Pile di Uso Comune e Elettrochimica del funzionamento

TIPI DI PILE
Una Pila è una Cella Elettrochimica Primaria, in cui la Reazione di Ossidoriduzione può procedere solo in una direzione (processo di scarica). Nelle Batterie, o Celle Elettrochimiche Secondarie, invece, il processo è reversibile e può essere riprodotto dopo una fase di ricarica. Le Pile e le Batterie vengono tipicamente utilizzate come Generatori di Corrente per l'alimentazione di circuiti elettronici e dispositivi elettrici, poiché hanno il vantaggio di mantenere la Tensione ai capi della cella costante nel tempo, anche al variare del carico esterno.
Il Principio di funzionamento delle Pile è Chimico. Una Reazione di Ossidoriduzione consente di generare una ddp e di convogliare il flusso elettronico in una corrente continua esterna, processo che termina quando la reazione raggiunge lo stato di equilibrio. Esistono vari tipi di Pile, tra cui le Pile Zinco-Carbone, le Pile Alcaline, le Pile Zinco-Aria, le Pile all'Argento, le Pile al Mercurio e le Pile al Litio.
La Pila Zinco Carbone fu brevettata nel 1886 da Gassner, che sviluppò un prototipo di Leclanchè. E' una pila a secco ed ha una forma cilindrica. E' costituita da un Anodo di Zinco metallico che occupa la base inferiore e la superficie del cilindro, fungendo quindi anche da contenitore. All'interno è presente una pasta gelatinosa di Biossido di Manganese e Cloruro d'Ammonio, misti a polvere di carbone e il Catodo, una barretta di Grafite, immersa nella pasta e la cui sommità, ricoperta da un cappuccio metallico, sporge sulla base superiore del cilindro. Una plastica sigillante divide il cappuccio metallico dal contenitore dello Zinco, in modo da evitare il corto circuito tra Anodo e Catodo. La Semireazione di Ossidazione avviene sulla superficie interna del contenitore di Zinco e prevede l'Ossidazione dello Zinco: Zn→Zn²⁺+2e⁻. La Semireazione di Riduzione avviene, invece, sulla superficie del Catodo di Grafite e comporta la Riduzione del Biossido di Manganese a Idrossido di Manganese: MnO₂+2NH₄⁺+2H₂O→Mn(OH)₂+2NH₃+2H⁺. Tutto ciò in una Reazione Red/Ox complessiva: Zn+2MnO₂+2H₂O→Zn(OH)₂+Mn₂O₃ in cui Zn e MnO₂, solidi, sono strettamente a contatto. Reagendo continuamente, portano a una scarica veloce della Pila.
Le Pile Alcaline furono introdotte intorno al 1950 come evoluzione delle Pile Zinco-Carbone. Gli elementi di base sono sostanzialmente gli stessi, con la differenza che Zn e MnO2 non sono a contatto, ma divisi da un separatore; pertanto, non reagiscono tra di loro quando la pila è a riposo, garantendo una Tensione costante.
Le Pile Zinco-Aria sono le classiche "pile a bottone", in cui lo Zinco in polvere, omogeneizzato a una pasta umida di KOH e contenuto all'interno della lastrina metallica superiore, funge da Anodo, mentre l'Ossigeno atmosferico come Catodo. Lo Zinco si ossida (Zn→Zn²⁺+2e⁻) e l'Ossigeno si riduce (O₂+2H₂O+4e⁻→ 4OH⁻), secondo una reazione complessiva 2Zn+O₂→2ZnO.
Anche le Pile all'Argento possono avere una forma a bottone e caratteristiche simili a quelle Zinco-Aria, con la differenza che a ridursi non è l'Ossigeno, bensì il Monossido di Argento (Ox: Zn→Zn²⁺+2e⁻, Red: Ag₂O+H₂O+2e⁻→2Ag+2OH⁻), secondo la rezione complessiva Zn+Ag₂O+H₂O→Zn(OH)₂+2Ag.
Le Pile al Mercurio (o Pile Ruben-Mallory) furono brevettate nel 1942 da Samuel Ruben e utilizzate nella seconda guerra mondiale per applicazioni militari (walkie-talkie, apparecchi elettrici e metal detector). Fu commercializzata dopo la guerra in varie forme e dimensioni e trovò uso per varie applicazioni, soprattutto in piccola forma (a bottone). Erano molto simili alle pile a bottone ad argento, ma la polvere di Monossido d'Argento era sostituita da quella di Monossido di Mercurio. Sulla lastrina metallica anodica avveniva la Semireazione di Ossidazione: Zn→Zn²⁺+2e⁻, mentre sulla superficie interna della lastra catodica avveniva la semireazione di riduzione: HgO+H₂O+2e⁻→Hg+2OH⁻, secondo una reazione complessiva Zn+HgO→ZnO+Hg. Poichè la fabbricazione e il funzionamento di questi dispositivi produceva Mercurio Liquido, la loro commercializzazione è stata progressivamente limitata e oggi è vietata.
Le Pile al Litio vennero commmercializzate a partire dal 1970 in America e Giappone anche come pile a bottone. La superficie metallica dell'Anodo è ricoperta internamente da uno strato di Litio Metallico, che è separato da un setto poroso da polvere di MnO. All'Anodo avviene la Semireazione di Ossidazione: Li→Li⁺+e⁻, mentre al Catodo la Semireazione di Riduzione: MnO₂+Li⁺+e⁻→LiMnO₂, secondo una Reazione di Ossidoriduzione complessiva: Li+MnO₂→LiMnO₂. Le pile al litio con catodo di MnO₂ sono un tipo di pila litio-ione che utilizza il manganese come materiale catodico. Sono note per la loro alta capacità e la loro stabilità.
#fisica #chimica #elettrostatica #elettrodinamica #elettrotecnica
00:00 Introduzione
00:19 Pile e Batterie
01:34 Pile Zinco-Carbone
03:59 Pile Alcaline
04:30 Pile Zinco-Aria
05:23 Pile ad Argento
05:52 Pile al Mercurio
07:35 Pile al Litio
09:08 Conclusione