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Normal Topic Pila Zinco-Rame (Read 17105 times)
Keyosz
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Pila Zinco-Rame
25.02.10 at 11:30:00
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Girovagando su youtube mi sono imbattuto in un canale di matti che fanno esperimenti chimici di tutti i generi, nell'elenco dei video ho trovato questo che illustra come realizzare una pila zinco-rame fatta in casa dalle prestazioni interessanti.

Per la spiegazione delle reazioni chimiche chiedo aiuto a chi è più esperto di mè in chimica, ma da quello che ho potuto intuire si lavora con il classico esempio educativo da laboratorio dove si usano due elettrodi, rame(+) e zinco(-), il rame immerso in soluzione acquosa di solfato di rame e lo zinco in soluzione acquosa di solfato di zinco, negli esempi da laboratorio i due elettrodi sono messi alla stessa altezza e le due soluzioni tenute separate tenendole in contenitori distinti e usando ponti salini o membrane a passaggio ionico, insomma roba complicata e fuori portata fai-da-te.

Ma nel video sfruttano la naturale differenza di densità delle due soluzioni lasciando che la stratificazione tenga separate le due soluzioni e disponendo i due elettrodi nelle due estremità verticali del contenitore.

Quello che mi piace di questa soluzione è che si può replicare con materiali reperibili facilmente, serve acqua distillata, solfato di rame (i cristalli blu usati in agricoltura e per le viti), rame e zinco.
Diciamo che l'unica cosa che avrei problemi a trovare è lo zinco puro, in quanto trovo solo lamiere di ferro zincato, ma si potrebbe rimediare smontando le pile zinco-carbone usate, se non erro il cilindro delle pile è fatto di zinco, giusto?

Il solfato di zinco si può ottenere dal solfato di rame, si fà sciogliere il solfato di rame in acqua distillata, poi si immerge dello zinco che reagisce riducendosi, sottrae il rame dalla soluzione facendolo precipitare sul fondo e trasformando il solfato di rame (soluzione blu) in solfato di zinco (soluzione trasparente).

Nella pila finale è importante non fare entrate a contatto lo zinco con il solfato di rame, il liquido blu stratificato sul fondo, e non agitare il contenitore così che la stratificazione per differenza di densità funga da "membrana" di separazione a costo 0

Ora non sò se questa è solo una pila primaria, così costruita, è se le reazioni possono essere invertite applicando una tensione esterna leggermente superiore di ricarica.

La tensione generata dovrebbe essere intorno a 1V.

Nel video (in inglese purtroppo, ma se non capite qualche parte chiedete che vi traduco), mostrano 2 modi per ottenere solfato di zinco, il metodo dello zinco nel solfato di rame e un altro modo con zinco in acido solforico, che "buscia" animatamente, producendo idrogeno e solfato di zinco.






  
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kekko.alchemi
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Re:Pila Zinco-Rame
Reply #1 - 25.02.10 at 23:23:00
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Ciao Keyosz, sarebbe la comune pila di Daniell, davvero interessante la soluzione di non utilizzare la membrana ma di sfruttare la diversa densità dei due sali. La reazione dovrebbe essere reversibile in quanto, nella fase di scarica il rame in soluzione nel solfato di rame passa allo stato solido attaccandosi sulla barretta di rame, mentre invece lo zinco metallico passa in soluzione nel solfato di zinco.

Secondo me, appatto che non si arrivi a consumare tutta la barretta di zinco, cosa molto improbabile una volta raggiunta la saturazione del solfato di zinco, dando tensione alla cella si dovrebbe nuovamente depositare zinco metallico sulla barretta di zinco, mentre il rame dovrebbe tornare in soluzione. Non so quanti cicli reggerebbe la cella, il problema potrebbe essere che con l'elettrolisi in ricarica i due sali si mischino.

Io ho una piastra di zinco metallico, il rame prendo quello delle canale per i tetti, e il solfato di rame, avendo una azienda agricola lo trovo facilmente.

Appena ho un po' di tempo faccio qualche prova, anche se elementare è molto interessante questa cella.
  
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Ferrobattuto
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Re:Pila Zinco-Rame
Reply #2 - 25.02.10 at 23:34:00
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Nel fai-da-te procurarsi dello zinco è piuttosto difficile o costoso. Sarebbe buona cosa poterlo sostituire con un metallo di caratteristiche simili (alluminio, per esempio?) ma più facile da reperire. Nello stesso caso anche i separatori porosi i ponti salini ecc sono di difficile attuazione per sistemi di una certa potenza, poi ricordiamoci che quel tipo di pila è un "generatore elettrochimico primario", e molto difficilmente trasformabile in "pila reversibile", almeno fino a prova contraria.
  
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kekko.alchemi
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Re:Pila Zinco-Rame
Reply #3 - 26.02.10 at 01:15:00
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Beh lo zinco metallico, lo puoi trovare facilmente da chi fa le zincature del ferro, i fabbri in genere conoscono molti zincatori, i quali gli fanno le zincature di inferiate, porte...

Per l'alluminio no, non va bene, in quanto è impossibile convertire il solfato di alluminio in allumio metallico. Puoi farci una pila alluminio-aria, una specie di fuel cell, ma puramente primaria in quanto i composti non sono reversibili.

La cella di Daniell è una cella primaria (più o meno) e più precisamente un evoluzione di quella di Alessandro Volta. Però non è detto che la reazione non sia reversibile, bisogna fare un po' di prove. Anche perchè su wikipedia dice così:

Il potenziale teorico della pila Daniell è E° = E°+ - E°- = 1,10 V (ottenibile in condizioni quasi statiche reversibili), differenza tra il potenziale catodico (polo positivo) e quello anodico (polo negativo).

Fra l'altro non è inserita fra le celle primarie, e provare non costa nulla! Magari Keyosz ha trovato il sistema per fare delle buone batterie a basso prezzo, ecologiche e con una vita elevata... chissà!

http://it.wikipedia.org/wiki/Pila_%28chimica%29
  
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Keyosz
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Re:Pila Zinco-Rame
Reply #4 - 26.02.10 at 16:32:00
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La Pila di Daniell, esatto, è proprio quella, l'avevo vista già tanto tempo fà ma nei libri di testo canonici viene presentata come pila primaria e poi con quella soluzione costruttiva del ponte salino che la rende un giocattolino, un soprammobile, difatti con il ponte salino (che nella pratica non ho la più pallida idea di come realizzare) la resistenza interna salta su nell'ordine dei khom, roba da pazzi!!
Mi dite vuoi che utilità pratica può avere una roba del genere? Ti insegnano la teoria che non ha alcuna attineza con la pratica, nessu fine utile, ma invece sotto si cela un uso pratico del passato, non solo teorie....

Così nessuno ti dice che questo tipo di cella realizzata nella forma "gravity cell", ovvero con separazione dei sali in soluzione per stratificazione, è stata una delle prime batterie ad alimentare le prime linee telegrafiche dei primi del '900, la sua vera forma robusta, ed in grado di alimentare qualcosa di pratico è questa:



Dimenticate il ponte salino e gli alambicchi da laboratorio, via via, ragioniamo su roba pratica ed utile a qualcosa

Economiche e facili da fare di sicuro, però come per ferro anche io ho difficoltà a trovare zinco puro, lo trovo solo come strato superficiale per le cose zincate, ma per fare delle prove posso rimediare con le pile scariche, smontandole dovrei ottenere il cilindro di zinco spero....

Comunque non capisco come il solfato di rame e il solfato di zinco si stratifichino in quel modo, per carità per fortuna che è così, ma leggendo su wikipedia il solfato di rame è meno denso del solfato di zinco e allora com'è possibile che resta sul fondo l'azzurro (solfato di rame) e non si mescolano o si scambiano posizione? Forse ho capito male qualcosa io....

Ad ongi modo, se ho capito bene la lezione di chimica, lo zinco si riduce creando nuovo solfato di zinco che è solubile e si mischia con l'acqua stratificandosi nella parte alta, il solfato di rame dimminuisce depositando rame metallico sul fondo, sull'elettrodo di rame.

Testeremo se ricaricando avviene il contrario, ovvero il rame rigenere solfato di rame e il solfato di zinco dimminuisce rigenerando zinco sull'elettrodo negativo.

E' importante evitare che l'elettrodo di zinco entri a contatto con lo strato azzurro della soluzione di solfato di rame se no è come mettere in corto l'elettrodo negativo e corrode lo zinco in quella parte generando rame su di esso.

E' ovvio che una cella del genere è solamente ad uso stazionario, se la si muove i due strati si mischiano e si scarica o smette di funzionare, però visto che nel nostro forum cerchiamo prevalentemente soluzioni di accumulo statiche per impianti ad isola nessuno vieta di fare le celle sul posto e poi evitare di scuoterle, giusto?

Leggendo diverse fonti ho notato ci sono tanti modi per realizzare la cella, uno in particolare mi ha incuriosito molto semplice, contenitore, elettrodo di rame sul fondo con la parte che sale verso l'alto isolata, cristallo di solfato sul fondo sopra il rame, elettrodo di zinco ben fissato in alto, versare acqua distillata.
Il cristallo azzurro di solfato di rame inizia a sciogliersi, si mette in corto per un periodo iniziale la cella così che lentamente lo zinco crea uno strato iniziale di solfato di zinco "rubando" un pò di solfato di rame dalla soluzione, dopo un corto iniziale di formazione la corrente dovrebbe salire e la cella è pronta per essere usata.

A parte la possibile reversibilità da testare, di questa cella elettrochimica mi intriga il fatto non indifferente che le materie attive sono liquide in soluzione, quindi credo di intuire che la sua capacità non è dovuta dalla superfice degli elettrodi ma da quanti litri di solfato di rame abbiamo e da quanti Kg di zinco pieno vi sono in cima, bisogna capire in quale rapporto ovviamente.
A differenza di altre soluzioni elettrochimiche come le piombo-acido, nichel-ferro, ecc.. dove ossidi, idrossidi e solfati non sono solubili e ricoprono la superfice delle piastre obbligando a creare superfici enormi con diverse tecniche, qui dovremmo in teoria semplificare le cose lavorando in peso e volume, l'unico neo è la resistenza interna poichè bisogna tenere una distanza minima tra rame e zinco per non far mischiare i due strati di soluzione e immagino che la cosa limiti la corrente massima di spunto.

Per la tensione di 1V non mi preoccupo, metteremo insieme più celle, basta che vi sia un minimo di reversibilità delle reazioni, e qui il fatto delle bollicine di gas per elettrolisi in fase di ricarica a cui fà riferimento Kekko potrebbero essere un problema, in quanto nelle piombo-acido hanno il potere di rimescolare l'elettrolita che si stratifica, ma a differenza delle piombo-acido che traggono vantaggio dal rimescolamento, in questa pila di Daniell mischiare i due strati di elettrolita diverso potrebbe voler dire la morte della cella.
Si potrebbe ovviare caricando a tensione costante, mi apre di ricordare che la tensione di inizio elettrolsi sia 1,6V, non sò se cambia con i solfati presenti in soluzione, ma visto che la cella eroga 1,1V nominale posso azzardare che non servano più di 1,4 - 1,5V per ricaricarla.

Un dubbio che mi sorge ora è come fare a capire i due estremi di scarica profonda e ricarica completa, seguendo il ragionamento logico delle reazioni che avvengono in fase di scarica consumiamo lo zinco, quindi se scarichiamo troppo la cella dissolviamo completamente lo zinco e non avendo più un elettrodo non possiamo più ricaricare!!!

All'opposto se ricarichiamo troppo la cella potrebbe succedere che si dissolve l'elettrodo di rame?

Un altra foto dell'epoca:



  
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Keyosz
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Re:Pila Zinco-Rame
Reply #5 - 01.03.10 at 22:01:00
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Ciao a tutti, ho fatto delle prove veloci, simulando quello visto nel filmato e disegno, ho messo una placca di rame sul fondo, acqua distillata e alcuni cristalli di solfato di rame, il soflato si scolgie abbastanza velocemente formando uno strato azzurro che si auto-contiene sul fondo, man mano che raggiunge 2 cm di strato pare che si fermi il dissolvimento dei cristalli.

Dalla placca di rame ho lasciato un ritaglio piegato che viene in superfice a portare il contatto elettrico all'esterno, isolando questo segmento con un tubicino di gomma ad evitare che la parte superiore di rame contamini i sali di superfice o provochi correnti di dispersione.

Ho effettuato veloci prove con 3 metalli diversi come elettrodo negativo ottenendo le seguenti tensioni:
1) ferro zincato = 1,08V (come ci si aspettava)
2) alluminio = 0,4V (prova fatta per ferro, mi pare un pò basso...)
3) ferro = 0,8V e con un altro tipo di ferro 0,7V (pare promettere meglio dell'alluminio)

Non ho usato solfati dei metalli sopra provati disciolti nello strato superficiale della soluzione perchè non ne sono in possesso, quindi per ora provo la tecnica di lasciare in corto la cella lasciando che lentamente la reazione elettrochimica disciolga il metallo superiore rilasciando solfato del metallo stesso in soluziohne (credo).

Leggendo su wikipedia in merito al solfato di zinco, di ferro e di alluminio mi pare di capire che dovrebbero tutti galleggiare sopra al solfato di rame, farò delle prove, se mi sbaglio pace i risultati detteranno le conclusioni.

In questo veloce esperimentino le correnti di corto con tutti i tre metalli erano sempre intorno ai 10-15mA, però si è mantenuta costante per 2 giorni di fila, la lamiera zincata è diventata tutta scura e pare prendere un colore marroncino, che sia rame depositato?

Vorrei provare con zinco puro pieno ma al momento non ne sono in possesso, quindi per ora proverò o con ferro zincato o con ferro e basta e vediamo cosa succede.
  
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kekko.alchemi
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Re:Pila Zinco-Rame
Reply #6 - 01.03.10 at 22:54:00
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Ok, mi hai incuriosito abbastanza Keyosz, ora metto subito al lavoro la lastra di zinco che ho (ammesso che la ritrovi)!
Fra l'altro voglio provare la chimica rame - ferro, in quanto il solfato di ferro si usa sempre come concime in agricoltura non costa niente e se ne trova a quintali. Vado e vi faccio sapere.
  
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Keyosz
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Re:Pila Zinco-Rame
Reply #7 - 01.03.10 at 23:23:00
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Solfato di ferro? ma dove?
E' mai possibile che i due consorzi agrari in cui vado io non hanno mai un bel niente?

solfato di alluminio... no!
solfato di zinco... no!
solfato di ferro.... no!
solfato di rame.... si! (e volevo vedere con tutte le viti qui)

poi non trovo ossido di zinco, biossidi di titanio, pigmenti in genere, ceramica in polvere, niente!!!
telefonini tanti e di tutti i generi, quelli si!

ma uffa


Va beh che per il solfato di ferro posso rimediare con solfato di rame e ferro immerso per una notte, o acido solforico e ferro immerso....

Se hai solfato di ferro, fai una prova, vedi tra solfato di rame e solfato di ferro quale dei due galleggia sopra l'altro per favore, e anche il solfato di ferro sciolto in acqua che colore prende?

E' per riconoscerlo, in quanto il solfato di rame è facile è blu intenso
  
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kekko.alchemi
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Re:Pila Zinco-Rame
Reply #8 - 01.03.10 at 23:44:00
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Il solfato di ferro è verde, se ti serve qualcosa dimmelo che ti spedisco tutto, non c'è problema!! Ho tutte le cose che hai scritto, anche il biossido di titanio e l'ossido di zinco, per curiosità, ma che ci devi fare i pannelli fotovoltaici ai mirtilli?? Io stavo provando a fare la giunzione ossido di zinco e ossido di rame per fare i famosi pannelli fotovoltaici di mittiga, anche se rendono solo il 2% non costano nulla però.

sto facendo tutte le prove poi vi dico...
  
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kekko.alchemi
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Re:Pila Zinco-Rame
Reply #9 - 02.03.10 at 03:58:00
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Allora eccomi qua, ho allestito la cella da 1V, ho fatto proprio come nel video, ho prima tagliato le due lamine una di rame e una di zinco, poi ho messo quella di rame sul fondo, e ho riempito di acqua. Poi ho lasciato cadere un cristallo di solfato di rame sul fondo e pian piano ho versato del solfato di zinco sulla superficie. Dopodichè ho immerso la lamina di zinco, e la cella ha preso a funzionare, 1.09 V e 25 mA. Ora sono più di due ore che eroga i 25 mA e non vuole saperne di scaricarsi, domani proverò a vedere che succede. Spero che la reazione sia reversibile, l'unica cosa che potrebbe succedere, è che la soluzione di solfato di zinco sia troppo diluita e quindi gli ioni di zinco quando si staccano reagiscono con l'acqua per dare idrossido di zinco, insolubile e gelatinoso. Se riusciamo ad evitare questo io penso che dovrebbe ricaricarsi.

Staremo a vedere... intanto un po' di foto!

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Re:Pila Zinco-Rame
Reply #10 - 02.03.10 at 04:14:00
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Sto guardando proprio adesso, la cella eroga 31 mA, e lo zinco frigge come se ci fosse un elettrolisi, intorno si è formato l'idrossido di zinco che avevo previsto, questo non gioca a nostro favore, in quanto per riottenere zinco metallico servirà un acido che sciogli l'idrossido di zinco e lo trasformi ad esempio in solfato di zinco pronto per diventare zinco metallico con l'elettrolsi. Il rame entrerà in soluzione senza problemi con la ricarica. Ho paura che bisognerà utilizzare i setti porosi, ma per una soluzione così innoqua il legno sembra essere un ottimo candidato.

Bisognerebbe rendere la parte con lo zinco leggermente acida con dell'acido solforico, così quando si formano gli ioni di zinco si trasformeranno in solfato di zinco. Anzi se facciamo così la cella sarà ricaricabile per forza. L'unico problema sarà l'auto scarica perchè quando si formerà lo zinco metallico avremo molto acido concentrato, a cui è stato strappato lo zinco, pronto ad attaccare lo zinco, che lo convertirà nuovamente in solfato di zinco. Dovrebbe succedere che anche se non preleviamo corrente lo zinco tornerà in soluzione perchè è troppo reattivo con l'acido solforico.

A questo punto anche se la cella fosse ricaricabile (sicuramente) avrebbe un autoscarica da record, e quindi non andrà bene per i nostri scopi. Quello che mi viene in mente è però un altra cosa. E se come elettrolita utilizziamo soda caustica?? Lo zinco reagisce con la soda caustca come l'alluminio ma mooooooolto più lentamente, la reazione durerebbe qualche settimana. Ma questo significa che anche con la soda caustica la pila dovrebbe funzionare. La reazione diventerebbe simile ad una Ni-Cd dove gli idrossidi fanno da padroni, si potrebbe provare, e sarebbe davvero molto economica, daltronde esistono già le pile Ni-Zn hanno solo il difetto di durare poco se caricate male o lasciate in riposo per via dello zinco che entra in soluzione, ma non è il nostro caso. Come funziona la Ni-Zn dovrà funzionare anche la Cu-Zn in soluzione alcalina... Domani provo questa nuova cella.

Saluti kekko
  
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kekko.alchemi
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Re:Pila Zinco-Rame
Reply #11 - 02.03.10 at 04:44:00
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Non ce la facevo, prima di andare a dormire dovevo ricaricarla per forza... ebbene si RICARICAAAAA!! Quel bianco che vedevo non era idrossido zinco ma solfato di zinco che aveva saturato la soluzione, come gli ho dato un po' di carica tutto lo zinco in soluzione si è attaccato sulla lamina di zinco facendola diventare una vera spugna con ramificazioni lunghe 3 - 4 mm. Penso che la strada sia davvero giusta questa volta. Devo provare a farne una più grande fatta un po' meglio. Quindi alla fine questa pila è una pila secondaria...
  
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Keyosz
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Re:Pila Zinco-Rame
Reply #12 - 02.03.10 at 10:02:00
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Incredibile, hai fatto le ore piccole per la zinco-rame
Spero di non averti sulla coscienza se oggi sarai in giro come uno zombie.....

La mia cella ha preso una strada diversa, però l'ho paciugata troppo, mischiando troppi metalli, alla fine non sò più cosa c'è in soluzione nella parte superiore, anche la mia prende la carica, nel senso che dopo 3 giorni di corto secco quando aprivo i poli e misuravo dava 0,8V io però ho usato ferro zincato quindi lo strato di zinco era veramente sottile e si è sciolto tutto lasciando il ferro a reagire, insomma un mix di solfato di zinco e ferro, ho notato anche io una gelatina bianca nella parte superiore della piastra, mentre sotto deve essere precipitata sul fondo assieme al rame, non so se sia un bene.
Durante la scarica ha formato uno strato marroncino attorno al ferro + la gelatina, quindi secondo quello che hai detto tu la gelatina dovrebbe venire dallo zinco della zincatura e il marrone non so se è rame o ruggine del ferro.

Ricaricandola per tutta la notte con una corrente costante uguale a quella di corto (10mA) questa mattina buona parte del marrone si era staccato a scaglie, forse per via dell'idrogeno prodotto, e la piastra è tornata scura, miaspettavo grigio metallico, ma forse è scura per via del metallo poroso depositato, sotto carica era salita a 2V stabile, staccando la ricarica si stabilizza a 1,1V quindi lo zinco che era andato in soluzione si deve essere ridepositato sull'elettrodo, ora l'ho rimessa in corto e stà sera vedrò.

Devo fare una prova più corretta e pulita con un solo metallo al negativo e il suo solfato, bosognerebbe anche capire come ridurre la resistenza interna, bella l'idea del legno e della soluzione alcalina, ma a quel punto niente più solfato di rame.

Però l'idea che le materie attiva vadano in soluzione è un concetto quasi nuovo per mè, nel senso che la vedevo come una cosa negativa prima, ma ora intuisco le sue potenzialità, il problema e tenere le soluzioni separate, quella della cella che stratifica le diverse densità non è male, ricordi il rosso/viola che si formava con ferro-ferro in soda caustica? che magari si riesca a stratificare anche quello?

Uff quante cose da provare, non basta il tempo.
  
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max_linux2000
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Re:Pila Zinco-Rame
Reply #13 - 02.03.10 at 18:13:00
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aspettate... volete dire che se riempio 12 secchi di questa acqua "sporca" con 12 piastre in rame e altrettante in zinco, ottengo una buona batteria ricaricabile a 12 volts?

Di quanti Ah stiamo parlando immaginado di usare un secchio da 20 lt?

ciao
MaX
  
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kekko.alchemi
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Re:Pila Zinco-Rame
Reply #14 - 02.03.10 at 19:24:00
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x keyosz: Hai ragione le prove sono davvero infinite, e non si finisce mai!! Le ferro-ferro non sarebbero affatto male come batteria, sarebbe da provare anche con quelle con questo nuovo sistema di sedimentazione. Oggi si ho fatto lo zombie! ma non importa è per cose come queste che vale la pena investire ore di sonno e tempo, pensa un po' a chi sta tutto il giorno davanti alla play-station...

x max: se fai 12 secchi da 20 litri penso che una 50a di A li tiri fuori forse anche di più, considera che la mia cella mi ha dato circa 0,3 Ah ed erano 200 ml di liquidi più le due piastrine che saranno state 3 x 3 cm. Ora non so se diminuendo la resistenza interna, concentrando di più le soluzioni, e aumentando la superficie di scambio possa aumentare anche la capacità. Per adesso so soltanto che promette molto bene. Ma sarebbe da provare la versione alcalina! Anzi te che sei il convertitore di celle perchè non provi a farla te in versione alcalina? così ognuno avrà il suo prototipo per poter poi fare i vari confronti.

Saluti kekko
  
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