Batteria al Piombo

Definizione 

Illustriamo di seguito brevemente il funzionamento di una Batteria al Piombo.

Funzionamento di una Batteria al Piombo
Una Batteria al Piombo si compone di 3 Elementi

• sull'Anodo si trova una Piastra Metallica di $\ce{Pb(s)}$ Piombo Metallico Poroso 
• sul Catodo si trova una Placca di $\ce{PbO2(s)}$ Ossido di Piombo
• l'Elettrolita è una Soluzione di $\ce{H2SO4}$ Acido Solforico in Acqua 

Osservazione Elettrolita Un buon Elettrolita ha la caratteristica di produrre un’elevata quantità di coppie di ioni le quali hanno la possibilità di muoversi liberamente nella Soluzione Elettrolitica. Le forze che possono muovere gli ioni presenti all'interno dell'elettrolita sono la Diffusione, dovuta principalmente alla Temperatura della Soluzione  la Convezione, dovuta a fattori quali  Scambio Termico tra diverse regioni della Soluzione  Differenti Densità tra diverse regioni della Soluzione  il Campo Elettrico  Una delle proprietà più importanti di un Elettrolita è la capacità di condurre una Corrente di Cariche non tramite uno spostamento di elettroni, ma di ioni. Esso appartiene quindi alla categoria dei Conduttori Ionici.

Batteria priva di carico
In assenza di carico, la principale reazione che avviene è quella relativa alla naturale dissociazione dell’elettrolita ovvero, nel caso dell’Acido Solforico, la prima dissociazione dell’Idrogeno
$$\ce{H2SO4 -> H+ + HSO4-}$$

Le coppie ioniche formatesi dalla dissociazione dell'acido si muovono per Diffusione nella Soluzione e giungono quindi nei pressi di Anodo e Catodo dove avvengono le reazioni di Ossidazione e Riduzione rispettivamente.

La reazione di Ossidazione trasferisce elettroni dalla Soluzione all'Anodo, dotandolo di una carica negativa netta, mentre quella di Riduzione trasferisce elettroni dal Catodo alla Soluzione, dotando il primo di una carica positiva netta.

In assenza di carico, il Sistema evolve rapidamente verso una Situazione di Equilibrio dato che

• l'accumulo di carica negativa sull'anodo tenderà ad allontanare gli ioni $\ce{HSO4-}$ riducendo il rate della reazione di ossidazione
• l'accumulo di carica positiva sul catodo tenderà ad allontanare gli ioni $\ce{H+}$ riducendo così il rate della relazione di riduzione 

Batteria sotto carico
Quando la Batteria viene connessa al carico, si da modo agli elettroni accumulati sull'Anodo di fluire verso il Catodo attraverso il circuito esterno alla batteria: si genera così una corrente elettrica netta esternamente alla batteria.

Questa corrente esterna, rompe la situazione di equilibrio interno alla batteria, 

creando quindi un flusso di ioni verso i 2 poli presso i quali avverranno le reazioni di ossidazione e riduzione che rendono disponibili gli elettroni per il flusso esterno. 

Analizziamo quindi nel dettaglio le reazioni che avvengono agli elettrodi.

Reazione Anodica 

Presso l'Anodo avviene la reazione di Ossidazione che trasferisce elettroni dalla soluzione all'elettrodo

Grazie alla presenza del carico connesso alla batteria, gli elettroni precedentemente ammassati sull'Anodo possono defluire diminuendo, di fatto, la repulsione elettrostatica che allontanava gli ioni $\ce{HSO4-}$ i quali sono necessari per la seguente reazione

$$\ce{Pb(s) + HSO4- -> PbSO4(s) + H+ + 2 e-}$$

Da notare che il $\ce{PbSO4}$ Solfato di Piombo è molto poco solubile in acqua e quindi di fatto esso resta attaccato alla superficie dell'elettrodo rendendo quindi quella regione temporaneamente indisponibile per la reazione, ma non irreversibilmente : infatti durante il processo di carica, forzando una corrente nel verso opposto, sarà possibile riottenere il $\ce{Pb(s)}$ Piombo Metallico rigenerando di fatto l'elettrodo.
Se il $\ce{PbSO4}$ fosse solubile in acqua non sarebbe possibile riportare l'elettrodo nella condizione originale.

Naturalmente il processo ricarica avviene sotto condizione che i cristalli di Solfato di Piombo non siano troppo grossi.

Reazione Catodica 

Per quanto riguarda il Catodo, l'afflusso di elettroni dal circuito esterno abbassa la repulsione elettrostatica che allontanava gli ioni carichi positivamente dall'elettrodo e riattiva la seguente reazione 

$$\ce{PbO2(s) + HSO4- + 3H+ + 2e- -> PbSO4(s) + 2 H2O}$$ 

Anche nella reazione catodica si forma quindi $\ce{PbSO4}$ Solfato di Piombo di cui abbiamo già parlato in precedenza, vale quindi lo stesso discorso per quanto riguarda il Processo di Ricarica della Batteria.