, uno di essi guadagnerà elettroni e l'altro ne libererà. Quale metallo (o composto metallico) guadagnerà elettroni e quale ne perderà, dipende dall'affinità elettronica di questi metalli. Il metallo con bassa affinità elettronica guadagnerà elettroni dagli ioni negativi della soluzione elettrolitica.

D'altra parte, il metallo con alta affinità elettronica libererà elettroni e questi elettroni entreranno nella soluzione elettrolitica e si aggiungeranno agli ioni positivi della soluzione. In questo modo, uno di questi metalli guadagna elettroni e l'altro li perde. Di conseguenza, ci sarà una differenza nella concentrazione degli elettroni tra questi due metalli.

Questa differenza nella concentrazione degli elettroni causa una differenza di potenziale elettrico sviluppata tra i metalli. Questa differenza di potenziale elettrico o f.e.m. può essere utilizzata come una sorgente di tensione in qualsiasi circuito elettronico o circuiti elettrici. Questo è un principio generale e di base della batteria e così funziona una batteria.

Tutte le celle di batteria si basano solo su questo principio di base. Ne discuteremo una per una. Come abbiamo detto prima, Alessandro Volta sviluppò la prima cella di batteria, e questa cella è comunemente conosciuta come la semplice cella voltaica. Questo tipo di cella semplice può essere creata molto facilmente. Prendi un contenitore e riempi con acido solforico diluito come elettrolita. Ora immergiamo un pezzo di zinco e un pezzo di rame nella soluzione e li connettiamo esternamente con un carico elettrico. Ora la tua cella voltaica semplice è completata. La corrente inizierà a fluire attraverso il carico esterno.

Lo zinco in un acido solforico diluito cede elettroni come segue:

Questi Zn + + ioni passano nell'elettrolita, e ogni Zn + + ione lascia due elettroni nel pezzo. A causa della reazione di ossidazione sopra menzionata, l'elettrodo di zinco rimane caricato negativamente e quindi agisce come catodo. Di conseguenza, la concentrazione di Zn + + ioni vicino al catodo nell'elettrolita aumenta.

Secondo la proprietà dell'elettrolita, l'acido solforico diluito e l'acqua si sono già dissociati in ioni idronio positivi e ioni solfato negativi come segue:

A causa della alta concentrazione di Zn+ + ioni vicino al catodo, gli ioni H3O+ vengono respinti verso l'elettrodo di rame e vengono scaricati assorbendo elettroni dagli atomi del pezzo di rame. La seguente reazione si verifica all'anodo:

A causa della reazione di riduzione che si verifica all'elettrodo di rame, il pezzo di rame si carica positivamente e quindi agisce come anodo.

Cella Daniell

La cella Daniell consiste in un recipiente di rame contenente una soluzione di solfato di rame. Il recipiente di rame stesso agisce come elettrodo positivo. Un vaso poroso contenente acido solforico diluito viene posizionato nel recipiente di rame. Un pezzo di zinco amalgamato, immerso nell'acido solforico, agisce come elettrodo negativo.

L'acido solforico diluito nel vaso poroso reagisce con lo zinco e come risultato si libera idrogeno. La reazione avviene come segue:

La formazione di ZnSO4 nel vaso poroso non influenza il funzionamento della cella fino a quando non si depositano cristalli di ZnSO4. Il gas idrogeno passa attraverso il vaso poroso e reagisce con la soluzione di CuSO4 come segue:

Il rame formato si deposita sul recipiente di rame.

Storia della batteria

Nel 1936, durante l'estate, una tomba antica fu scoperta durante la costruzione di una nuova linea ferroviaria vicino alla città di Baghdad in Iraq. I reperti trovati in quella tomba erano vecchi di circa 2000 anni. Tra questi reperti, c'erano alcune giare d'argilla sigillate in cima con pece. Un pezzo di ferro, circondato da un tubo cilindrico fatto di una lamina di rame avvolta, sporgeva dal sigillo superiore.

Quando gli scopritori riempirono queste giare con un liquido acido, trovarono una differenza di potenziale di circa 2 volt tra il ferro e il rame. Queste giare d'argilla furono sospettate di essere celle di batteria di 2000 anni fa. Le chiamarono batteria Partica.

Nel 1786, Luigi Galvani, un anatomista e fisiologo italiano, rimase sorpreso nel vedere che, quando toccava le zampe di una rana morta con due metalli diversi, i muscoli delle zampe si contraevano.

Non riuscì a capire la ragione reale, altrimenti sarebbe stato noto come il primo inventore della cella di batteria. Pensò che la reazione potesse essere dovuta a una proprietà dei tessuti.