reazione chimica della batteria al piombo
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Reazione chimica delle batterie al piombo

Principi di funzionamento e reazioni di una batteria al piombo-acido

Tutte le batterie sono sistemi elettrochimici che funzionano come fonte di potenza elettrica e di energia. Ogni sistema ha 2 elettrodi (positivo e negativo), elettrolita e separatore. La maggior parte dei sistemi elettrochimici hanno un ossido di metallo o l’ossigeno stesso come positivo e un metallo come negativo. I sistemi possono essere ulteriormente classificati come batterie primarie e secondarie. Le batterie primarie sono per l’uso una tantum, mentre le batterie secondarie possono essere scaricate e ricaricate più volte.

Alcune delle batterie secondarie commercialmente affermate e di successo sono riportate nella tabella seguente:

Sistema elettrochimico Elettrodo positivo Negativo Elettrolita Osservazioni
Batteria al piombo Perossido di piombo PBO2 Piombo metallico in forma spugnosa Acido solforico diluito Elettrolita usato nelle reazioni + ioni elettronici conduttori
Batteria agli ioni di litio Litio con ossido di cobalto, nichel, manganese, ferro Grafite, silicio con litio legato (intercalato) Miscela di solventi organici per sali di litio Elettrolita per condurre gli ioni di litio tra 2 elettrodi - Nessuna reazione chimica
Nichel Cadmio Ossido di nichel Ni(O) OH Cadmio metallico Idrossido di potassio diluito Elettrolita solo per condurre ioni elettronici
Nichel metallo idruro Ossido di nichel Ni(O) OH Idrogeno assorbito in una lega metallica Idrossido di potassio diluito Elettrolita solo per condurre ioni elettronici

Reazione chimica delle batterie al piombo:

La batteria al piombo ha 3 componenti principali di lavoro:

  1. Il biossido di piombo (PbO₂) forma l’elettrodo positivo poroso.
  2. Il piombo in condizione spugnosa forma l’elettrodo negativo poroso.
  3. L’acido solforico diluito di densità variabile da 1,200 a 1,280 di peso specifico è l’elettrolita. Nelle batterie VRLA il volume dell’acido è basso. Quindi, un peso specifico più alto dell’acido come 1,300 -1,320 è comunemente usato per raggiungere la capacità progettata.

Gli elettrodi sono resi porosi utilizzando additivi speciali durante la fabbricazione, per garantire che le reazioni avvengano in tutta la massa della piastra della batteria. Il separatore della batteria (un non-conduttore) aiuta ad isolare i 2 elettrodi dal cortocircuito, ma permette agli ioni elettronici di passare con una resistenza elettrica minima.

Quando la batteria è collegata a un carico (scarica), l’atomo di piombo sulla piastra negativa si divide in ione di piombo (Pb²⁺) e 2 elettroni. Gli elettroni che formano l’unità fondamentale della corrente hanno origine nella piastra negativa e fluiscono attraverso il terminale negativo nel circuito esterno.

Dopo aver attraversato il carico, gli elettroni arrivano al terminale positivo. Gli elettroni convertono (riducono) il biossido di piombo in ioni di piombo.
In entrambi gli elettrodi positivi e negativi, gli ioni di piombo (Pb²⁺) reagiscono con l’acido solforico per formare solfato di piombo. (Teoria del doppio solfato di Gladstone). In altri sistemi elettrochimici come le batterie al nichel-cadmio, le batterie agli ioni di litio, gli elettroliti non prendono parte alle reazioni. Il loro ruolo è solo quello di condurre gli ioni tra i due elettrodi.

Reazioni durante la scarica - Reazione chimica delle batterie al piombo

Reazioni durante la scarica (che è la funzione principale di una batteria)

Pb (negativo)

Pb²⁺ + 2 e- ——————————1

PbO₂( positivo) Pb⁴⁺ + 2 e-

Pb²⁺ —————————–2

Pb²⁺ + SO₄²- (da acido)

PbSO₄ ( in entrambi gli elettrodi)——–3

Durante la carica di una batteria al piombo scarica, tutte e 3 le reazioni avvengono in senso inverso, Quanto sopra è la semplificazione delle reazioni chimiche ed elettrochimiche che avvengono nella batteria al piombo e che la rendono il sistema di batterie RICARICABILI più affidabile o sistema di batterie SECONDARIO.

Qual è la differenza tra batteria primaria e secondaria? Mentre le batterie primarie sono usa e getta e non possono essere ricaricate, le batterie secondarie, on carica, tutti i 3 componenti – positivo, negativo e acido sono rigenerati.

Così si crea una cella/batteria ricaricabile o secondaria. Da qui il nome di batteria secondaria

Ciclo interno dell'ossigeno - reazione chimica della batteria al piombo

Durante la carica della batteria VRLA:
Sulla piastra positiva, il gas O2 si evolve e vengono prodotti protoni ed elettroni.
2H2O → 4H+ + O2 ↑ + 4e- ……… Eq. 1

2Pb + O2 → 2PbO
2PbO + 2H2SO4 → 2PbSO4 + 2H2O
——————————————————
2Pb + O2 + 2H2SO4 → 2PbSO4 + 2H2O + calore ……… Eq. 2
—————————————————–
Ma, essendo questo un processo di carica, il solfato di piombo così prodotto deve essere nuovamente convertito in piombo; l’acido solforico si genera per via elettrochimica reagendo con i protoni (ioni idrogeno) e gli elettroni risultanti dalla decomposizione dell’acqua sulle piastre positive quando sono caricate.

2PbSO4 + 4H+ + 4e- → 2Pb + 2H2SO4 ……… Eq. 3

Reazioni di scarica e di carica - Reazione chimica delle batterie al piombo

Le reazioni di una cella galvanica o di una batteria sono specifiche del sistema o della chimica:

Per esempio, la cella al piombo:

Pb + PbO2 + 2H2SO4 Scarica ↔ Carica 2PbSO4 + 2H2O E° = 2,04 V

In una cella Ni-Cd

Cd + 2NiOOH + 2H2O Scarica ↔ Carica Cd(OH)2 + 2Ni(OH)2 E° = 1,32 V

In una cella Zn-Cl2:

Zn + Cl2 Scarica ↔ Carica ZnCl2 E° = 2,12 V

In una cella Daniel (Questa è una cella primaria; qui si noti l’assenza di frecce reversibili)

Zn + Cu2+ Scarica ↔ Carica Zn2+ + Cu(s) E° = 1,1 V

Cosa succede durante le reazioni di scarica e carica all'interno di una cella? Reazione chimica delle batterie al piombo

Elettrolita: 2H2SO4 = 2H+ + 2HSO4‾

Piastra negativa: Pb° = Pb2+ HSO4 + 2e

Pb2+ + HSO4‾ = PbSO4 ↓ + H+

⇑ ⇓

Piastra positiva: PbO2 = Pb4+ + 2O2-

Pb4+ + 2e = Pb2+

Pb2++ 3H+ + HSO4‾ +2O2- =PbSO4 ¯ ↓+ 2H2O

Essendo l’acido solforico un elettrolita forte, si dissocia come ioni idrogeno e ioni bisolfato (chiamato anche ione idrogeno solforato).

reazione chimica della batteria al piombo

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