Effetti quantistici nelle batterie al piombo (Relativity and the Lead-Acid Battery)

Uno degli oggetti più importanti tra quelli contenuti in un mezzo di trasporto dotato di motore a scoppio o a gasolio è, a mio avviso, la batteria. Per capire questa mia affermazione basta immaginare cosa accade se la si trova scarica. Ora un articolo pubblicato su Physical Review Letters aggiunge potrebbe farne (forse non solo per me) oggetto di venerazione. Cosa è successo di tanto straordinario? Il professor Pekka Pyykko e il suo gruppo di ricerca dell'università di Helsinki sono giunti alla conclusione che le batterie al piombo-acido celano nientemeno che aspetti relativistici. Ma la relatività speciale ha a che fare con la fisica estrema: governa il comportamento delle particelle subatomiche che sfrecciano negli acceleratori di particelle a velocità molto prossime a quella della luce. Allora cosa c'entrano le vecchie e umili batterie, inventate dal fisico francese Gaston Plant nel 1859? Le normali batterie per automobili sono costituite da 6 celle collegate in serie, ciascuna delle quali contiene due elettrodi (un anodo di Piombo e un catodo di diossido di piombo) immersi in una soluzione elettrolitica acquosa contenente acido solforico. da cui ha origine una differenza di potenziale complessiva di 12,70 V (12 V durante l'uso). L'elettrodo di piombo, elettropositivo (anodo), cede alcuni dei suoi elettroni all'elettrodo di diossido di piombo, elettronegativo (catodo). E percgé ciò accade con il piombo e non, per esempio, con lo stagno (che ha numero atomico 50)? Il piombo, essendo più pesante dello stgno, ha più protoni nel nucleo (82 contro 50). Da qui discende il fatto che il suo nucleo ha una carica positiva più forte e che, pertanto, attira con più forza gli elettroni in orbita intorno al nucleo, i quali sono portati a correre più velocemente, circa il 60% della velocità della luce. Gli elettroni dello stagno, invece, viaggiano al 35% della velocità della luce. Quindi gli elettroni del piombo si avvicinano di più alla velocità della luce rispetto agli elettroni dello stagno.
Per la fisica classica una batteria allo stagno potrebbe anche funzionare, quindi è il minore effetto relativistico (dovuto alla differente velocità degli elettronic) a causare questa differenza nel comportamtento di un'ipotetica batteria allo stagno, rendendola inutilizzabile ai fini energetici. Il gruppo di ricerca guidato da Pekka Pikko ha scoperto che dei 2.1 Volt tipici di una delle 6 batterie che formano la batteria al piombo, l'80% (circa 1.7 volt) proviene da effetti relativistici
Gli autori dell'articolo sottolineano che sono stati trovati effetti relativistici nel giallo perenne dell'oro (Relativity in Chemistry: The Color of Gold).
Possiamo aggiungere che dalle recenti batterie al litio (numero atomico 3) non ci possiamo aspettar alcun effetto relativistico, ma sicuramente la ricerca della batteria migliore non si ferma qui.
Andrea Mameli - linguaggiomacchina.it - 14 gennaio 2010

Relativity and the Lead-Acid Battery Physical Review Letters - published 5 January 2011 © 2011 The American Physical Society
Rajeev Ahuja1 (1), Andreas Blomqvist (1), Peter Larsson (1), Pekka Pyykkö (2), and Patryk Zaleski-Ejgierd (2)
(1) Division of Materials Theory, Department of Physics and Astronomy, Uppsala University, Box 516, SE-751 20, Uppsala, Sweden
(2) Department of Chemistry, University of Helsinki, Box 55 (A. I. Virtasen aukio 1), FI-00014 Helsinki, Finland
Abstract
The energies of the solid reactants in the lead-acid battery are calculated ab initio using two different basis sets at nonrelativistic, scalar-relativistic, and fully relativistic levels, and using several exchange-correlation potentials. The average calculated standard voltage is 2.13 V, compared with the experimental value of 2.11 V. All calculations agree in that 1.7–1.8 V of this standard voltage arise from relativistic effects, mainly from PbO2 but also from PbSO4.