CELLULA SECCA: STRUTTURA E FUNZIONE - CHIMICA - 2025

Una pila a secco è una batteria il cui mezzo elettrolitico è costituito da una pasta e non da una soluzione. Detta pasta, però, ha un certo grado di umidità, e per questi motivi non è strettamente secca.

La poca quantità d'acqua è sufficiente per il movimento degli ioni e, di conseguenza, per il flusso degli elettroni all'interno della cellula.

Fonte: emiliano Robert Vicol via Flickr.

Il suo enorme vantaggio rispetto alle prime batterie ad umido è che essendo una pasta elettrolitica, il suo contenuto non può essere versato; come nel caso delle batterie a umido, che erano più pericolose e delicate delle loro controparti a secco. Data l'impossibilità di fuoriuscite, la cella a secco trova impiego in molti dispositivi portatili e mobili.

Nell'immagine in alto c'è una batteria a secco zinco-carbone. Più esattamente, è una versione moderna della pila Georges Leclanché. Di tutti, è il più comune e forse il più semplice.

Questi dispositivi rappresentano una comodità energetica dovuta al fatto che hanno in tasca energia chimica che può essere trasformata in elettricità; e in questo modo non dipendono dalle prese di corrente o dall'energia fornita dalle grandi centrali elettriche e dalla loro vasta rete di torri e cavi.

Struttura delle cellule secche

Qual è la struttura di una cella a secco? Nell'immagine si vede il suo coperchio, che altro non è che un film polimerico, in acciaio, ei due terminali le cui rondelle isolanti sporgono frontalmente.

Tuttavia, questo è solo il suo aspetto esteriore; Al suo interno si trovano le sue parti più importanti, che ne garantiscono il corretto funzionamento.

Ogni cella a secco avrà le proprie caratteristiche, ma verrà considerata solo la cella zinco-carbone, di cui si può delineare una struttura generale per tutte le altre batterie.

Una batteria è intesa come l'unione di due o più batterie, e queste ultime sono celle voltaiche, come verrà spiegato in una sezione futura.

Elettrodi

Fonte: Wikipedia

L'immagine in alto mostra la struttura interna di una batteria zinco-carbone. Non importa quale sia la cella voltaica, dovrebbero sempre esserci (di solito) due elettrodi: uno da cui vengono emessi gli elettroni e l'altro che li riceve.

Gli elettrodi sono materiali elettricamente conduttivi e, affinché ci sia corrente, entrambi devono avere diverse elettronegatività.

Ad esempio, lo zinco, una latta bianca che racchiude la batteria, è il punto in cui gli elettroni partono per il circuito elettrico (dispositivo) dove è collegato.

D'altra parte, in tutto il mezzo è l'elettrodo di carbonio grafitico; anche immerso in una pasta composta da NH ₄ Cl, ZnCl ₂ e MnO ₂ .

Questo elettrodo è quello che riceve gli elettroni e nota che ha il simbolo "+", il che significa che è il terminale positivo della batteria.

terminali

Come visto sopra l'asta di grafite nell'immagine, c'è il terminale elettrico positivo; e sotto, lo zinco interno può da cui fluiscono gli elettroni, il terminale negativo.

Questo è il motivo per cui le batterie sono contrassegnate con "+" o "-" per indicare il modo corretto di collegarle al dispositivo e quindi consentirne l'accensione.

Sabbia e cera

Sebbene non mostrata, la pasta è protetta da una sabbia smorzante e un sigillo di cera che ne impedisce la fuoriuscita o il contatto con l'acciaio sotto piccoli urti meccanici o agitazione.

Funzionamento

Come funziona una cella a secco? Per cominciare, è una cella voltaica, cioè genera elettricità da reazioni chimiche. Pertanto, all'interno delle cellule si verificano reazioni redox, in cui la specie guadagna o perde elettroni.

Gli elettrodi fungono da superficie che facilita e consente lo sviluppo di queste reazioni. A seconda delle loro cariche, può verificarsi ossidazione o riduzione della specie.

Per capire meglio questo, verranno spiegati solo gli aspetti chimici della batteria zinco-carbone.

Ossidazione dell'elettrodo di zinco

Non appena il dispositivo elettronico viene acceso, la batteria rilascerà elettroni ossidando l'elettrodo di zinco. Questo può essere rappresentato dalla seguente equazione chimica:

Zn => Zn ²⁺ + 2e ^-

Se c'è molto Zn ²⁺ attorno al metallo, si verificherà una polarizzazione di carica positiva, quindi non ci sarà ulteriore ossidazione. Pertanto, lo Zn ²⁺ deve diffondersi attraverso la pasta verso il catodo, dove rientreranno gli elettroni.

Una volta che gli elettroni hanno attivato l'artefatto, ritornano all'altro elettrodo: quello di grafite, per trovare alcune specie chimiche che lo “aspettano”.

Riduzione del cloruro di ammonio

Come accennato in precedenza, nella pasta sono presenti NH ₄ Cl e MnO ₂ , sostanze che rendono acido il suo pH. Non appena entrano gli elettroni, si verificheranno le seguenti reazioni:

2NH ₄ ⁺ + 2e ^- => 2NH ₃ + H ₂

I due prodotti, ammoniaca e idrogeno molecolare, NH ₃ e H ₂ , sono gas e quindi possono "gonfiare" la batteria se non subiscono altre trasformazioni; come i seguenti due:

Zn ²⁺ + 4NH ₃ => ²⁺

H ₂ + 2MnO ₂ => 2MnO (OH)

Si noti che l'ammoniaca è stata ridotta (elettroni guadagnati) per diventare NH ₃ . Questi gas sono stati poi neutralizzati dagli altri componenti della pasta.

Il complesso ²⁺ facilita la diffusione degli ioni Zn ²⁺ verso il catodo e quindi previene lo “stallo” della cellula.

Il circuito esterno del dispositivo funge da ponte per gli elettroni; altrimenti non ci sarebbe mai una connessione diretta tra la lattina di zinco e l'elettrodo di grafite. Nell'immagine della struttura, questo circuito rappresenterebbe il cavo nero.

Scarica

Le celle a secco sono disponibili in molte varianti, dimensioni e tensioni di lavoro. Alcuni di loro non sono ricaricabili (celle voltaiche primarie), mentre altri lo sono (celle voltaiche secondarie).

La batteria zinco-carbone ha una tensione di lavoro di 1,5 V. Le loro forme cambiano in base ai loro elettrodi e alla composizione dei loro elettroliti.

Arriverà un punto in cui tutto l'elettrolito avrà reagito, e non importa quanto lo zinco si ossida, non ci saranno specie che riceveranno gli elettroni e ne promuoveranno il rilascio.

Inoltre, può accadere che i gas formati non siano più neutralizzati e continuino ad esercitare pressione all'interno delle celle.

Le batterie zinco-carbone e altre batterie non ricaricabili devono essere riciclate; poiché i suoi componenti, soprattutto i componenti nichel-cadmio, sono dannosi per l'ambiente inquinando i suoli e le acque.

Riferimenti

1. Shiver & Atkins. (2008). Chimica inorganica. (Quarta edizione). Mc Graw Hill.
2. Whitten, Davis, Peck e Stanley. (2008). Chimica. (8 ° ed.). CENGAGE Apprendimento.
3. La batteria "a secco". Estratto da: makahiki.kcc.hawaii.edu
4. Hoffman S. (10 dicembre 2014). Cos'è una batteria a secco? Recupero da: upsbatterycenter.com
5. Erba, Geoffrey. (24 aprile 2017). Come funzionano le batterie a secco? Sciencing. Estratto da: sciencing.com
6. Woodford, Chris. (2016) Batterie. Estratto da: explorehatstuff.com