Appunti di materiali

A B

 // è la separazione delle semicelle

La forza elettromotrice corrisponde a: = Δ − Δ

Pila di Daniell

Anodo: zinco (Zn) immerso in una soluzione di solfato di zinco (ZnSO );

4

Catodo: rame (Cu) immerso in una soluzione di solfato di rame (CuSO ).

4

/ // /

Anodo: ⟶ + 2

Catodo: + 2 ⟶

Reazione completa: + ⟶ +

Dato che ne deriva che il rame si riduce mentre lo zinco si ossida. La fem è di circa 1.1 V.

< 42-

Il ponte salino che collega le due celle permette agli anioni SO di muoversi dalla soluzione di rame a

quella di zinco, rendendo gli elettroni più liberi.

La pila di Daniell è reversibile: collegandola ad un generatore avvengono le reazioni inverse e la pila si

ricarica.

Celle elettrolitiche

Le celle di elettrolisi sono celle elettrochimiche in cui si fa svolgere una reazione chimica non spontanea per

mezzo di un impulso di corrente esterna.

Sono costituite da un conduttore di seconda

classe (elettrolita) in cui sono immersi i

conduttori di prima classe (elettrodi).

All’anodo (elettrodo positivo) avvengono

reazioni di ossidazione, mentre al catodo

(elettrodo negativo) avvengono reazioni di

riduzione.

Il numero di elettroni ceduti dalla specie che si

ossida deve essere lo stesso degli elettroni

acquisiti dalla specie che si riduce.

Leggi di Faraday

La relazione tra la quantità di sostanza che reagisce agli elettrodi e la quantità di carica elettrica transitata

all’interno della cella elettrolitica è enunciata dalle leggi di Faraday:

 Prima legge: La quantità di sostanza che reagisce ad un elettrodo è proporzionale alla quantità di

carica elettrica che ha attraversato la cella.

 Seconda legge: Per una stessa quantità di carica elettrica, le quantità delle specie chimiche che

reagiscono agli elettrodi sono proporzionali ai loro pesi equivalenti (rapporto tra peso molecolare e

valenza)

Dalle leggi di Faraday deriva la formula: (F costante di Faraday, A peso molecolare, z numero

= ⋅ ⋅ ⋅

di elettroni scambiati, I intensità di corrente, t tempo).

Batterie

Si definiscono primarie (irreversibili) le batterie che una volta scaricate non possono essere riportate allo

stato originario.

Si definiscono secondarie (reversibili o accumulatori) le batterie che possono essere ricaricate fornendogli

energia elettrica dall’esterno.

 Tensione (V): valore di ogni elemento della batteria moltiplicato per il numero di elementi.

 Capacità (Ah): nel S.I. si utilizzano i coulomb, 1Ah=3600C.

 3

Energia specifica (Wh/m o Wh/kg): quantità di energia che la batteria è in grado di fornire per

unità di volume o di peso. Nel S.I. si utilizzano i joule, 1Wh=3600J.

 Durata: numero di cicli carica-scarica che la batteria può fornire prima che la tensione scenda sotto

un valore predefinito.

Accumulatori al piombo

Anodo: polvere di piombo (Pb) spugnosa.

Catodo: biossido di piombo (PbO ).

2

Elettrolita: soluzione di acido solforico (H SO ).

2 4

/ /

Anodo: + ⟶ + 2

Catodo: + 4 + + 2 → + 2

Reazione completa: + + 2 → 2 + 2

La fem totale è di circa 2,04 V, la densità energetica è circa di 40Wh/l.

Vantaggi Svantaggi

 

Correnti molto elevate Tossicità del piombo

 

Affidabilità e lunga durata Perdita di capacità dovuta a stress

meccanici

 Funzionamento anche a basse 

temperature Peso elevato

 Costi contenuti

Pile alcaline

Anodo: capsula di zinco (Zn) che contiene l’elettrolita.

Catodo: miscela di biossido di manganese (MnO ) e polvere di carbone, che circonda una barretta di

2

carbone con struttura porosa.

Elettrolita: composto alcalino, idrossido di potassio (KOH).

Anodo: + 2 → () + 2

Catodo: 2 + + 2 → + 2

Reazione completa: + 2 + → () +

La fem totale è di circa 1,51 V. Queste batterie hanno un’auto-scarica pressoché nulla.

Batterie al litio ione

Anodo: filamento di grafite (C), circa 100 micron, supportato da una lamina di rame.

Catodo: Ossido misto di litio e manganese (LiMn O ) supportato da una lamina di alluminio.

2 4

Elettrolita: conduttore polimerico di ioni di litio.

Anodo: → 6 + +

Catodo: + + →

Reazione completa: + → + 6

La fem totale è di circa 3,7 V

Vantaggi

 Elevata densità energetica (350Wh/l): grazie al basso peso molecolare del litio ed allo spessore

ridotto degli elettrodi.

 Assenza di “memoria”: effettua tutti i cicli previsti indipendentemente dalle condizioni di carica.

 Basso decremento della capacità: circa 0,04% per ciclo

Fuel cell

I reagenti non sono contenuti all’interno ma vengono forniti dall’esterno, rendendo le batterie pressoché

infinite.

Anodo: viene alimentato con idrogeno (H ) come combustibile che, grazie al platino come catalizzatore,

2

+

cede ioni H .

Catodo: viene alimentato con ossigeno (O ) come comburente e grazie allo stesso catalizzatore forma ioni

2

2- +

O che reagiscono con gli ioni H formando acqua.

Anodo: → 2 + 2

1

Catodo: + 2 → 2

2 1

Reazione completa: + →

2

La fem varia da 0,5 ad 1,0 V.

Vantaggi:

 Elevato rendimento: in quanto trasformano direttamente energia chimica in elettrica;

 Basse emissioni inquinanti: l’unico sottoprodotto è l’acqua.

Si possono dividere in 2 categorie:

 Fuel cell a bassa temperatura:

Fuel cell alcaline: l’elettrolita è l’idrossido di potassio (KOH), la temperatura media di

o funzionamento è di 60-100°C

Fuel cell a membrana polimerica: la temperatura media è di 60-120°C

o

 Fuel cell ad alta temperatura:

Celle ad ossidi solidi: l’elettrolita è l’ossido di zirconio con itterio, la temperatura di

o funzionamento media è di 800°C

Celle a carbonati fusi: l’elettrolita sono carbonati fusi di litio e potassio, la temperatura

o media di funzionamento è di 600°C

Tensione vapore

Le molecole in un liquido possiedono sempre una certa energia cinetica, per cui raggiunta la superficie

alcune possono vincere le forze attrattive e passare in fase gassosa (evaporano). Se il sistema è aperto

queste si disperdono nell’ambiente, sino a che il liquido non è terminato. Se il sistema è chiuso si raggiunge

un equilibrio in cui per ogni molecola che evapora una condensa. In questo caso la fase gassosa raggiunge

una pressione costante ed il vapore si dice saturo. La pressione esercitata dal vapore sul liquido, ad una

determinata temperatura, in un recipiente chiuso in cui è stato fatto preventivamente il vuoto prende il

nome di tensione vapore oppure pressione di vapore del liquido. La tensione vapore di un liquido puro

aumenta sempre all’aumentare della temperatura.

Passaggi di stato

Le curve di equilibrio tra i vari stati di aggregazione di un determinato sistema in funzione di alcuni

parametri (temperatura, pressione, composizione) sono riportate in grafici che prendono il nome di

diagrammi di stato e sono caratteristici di ogni sostanza.

Grazie alla regola della varianza di Gibbs possiamo calcolare il numero di parametri che si possono variare

a piacere senza cambiare il numero delle fasi del sistema: = − + 2

 v è la varianza

 c è il numero dei componenti indipendenti

 f è il numero delle fasi

 2 rappresenta le due variabili (temperatura e pressione)

Si definisce fase una porzione di spazio del sistema ben individuabile e delimitata da superfici che

racchiudono un volume in cui non cambiano le caratteristiche fisico-chimiche.

Diagrammi di stato ad un componente (acqua)

Prendiamo ad esempio il diagramma dell’acqua pura: in funzione

di temperatura e pressione essa può trovarsi in 3 fasi diverse. Le

linee che separano le varie fasi individuano le varie transizioni tra

stati. Il punto T è detto punto triplo in quanto si ha la

contemporanea coesistenza delle tre fasi.

La linea BT, che corrisponde alle condizioni di equilibrio solido-

liquido, ha pendenza negativa e questo deriva dall’equazione di

Clapeyron: =

Se vengono aggiunti soluti non volatili la tensione di vapore si

abbassa e di conseguenza anche il diagramma di stato muta.

Si può notare che in presenza di un soluto la temperatura di

congelamento dell’acqua si abbassa (abbassamento crioscopico)

mentre la temperatura di ebollizione aumenta (innalzamento

ebullioscopico).

Diagrammi di stato ad un componente (anidride carbonica)

A differenza del diagramma dell’acqua per l’anidride carbonica la

retta BT ha pendenza positiva in quanto il ghiaccio secco è più

denso del liquido e quindi si ha un a aumento di volume.

L’anidride carbonica inoltre (a pressione ambiente) passa

direttamente dallo stato solido a quello gassoso.

Diagrammi di stato a più componenti

I campi di esistenza delle varie fasi dipendono da 3 variabili: temperatura, pressione e composizione. Per

evitare grafici tridimensionali si mantengono costanti la temperatura o la pressione, facendo variare gli

altri. I sistemi costituiti da due o più componenti sono detti miscele e possono essere:

 Omogenee: quando le proprietà chimico-fisiche sono le stesse in ogni punto del sistema, cioè

quando questo si presenta in un’unica fase. In questo caso prendono il nome di soluzione.

 Eterogenee: quando le proprietà fisico-chimiche variano a seconda del punto considerato e ciò

implica la coesistenza di due o più fasi diverse.

Solubilità di un solido o un gas in un liquido

La quantità massima di un soluto che può sciogliersi all’interno di un solvente è detta solubilità ed è

funzione della struttura chimica (sia del soluto che del solvente) e della temperatura.

Una soluzione può essere:

 Insatura: quando contiene una quantità di soluto inferiore alla massima solubilità a quella

temperatura.

 Satura: quando contiene una quantità di soluto uguale alla