L'accumulatore al piombo
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| ossidazione | Pb(s) + SO42-(aq) ¾® PbSO4 (s) + 2e |
| riduzione | PbO2 (s) + 4H+ + SO42-(aq) + 2e ¾® PbSO4 (s) + 2H2O |
| ¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾ | |
| Pb(s) + PbO2 (s) + 4H+ + 2SO42-(aq) ¾® 2PbSO4 (s) + 2H2O |
La f.e.m. teorica di un elemento di accumulatore al piombo può
essere facilmente calcolata osservando i potenziali standard di riduzione delle due
semireazioni:
| Pb(s) + SO42-(aq) ¾® PbSO4 (s) + 2e | E0 = -0.36 V |
| PbO2 (s) + 4H+ + SO42-(aq) + 2e ¾® PbSO4 (s) + 2H2O | E0 = +1.69 V |
| ¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾ | ¾¾¾¾¾ |
| Pb(s) + PbO2 (s) + 4H+ + 2SO42-(aq) ¾® 2PbSO4 (s) + 2H2O | E0 = +2.04 V |
Questo valore è riferito ad una situazione standard ( 25 °C e
concentrazione 1 M ); in pratica, un elemento al piombo in cui la concentrazione di H2SO4 sia
4 ¸ 5M ( 20 ¸
30 % ) , la f.e.m. è di circa 2.2 v
e tende a scendere, durante l'utilizzo, a circa 2 v.
Nel processo di carica le reazioni che si verificano ai due poli
sono uguali ma opposte a quelle descritte, in quanto sono provocate dall'energia elettrica
fornita da un generatore; con essa si trasforma PbSO4 in Pb e PbO2.
La tensione da fornire deve essere di circa 2.2 v, e non deve essere suparata;
infatti quando la tensione applicata raggiunge i 2.4 v si ha elettrolisi dell'acqua
con sviluppo di H2 ed O2 Ciò porta ad un inutile consumo di energia
elettrica e a deterioramento delle placche dell'accumulatore, per azione dei gas.
Nel processo di scarica è opportuno non far diminuire mai la f.e.m. sotto 1.8 v per elemento. Questa evenienza porterebbe al processo di solfatazione dell'elemento. Il PbSO4 che si forma normalmente è un sale poco solubile ed aderisce alle piastre sotto forma di granuli molto piccoli.
Se la f.e.m. scende sotto 1.8 v si formano dei granuli molto
grossi che non riescono più a ritrasformarsi nel processo di carica.
In pratica la fine della vita di una batteria di accumulatori al piombo è dovuta al processo di solfatazione.
La reazione complessiva dell'accumulatore al piombo è, in
definitiva, la seguente:
| scarica ¾¾® | Pb(s) + PbO2 (s) + 2H2SO4 (sol) ¬¾¾® 2PbSO4 (s) + 2H2O | ¬¾¾ carica |
Esecuzione dell'esperienza:
Il modello didattico di accumulatore al piombo è formato da una cella elettrolitica in vetro, da due lamine in piombo e da un sostegno isolato per dette.
Nella cella si pone la soluzione di acido solforico , fino a ca. 4 cm. dal
bordo.
Si immergono le lamine di piombo, montate sul supporto isolato, e, tramite due cavi, le
si collegano ad un generatore di corrente continua da 6 v. . In breve
sull' anodo si nota un annerimento per formazione di PbO2
dovuto all'elettrolisi.
Trascorsi alcuni minuti per la carica, si disconnettono i cavi e si
misura la f.e.m. espressa dall'accumulatore collegando il voltmetro alle lamine, nel
rispetto della polarità.
Tale f.e.m. espressa è di circa 2 v.. Il tipo di corrente è,
ovviamente, continua.
Dopo questa fase si collega l'accumulatore all'amperometro e ad un
utilizzatore, quale, ad esempio, una lampadina da 1.5 V, 0.3 A, costituendo un idoneo
circuito. Si determina l'intensità della corrente restituita. Nel caso dell'accumulatore
didattico descritto essa è pari a circa 0.5 A.
Se si lascia attivo il sistema, si nota che l'intensità e, quindi, la
luce emessa dalla lampadina tendono rapidamente a decrescere, ovviamente in proporzione al
tempo di carica.
In base alle risultanze dell'esperienza è facile comprendere perchè
gli accumulatori per veicoli hanno tensioni multiple della f.e.m. espressa da una singola
cella, ad esempio, 6 o 12 volts: sono costituiti, infatti, da 3 o 6 celle elementari
collegate in serie.
Disponendo di almeno due celle elettrolitiche didattiche è possibile
verificare quanto sopra; inoltre è possibile verificare che il collegamento in parallelo
di due o più celle elementari non porta ad aumento della tensione ma, bensì, a quello
dell'intensità.
Al termine dell'esperienza si svuota la cella elettrolitica, si lava il
tutto con acqua corrente, lasciando asciugare all'aria.
L'accumulatore al piombo