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Didattica della Chimica
 
   
 

L'accumulatore al piombo

Materiali occorrenti:

Cella elettrolitica - Lamine di piombo - Acido solforico sol. 10 % ca. - Alimentatore in c.c. da 6/12 volts - Voltmetro - Amperometro - Lampadina 1.5 V, 0.5 A - Cavi.

 

Richiami teorici:

Gli accumulatori al piombo sono delle pile reversibili; possono, infatti, accumulare corrente ( processo di carica ) oppure generare corrente ( processo di scarica ),in quanto la reazione di ossidoriduzione che avviene può procedere nei due sensi.

Gli accumulatori sono costituiti da un anodo (-) costituito da piastre in piombo e da un catodo (+) costituito da piastre in piombo rivestite da biossido di piombo
(
PbO2 ); gli elettrodi sono immersi in un elettrolita, costituito da una soluzione circa al 20 - 30 % di acido solforico.

L'accumulatore può essere così schematizzato:

( - ) Pb / H2SO4 / PbO2 ( + )

Nel processo di scarica l'accumulatore funziona da cella galvanica e fornisce energia elettrica trasformando l'energia chimica: all' anodo ( - ) avviene una reazione reversibile di ossidazione , mentre al catodo ( + ) si ha una reazione reversibile di riduzione.

ossidazione Pb(s) + SO42-(aq)  ---> PbSO4 (s) + 2e
riduzione PbO2 (s) + 4H+ + SO42-(aq) + 2e ---> PbSO4 (s) + 2H2O
-------------------------------------------------------
Pb(s) + PbO2 (s) + 4H+ + 2SO42-(aq) ---> 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)  ---> PbSO4 (s) + 2e E0 = -0.36 V
PbO2 (s) + 4H+ + SO42-(aq) + 2 --->PbSO4 (s) + 2H2O E0 = +1.69 V
------------------------------------------------------- ------------
Pb(s) + PbO2 (s) + 4H+ + 2SO42-(aq) ---> 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 superata; 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 ---> Pb(s) + PbO2 (s) + 2H2SO4 (sol) <---> 2PbSO4 (s) + 2H2O <--- 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 perché 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.



Accumulatore al piombo

L'accumulatore al piombo



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Aggiornamento: 19-Mar-2013 22:19
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