2. • Una batteria, o più propriamente pila, è un dispositivo elettrochimico che
ormai è entrato nella nostra vita quotidiana…
MA VI SIETE MAI
CHIESTI COME
FUNZIONI UNA
BATTERIA?
3. COS’E’ UNA PILA?
Una pila permette di ricavare energia elettrica da una reazione chimica
chiamata ossidoriduzione:
• UNA SOSTANZA PERDE ELETTRONI = SI RIDUCE
• UNA SOSTANZA RICEVE ELETTRONI= SI OSSIDA
Trasportando una certa quantità di energia.
La configurazione della pila permette di intercettare il
flusso di elettroni tra le due sostanze, che costituisce la
corrente elettrica che alimenta il circuito cui la pila è
collegata.
4. COM’E’ UNA PILA?
Dispositivo composto da:
• Due poli:ELETTRODI
positivo: Il
catodo in cui
avviene la
riduzione
uno negativo:
l’anodo, in cui
avviene
l’ossidazione
Il generatore di corrente elettrica è un dispositivo in grado di mantenere costante nel
tempo la d.d.p. tra i due estremi di un conduttore.
Un generatore di corrente viene, spesso, paragonato ad una pompa inserita
in un circuito idraulico, con la funzione di mantenere costante il dislivello dell’acqua tra
due recipienti comunicanti e permettere così il continuo fluire del liquido dal recipiente
col livello maggiore verso quello a livello più basso.
5. PER CAPIRE
MEGLIO…
Nel contenitore a sinistra si ha una
soluzione di solfato di zinco, mentre in
quello a destra si trova solfato di rame. A
sinistra si trova immersa una barra di
zinco (la barra verticale rossa), mentre a
destra c’è una barra di rame, collegate tra
loro da un conduttore elettrico. Il “ponte
salino” è un tubo riempito con una
soluzione acquosa di nitrato di potassio,
che serve a mentenere l’elettroneutralità
tra le due soluzioni, senza la pila non
potrebbe funzionare. Questo apparato è
detto cella, i singoli contenitori
sono semicelle.
LA REAZIONE E’ DESCRITA
DALL’EQUAZIONE DI NERNST:
6. UN PO’ DI STORIA…
La prima pila in assoluto fu realizzata nel
1799 da Alessandro Volta.
Era costituita da una serie di dischi
sovrapposti secondo una precisa
configurazione: un disco di zinco, un disco di
tessuto imbevuto con una soluzione acquosa
di acido solforico, un disco di rame, ripetuta
più e più volte.
Ogni serie di zinco-tessuto-rame costituisce
una cella, quindi la pila di Volta è
effettivamente una pila di celle che genera
una differenza di potenziale tanto maggiore
quanto maggiore è il numero di celle
collegate insieme.
7. L'elettrolisi:
cos'è?
L’elettrolisi è un processo fisico per il quale si
decompone una sostanza in processo di
dissoluzione tramite l’uso della corrente
elettrica. Affinché l’elettrolisi sia possibile è
necessario disporre di una fonte di
alimentazione continua, una dissoluzione ionica
e due poli (anodo e catodo) che attraggono verso
di loro gli ioni del polo opposto.
8. Quando nasce?
I dispositivi di elettrolisi percutanea si
sono diffusi in modo notevole negli
ultimi anni. Senza dubbio, l’elettrolisi
non è una scoperta recente e non lo sono
le sue applicazioni terapeutiche. Venne
scoperta, infatti, nel 1800 in modo
accidentale da William
Nicholson mentre studiava come
funzionavano le batterie. Le leggi che
regolano l’elettrolisi furono sviluppate
dal celebre fisico e chimico
britannico Michael Faraday.
9. Come avviene
l'elettrolisi?
Il circuito di elettrolisi è composto da una fonte di
alimentazione continua e due poli (positivo e negativo) da
una parte mentre dall’altra dispone di una dissoluzione
ionica che funge da conduttore, necessaria per il
passaggio della corrente elettrica tra i due poli. La fonte
di alimentazione viene controllata da un dispositivo che
permette di programmare l’intensità e il tempo. Il polo
negativo è l’ago montato su di un porta-ago (catodo)
mentre il polo positivo è l’elettrodo superficiale di
contatto (anodo). Sia l’ago che l’elettrodo superficiale
operano come poli che attraggono gli ioni di carica
opposta. L’anodo (elettrodo superficiale) attrae gli ioni
negativi mentre il catodo i positivi. Questa attrazione tra
ioni di carica opposta dei processi chimici di ossidazione e
riduzione che avvengono in prossimità degli elettrodi
generano nuove associazioni tra molecole.
10. La prima legge di
Faraday
la prima legge di Faraday o prima legge sull’elettrolisi:
spiega la relazione diretta tra la massa, il tempo,
l’intensità e le caratteristiche intrinseche della
dissoluzione, in questo caso il tessuto in disfunzione. Il
suo enunciato è:
“M=k Q. La massa delle sostanze depositate o liberate
in ogni elettrodo è direttamente proporzionale alla
carica elettrica (Q) , essendo la carica elettrica il
prodotto dell’intensità per il tempo.”
M = k I t
Dove k sarebbe l’equivalente elettrochimico della
sostanza (in questo caso il tessuto che compone il
tessuto del tendine in disfunzione). Il tempo (t) è un
valore fondamentale nell’elettrolisi. È per questo,
infatti, che EPTE® utilizza correnti molto basse,
indolore, la cui azione, però, si prolunga nel tempo,
l’effetto è uguale a quello di correnti superiori in minor
tempo.
11. In quali campi sentiamo
parlare di elettrolisi?
L’elettrolisi è un alleato di medici e fisioterapisti in
quanto distingue il tessuto danneggiato da quello sano.
L’impedenza di un tessuto con tendinopatia è minore, dal
momento che la corrente elettrica si focalizza nel tessuto
danneggiato. Se prendiamo in esempio un tendine
danneggiato che possiede una minor quantità di
collagene di tipo I e una maggiore concentrazione di
collagene di tipo III, dalla struttura non ordinata, che
rende più difficile il suo recupero. Approfittando
dell’effetto dell’elettrolisi, il professionista indurrà
un’infiammazione nella zona ed in breve tempo tale
azione favorirà il recupero del tendine. L’accesso al
tendine si effettua attraverso un ago da agopuntura.
12. Applicazioni
dell’elettrolisi
Fra le applicazioni dell'elettrolisi si possono citare la decomposizione
dell'acqua in idrogeno e ossigeno, l'elettrodeposizione dell'argento
(argentatura), il processo industriale di riduzione dell'alluminio e la carica
degli accumulatori. In ogni caso, una certa quantità di energia elettrica
viene convertita in energia potenziale di natura chimica e immagazzinata
nella struttura molecolare dei nuovi composti.
13. Elettrolisi dell'acqua
L'acqua pura ha una bassissima conducibilità elettrica, ma le soluzioni
acquose di sali e di molti acidi e basi di uso comune sono eccellenti conduttori.
A esempio, se si collega una batteria da 1,5 volt a due elettrodi inerti immersi
in acqua contenente dell'acido solforico, l'acqua si decomporrà nei suoi
elementi costituenti: l'idrogeno e l'ossigeno. Ioni idrogeno carichi
positivamente migrano verso il catodo (elettrodo negativo) a causa
dell'attrazione tra cariche opposte. Gli ioni idrogeno che giungono in contatto
con il catodo acquistano elettroni e si riducono (ossidazione e riduzione) a
idrogeno elementare gassoso. Gli ioni solfato bivalente negativi, migrano verso
l'anodo (elettrodo positivo), ma non perdono elettroni altrettanto facilmente
quanto le molecole di acqua. Di conseguenza, la reazione all'anodo è
l'ossidazione dell'acqua, con produzione di ossigeno gassoso. La reazione totale
della cella risulta dalla somma delle due reazioni di semicella che si
sviluppano rispettivamente sul catodo e sull'anodo.
14. Elettrolisi sull’acqua
• L'elettrolisi è un processo che assorbe energia. Per
ottenere 2 grammi di idrogeno e 16 grammi di
ossigeno per elettrolisi di 18 grammi di acqua si
deve fornire l'equivalente di 68.300 cal in energia
elettrica. Questa energia può essere recuperata
dall'idrogeno e dall'ossigeno allo stato elementare
sia bruscamente, attraverso una esplosione, sia
lentamente, ponendoli insieme in una cella a
combustibile. Le celle fotovoltaiche, che impiegano
energia solare per elettrolizzare l'acqua, utilizzano
un sistema idrogeno-ossigeno.
15. Metallurgia
• L'elettrolisi è un utile mezzo per isolare
metalli attivi dai loro composti. In alcuni
casi questo è l'unico metodo
economicamente vantaggioso, come a
esempio per il sodio metallico preparato
per elettrolisi di un suo sale fuso.
L'alluminio, il più abbondante tra i
metalli che si trovano nella crosta
terrestre, è reperibile in grandi quantità
nella bauxite. Questa può essere
purificata fino a ottenere allumina.
L'allumina viene poi disciolta in un sale
fuso e la soluzione elettrolizzata. Il sale
fuso può essere criolite o una miscela di
fluoruri. In seguito all'elettrolisi,
l'alluminio si riduce al catodo ed è
asportato come metallo fuso. I prodotti di
ossidazione all'anodo (di carbonio) sono
l'ossigeno, il monossido di carbonio e il
biossido di carbonio.
16. Metallurgia
• Quantità su scala industriale di alcuni
metalli, come il rame, possono essere
ottenute in forma altamente pura per
mezzo dell'elettrolisi. Dopo la riduzione
chimica dai suoi minerali, il rame non
è abbastanza puro per essere utilizzato
per il suo impiego fondamentale, cioè
come conduttore elettrico. Se l'anodo è
costituito da rame impuro e la cella
elettrolitica contiene una soluzione di
solfato di rame, il rame si ossiderà
mandando ioni rame in soluzione.
Questi migrano quindi al catodo, dove
si riducono a rame metallico puro
17. Galvanostegia
• La galvanostegia è un processo elettrolitico nel quale
gli ioni di un metallo in soluzione vengono ridotti e si
depositano sull'oggetto che deve essere placcato. A
esempio, un cucchiaio caricato negativamente (catodo)
può essere argentato per riduzione di ioni
dicianoargento ad argento metallico sulla sua
superficie. La soluzione per placcare in argento può
essere preparata sciogliendo in acqua cianuro d'argento
e cianuro di sodio. L'argento in soluzione viene
riportato al valore di partenza usando un elettrodo
positivo di argento puro. La qualità dell'argentatura
dipende fortemente dalla densità di corrente
dell'elettrolisi; l'argento metallico deve essere
depositato ad una velocità che permetta una
disposizione ordinata degli atomi di argento nel
metallo.
