Fuel cell Ferro Ossigeno

Ferroossigeno

In questa pagina costruiamo una cella a combustibile (fuel cell) o pila, funzionante con l’Ossigeno dell’aria e un pezzo di metallo che potrebbe essere Zinco o Ferro o Alluminio, in grado di erogare circa 1Volt.

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Come polo positivo abbiamo Oro al pelo d’acqua che deve essere in contatto con Ossigeno e anche acqua, al negativo c’è un pezzo di Ferro dal quale dipenderà anche la tensione generata, io ho usato una rondella di Ferro, immersa completamente in acqua per esempio con dei cavetti di Rame in quanto prima che questo si corroda, dovrà corrodersi prima tutto il Ferro che ha un potenziale inferiore.

La cella è composta da due semi celle, ciascuna avrà il suo potenziale redox standard che potete trovare su una tabella dei potenziali redox o potenziali riduzione standard, nel nostro caso abbiamo a che fare al polo positivo con il potenziale elettrochimico generato dalla presenza dell’Ossigeno dell’aria che in acqua a ph 7 darà circa +0,8V più precisamente 1/2O2+ 2H++2e ==> H2O e al polo negativo troviamo il potenziale elettrochimico generato da un metallo, per esempio il Ferro di circa -0,44V più precisamente Fe+++2e ==> Fe che verrà invertita di verso, la differenza di potenziale fra queste due equazioni è la tensione misurata dal tester.

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Le reazioni elettrochimiche funzionano in questo modo: in modalità pila in scarica, la reazione che ha il potenziale più alto prevarrà e manterrà quel verso rispetto a quella col potenziale più basso che cambierà di verso. Facciamo un esempio tra Rame e Ferro, una barretta di Rame immersa in una soluzione con ioni di Rame (1 Molare) ha un potenziale di +0,33V, la stessa barretta ma di Ferro in una soluzione di ioni Ferro (1 Molare) ha un potenziale di -0,44V, quindi il Rame che ha un potenziale maggiore mantiene il verso della sua reazione così come è scritta in tabella cioè Cu+++2e ==> Cu mentre l’altra Fe+++2e ==> Fe ha un potenziale minore quindi cambierà di verso e diventerà Fe ==> Fe+++2e quindi il Ferro solido passerà in soluzione trasformandosi in ioni (si corroderà).

Quei “2e” sono gli elettroni e ci dicono quant’è la quantità di corrente che accompagna ogni reazione (semicella), di solito si trovano 2e ma ci possono essere 1e o 3e dipende dalla reazione, se ho una reazione con 1e vuol dire che il materiale si consumerà prima perchè basta un elettrone per consumare un certo quantitativo di materiale, se ho una reazione con 3e vuol dire che ci vorranno 3 elettroni prima di poter far avvenire la reazione e il consumo di materiale sarà più lento.

Cosa succede se le reazioni si esauriscono? Se le reazioni in gioco dovessero terminare per insufficienza di materiale si passerà a quelle successive (se sono presenti) per il polo a tensione maggiore alla reazione col potenziale immediatamente più basso e per il polo a potenziale inferiore si passerà alla reazione con potenziale immediatamente più alto, anche perchè è logico che se le reazioni finiscono, la differenza di potenziale scenderà a 0V, vale il viceversa per la pila in carica, se noi forniamo elettricità forziamo le reazioni ad avvenire in modo non spontaneo quindi quelle a potenziale maggiore verranno invertite mentre quelle a potenziale minore rimarranno in quel verso, ma questo lo vedremo un’altra volta, nell’elettrolisi.

Nella nostra reazione 1/2O2+ 2H++2e ==> H2O rimarrà in questo verso mentre cambierà di verso quella del ferro Fe+++2e ==> Fe che diventrerà Fe ==> Fe+++2e, in alcune reazioni gli elettrodi partecipano alla reazione, per esempio in questo caso l’elettrodo di Ferro, in altri casi gli elettrodi, come per il caso dell’Ossigeno, non devono partecipare alla reazione ma solo permettere di scambiare gli elettroni, infatti è solo l’Ossigeno a dover reagire e passare in soluzione con un potenziale di circa +0,8V che indica una elevata spontaneità.

Un elettrodo che resista ad un elevato potenziale elettrochimico come quello dell’Ossigeno è l’Oro con i suoi +1,4V che è molto difficile da superare e quindi da fare invertire di verso di reazione e quindi da corrodere, ma non è molto facile da reperire, io ho usato un’orecchino trovato tempo fa per terra aperto delicatamente a formare un’elettrodo, un altro elettrodo che può andare bene (ma non in ambienti basici) è il Platino con circa +1V ma anche questo è difficile da reperire, un altro elettrodo potrebbe essere l’Argento +0,8V ma in questo caso è consigliabile alzare un po’ il ph della soluzione in quanto il potenziale è simile all’Ossigeno e rischia di corrodersi, elettrodi in Inox potrebbero funzionare ma non ci sono molte informazioni sul potenziale elettrochimico oppure molto più facili da reperire ma non molto buoni sono gli elettrodi in grafite o carbone che però in parte partecipano alla reazione e ve ne accorgete dall’acqua che in breve tempo si sporca, inoltre il potenziale offerto con l’Ossigeno non è così elevato come quello dell’Oro, tuttavia si possono trovare in una matita.

C’è anche bisogno di un elettrolita, per esempio l’acqua di rubinetto, anche se avrà una resistenza interna elevata ma per generare tensione a basse correnti va più che bene, ora vi chiederete ma come mai visto che abbiamo al polo positivo +0,8V dell’Ossigeno e al polo negativo -0,44V del Ferro non si riesce a generare più di 1 Volt? La risposta è che alla fine può darsi che la rondella non sia fatta completamente di Ferro oppure le concentrazioni non sono sufficienti per avere dei buoni potenziali, la concentrazione dei potenziali redox si riferiscono a concentrazioni di ioni di 1Molare che è una concentrazione abbastanza alta, mentre l’acqua ha una concentrazione di ioni così bassa che le tensioni (per l’equazione di Nerst) sono anch’esse ridotte.

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Che succede se metto direttamente il Ferro in contatto con acqua e Ossigeno? Semplicemente la corrosione del Ferro avverrà lo stesso ma l’elettricità verrà persa, in quanto è come se ci fosse un cortocircuito, mettendo una barretta di Rame in ioni Ferro non succederà nulla, invece mettendo una barretta di Ferro in ioni Rame la superficie del Ferro si ricoprirà di Rame mentre gli ioni Ferro passeranno in soluzione.

Siccome il potenziale elettrolitico della sola acqua a ph7 (2H2O + 2e ==> H2 + 2OH-) è maggiore (-0,42V) di quello del Ferro, questo si corroderebbe da solo anche se non usassimo la corrente della pila, quindi se non la usate è consigliabile togliere il Ferro dall’acqua e asciugarlo bene.

Quanti grammi si consumano o formano con le reazioni? La quantità di massa dipende (leggi di Faraday) da quanta corrente e per quanto tempo avviene la reazione Q(Coulomb)=I(A)x t(s), 96485C formano 1 Faraday (F) che coinvolge 1 mole di sostanza/numero di elettroni della reazione, quindi nel nostro caso per il Ferro (con 2e) ogni F coinvolgerà solo 1/2 mole, per sapere a quanti grammi corrisponde una mole di una sostanza, bisogna conoscerne la massa molecolare o massa atomica, per esempio per il Ferro è circa 56g/mol, quindi una mole consumerà 56g, per i gas invece una mole sono 22,4 litri (ad 1 atm e 0°C).

Un saluto e alla prossima.

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