Pile: biobatterie, batterie a secco, pile alcaline, pile al mercurio

Le pile possono essere classificate come primarie che non possono essere ricaricate e  pile secondarie che possono esserlo. Nelle pile primarie una volta che l’energia chimica è stata convertita in energia elettrica e i reagenti si sono trasformati in prodotti si ha che la reazione non è invertibile fornendo energia elettrica e pertanto la pila diviene inutilizzabile. A dispetto del fatto che non possono essere ricaricate le pile primarie presentano costi più contenuti e  il vantaggio di poter essere conservate molto più a lungo rispetto a quelle secondarie senza scaricarsi.

Biobatterie

Le biobatterie sono alimentate da composti organici quali il glucosio e si basano sullo stesso processo tramite il quale il corpo umano attinge energia dal processo della glicolisi. Come ogni altra batteria anche le biobatterie hanno un anodo, un catodo e contengono elettroliti. In modo analogo a come il corpo umano converte il cibo in energia usando gli enzimi, nelle biobatterie all’anodo avviene la reazione:

glucosio → gluconolattone + 2 H⁺ + 2 e^–

Gli elettroni e i protoni prodotti giocano un ruolo fondamentale nella produzione di energia infatti il loro flusso porta alla produzione di elettricità.

Batterie a secco

L’esempio tipico di batterie a secco ovvero prive di elementi liquidi  è costituito dalla pila Leclanché in cui le soluzioni  in cui sono immersi gli elettrodi sono sostituite da una poltiglia gelatinosa. Tali tipi di batterie di tipo primario sono, ad esempio la pila zinco-carbonio, le pile alcaline e le pile al mercurio attualmente non più in uso.

Pile zinco-carbone. Sono importanti da un punto di vista storico in quanto costituirono le prime pile portatili e producono 1.5 V. La pila ha forma cilindrica in cui l’anodo è costituito da zinco metallico e il catodo da una barretta di grafite; la pasta gelatinosa è costituita da biossido di manganese e cloruro di ammonio misti ad una polvere di carbone. La reazione complessiva che avviene in tale pila è:

Zn + 2 MnO₂ + 2 NH₄Cl → ZnCl₂ + Mn₂O₃ + 2 NH₃ + H₂O + energia elettrica

L’anodo di zinco viene ossidato secondo la semireazione:
Zn _(s) → Zn²⁺_(aq) + 2 e^–

Gli elettroni rilasciati da tale semireazione vengono assunti dal manganese che si riduce dallo stato di ossidazione +4 a +3 secondo la semireazione di riduzione:

2 MnO_2(s) + H₂O_(l) + 2 e^– → Mn₂O_3(s)  + 2 OH^–_(aq)

Pile alcaline

Costituiscono un’evoluzione rispetto alle pile zinco-carbone essendo anch’esse costituite da MnO₂ e Zn, ma a differenza delle precedenti, lo zinco che costituiva il contenitore esterno delle pile zinco-carbone, si trova in polvere intorno all’anodo che è costituito da una barra inerte. Le polveri sia di biossido di manganese che di zinco sono immerse in una pasta gelatinosa contenente idrossido di potassio. La semireazione di riduzione è:

2 MnO₂ + 2 H₂O + 2 e^–→ 2 MnOOH + 2 OH^–

Al contempo lo ione OH^– prodotto dalla semireazione di riduzione viene consumato dalla semireazione di ossidazione:

Zn + 2 OH^– → ZnO + H₂O + 2 e^–

Una pila alcalina produce 1.54 V.

Pile al mercurio

Le pile al mercurio vengono prevalentemente usate negli orologi, hanno una vita lunga e si possono realizzare in piccole dimensioni ma presentano lo svantaggio dovuto alla formazione di mercurio, metallo pesante e dannoso.

Tali tipi di pile non ricaricabili producono in modo costante 1.35 V. Oltre all’ossido di mercurio (II) può essere usata una miscela di HgO e MnO₂ oltre alla grafite che previene la formazione di gocce di mercurio.

La semireazione di riduzione che avviene al catodo è:

HgO + H₂O + 2 e^–→ Hg + 2 OH^–

All’anodo, costituito da zinco e separato dal catodo tramite un setto poroso, avvengono le semireazioni:

Zn + 4 OH^–→ Zn(OH)₄^2- + 2 e^–

E successivamente

Zn(OH)₄^2- → ZnO + 2 OH^– + H₂O

Pertanto la reazione complessiva di ossidazione che avviene all’anodo è:

Zn + 2 OH^–→ ZnO + H₂O + 2 e^–

La reazione complessiva che avviene in una pila al mercurio è:

HgO + Zn → Hg + ZnO