Chimbufale.1. Accendere il fuoco con una batteria al limone.

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Claudio Della Volpe

Accendere il fuoco con una batteria al limone.E altre storie.

La lotta alle bufale è stato sempre un nostro ambito, ben prima che, come succede oggi, perfino i governi cercassero di impadronirsene; e sinceramente preferiamo che sia la rete a generare gli anticorpi, non strutture centralizzate che potrebbero mascherare facilmente attacchi alla libertà di stampa. Esistono d’altronde siti antibufale “spontanei”, specializzati e famosi, come quello di Paolo Attivissimo (http://bufalopedia.blogspot.it/p/cose-la-bufalopedia.html).

Bufale chimiche ne girano parecchie.

Oggi parliamo qui della bufala di accendere il fuoco con una batteria al limone che compare da mesi sulle pagine video della Stampa senza commenti negativi da parte della redazione. Ma potete trovarla anche su Youtube o in giro per la rete; spiace che un giornale così diffuso come la Stampa non abbia i necessari anticorpi.

http://www.lastampa.it/2016/03/15/multimedia/scienza/sapete-come-accendere-un-fuoco-con-un-semplice-limone-9ty316mZxRrIHN7RJOiNWJ/pagina.html

La Stampa: Sapevate che un limone può essere utilizzato per accendere un fuoco? Il segreto è trasformarlo in una batteria artigianale, che funziona con elettrodi di rame e zinco. Nel video pubblicato da NorthSurvival , l’esperimento è presentato come trucco salva-vita, nel caso ci si perda nel bosco, ed è realizzato con fermacampioni di rame, chiodi di zinco, un pezzo di fil di ferro e un po’ di lana d’acciaio. Per le sue caratteristiche chimiche l’agrume può innescare un processo che genera energia, anche pochi Volt sono sufficienti per questo scopo.

lemon1L’origine di questa bufala è un sito americano, di “sopravvivenza”, Northsurvival; siti di questo tipo sulla base della diffusa paura di una catastrofe mondiale di qualche genere parlano di continuo di come fare a sopravvivere; d’altronde ci sono casi più semplici come perdersi in un bosco o in un’isola deserta in cui la cosa potrebbe risultare utile. In fondo accendere il fuoco è una delle azioni base della sopravvivenza.

La foto che vedete rappresenta il dispositivo che secondo il filmato sarebbe in grado di generare l’energia necessaria a portare all’incandescenza un pezzetto di spugna-lana metallica (di ferro o acciaio) e dunque innescare la combustione di legno o altro materiale; una guardata ai seguenti (e veritieri filmati) è forse più chiara;

fuoco acceso con batteria da 9V:

https://www.youtube.com/watch?v=snjocUdBs30

fuoco acceso con 2 batterie da 1.5V in serie:

https://www.youtube.com/watch?v=htfBaJME4m4

Il filmato de La Stampa è simile, solo che si usa come sorgente non una batteria commerciale da 9V o due da 1.5 in serie, ma un limone modificato come in figura; anche nel filmato del limone la cosa sembra funzionare, ma ragionevolmente si tratta di un videomontaggio e vedremo perchè.

Nei due filmati citati prima si fa partire l’incendio di materiale secco usando come innesco la lana di ferro e una batteria messa in corto su di essa.

La cosa è credibile almeno come ordine di grandezza; cerchiamo di stimare quanta energia e quanta potenza serve allo scopo.

Si tratta di portare al calore rosso almeno qualche decina diciamo 100mg di ferro partendo da temperatura ambiente per effetto Joule; l’evento si verifica quasi istantaneamente, segno che potremmo trascurare le perdite per raffreddamento.

Il calore specifico del ferro è poco meno di 0.5 J/grammo; dobbiamo quindi fornire 0.05J/°C per un innalzamento di temperatura fino a circa 800°C; circa 40J in un secondo, ossia una potenza dell’ordine di 40W per un brevissimo periodo (anche in due secondi, 20W).

Le caratteristiche delle batterie commerciali da 9V alcaline sono una capacità di 0.5Ah (1800 coulomb, ossia 1800/96485= 0.02Faraday circa), ed una energia di 16200J (9×0.5×3600); se messa in corto circuito una batteria del genere potrebbe fornire la corrente richiesta teoricamente per oltre 400 secondi (16200/40); ma quando scaricate a questa velocità la reazione elettrochimica le cose non sono lineari, c’è tanta dissipazione. Dai dati di letteratura tuttavia non è banale avere questo tipo di informazioni che sono più simili a quelle di sicurezza, legate al rischio di incendio da batteria; inoltre una batteria sollecitata in questo modo si surriscalda e può dare luogo anche ad una esplosione.

Se trascuriamo l’inevitabile abbassamento del voltaggio durante una scarica di questo tipo, se stimiamo in un solo secondo il tempo di lavoro possiamo facilmente concludere che per ottenere 40W abbiamo bisogno nei due casi di 4-5A nel primo caso e di oltre 13A nel secondo.

Dati sperimentali si possono trarre da siti di appassionati come questo: http://physics.stackexchange.com/questions/30594/short-circuit-an-alkaline-battery

Da questo sito si ricava sperimentalmente, senza alcun tentativo di giustificazione teorica (trattandosi di un fenomeno complesso) che una singola AA alcalina in corto circuito o meglio con una resistenza applicata molto bassa, può arrivare a quasi 10A; mettendone due in serie (teoricamente il voltaggio aumenta senza variazione della corrente) possiamo dunque arrivare molto vicino al valore richiesto (basterebbe considerare 2 secondi il tempo necessario di contatto); nel caso della 9V alcalina il requisito è certo; dunque i due video sono credibilissimo quello della batteria a 9V, un pò meno l’altro ma la cosa almeno teoricamente può funzionare in entrambi i casi.

ATTENZIONE: Ovvio che stiamo parlando di dati molto approssimati perchè in effetti un corto circuito effettivo implicherebbe quasi l’azzeramento della differenza di potenziale, e dunque una corrente ancora maggiore necessaria per giustificare la potenza termica dissipata; ci sono da considerare il ruolo della resistenza interna della batteria e quello delle resistenze di contatto. Comunque, anche applicando l’espressione potenza=I2R alla dissipazione termica, un filo di ferro da 1mm2 di sezione e lungo 1cm ha una resistenza a t ambiente dell’ordine di 1 milliohm (mΩ), ma a 800°C (la resistività del ferro a 25°C è 10-7Ωm, ma il suo coefficiente termico è 0.00651/°C) più alta che a 25°C.

A 800°C dunque la R vale:

lemon2R=0.001Ωx(1+0.00651×800)=0.006Ω; servirebbero 80A in queste condizioni, ma sperimentalmente ne servono 10 volte di meno; perchè? Probabilmente la resistenza effettiva è maggiore a causa della resistenza di contatto ai capi del filo, ossia lo scadente contatto fra filo e eletttrodi della batteria dà una mano. Una resistenza di soli 0.5 Ω, farebbe scendere la corrente a meno di 9 Ampere, pienamente alla portata del sistema.

Ma cosa succede passando ad una batteria al limone? Già come funziona una batteria al limone?

La batteria al limone in effetti è un must della divulgazione chimica; ci sono perfino articoli scientifici pubblicati su varie riviste come JCE (Journal Chemical Education); una batteria al limone, o alla patata l’avrete costruita di sicuro; ma allora dove è il problema?

http://surface.syr.edu/che/2

https://www.scientificamerican.com/article/generate-electricity-with-a-lemon-battery/

http://www.autopenhosting.org/lemon/p181.pdf

Beh come al solito il diavolo è nei dettagli.

E’ una batteria molto simile a quella di Volta; due pezzi di metalllo, zinco e rame immersi in una soluzione acquosa acidula, sia pur compartimentata in cellule, dunque con una resistenza al movimento della cariche certamente maggiore che in una soluzione vera e propria e dunque risultati peggiori.

In quelle condizioni (una volta chiuso il circuito) lo zinco tende ad ossidarsi e il rame invece si comporta da semplice conduttore passivo, consentendo la riduzione dell’acido citrico presente nel limone con sviluppo di idrogeno gassoso.

Zn(s)—> Zn++(aq) +2e

2H+(aq)+2e —> H2(g)

Il voltaggio considerato è la somma dei voltaggi ottenibili dalle due semireazioni; facendo una enorme approssimazione 0.76V per lo zinco (anche se almeno in partenza la conc. di Zn++ è trascurabile) e 0 circa per l’idrogeno, in pratica a circuito aperto non supereremo gli 0.7volt. Trascuro completamente l’effetto delle concentrazioni, l’equazione di Nernst. Se volessi considerare Nernst, dovrei stimare la concentrazione di H+ legata alla presenza di acido citrico e ipotizzare ancora una volta una pressione parziale di idrogeno che almeno all’inizio è trascurabile.

Per stimare la capacità della batteria chiediamoci quanto acido citrico c’è in un limone? Attorno a 50ml di una soluzione che è al 5-7% in peso di acido citrico, dunque atttorno 2-3 grammi di acido, che corrispondono a circa 12-13mmoli (dunque circa 0.25M), dunque teoricamente 6 millimoli di idrogeno molecolare e 12.5 millimoli di elettroni; un limone corrisponde alla rispettabile quantità di 12.5 mmoli di carica elementare da estrarre, che sono oltre 1200 coulomb. Però attenzione questa non è una soluzione e basta; è una struttura biologica, compartimentata, e inoltre l’acido citrico è un acido debole (la prima Ka=7.5×10-4, dunque sempre in approssimazione una conc. di H+ di circa il 2% del totale, 5×10-3M)), di cui solo quello attorno all’elettrodo di rame immerso potrà partecipare velocemente alla reazione; dobbiamo stimare un calo di almeno 10 volte, forse di 20; 50-120 coulomb di carica disponibile. Questi stessi dati messi nell’equazione di Nernst ci consentirebbero di stimare anche il potenziale della semireazione, che diventerebbe negativo, attorno a -0.3V, in accordo con quanto detto sopra (Nota sulla reazione di riduzione).

In questo caso abbiamo varie stime della corrente tipica di questa batteria; per esempio nel lavoro di Svartling per accendere un piccolo LED rosso che necessita di circa 40mW occorrono quattro limoni in serie, dunque circa 10mW per limone; dato che il voltaggio è attorno a 0.7V abbiamo una corrente di 14mA circa; siamo su un livello molto più basso delle batterie commerciali. Comunque il valore di 0.014A e la stima di 50-120 coulomb si corrisponderebbero nel senso che quella corrente se mantenuta per un’ora corrisponde a 50 coulombs, dunque ordine di grandezza giusto.

lemon3Anche immaginando che il video la racconti giusta immaginando di porre “in serie” sei dispositivi non supereremmo i 60mW e saremmo dunque ben lontani dalla potenza necessaria, fra uno e due ordini di grandezza sotto la necessità.

Un esame del video incriminato è stato pubblicato già tempo fa con una verifica sperimentale e un giudizio negativi; lo trovate qua; aggiungiamo i nostri commenti.

https://offgridweb.com/preparation/starting-fires-with-a-lemon-real-or-hoax/

Il commento più importante da fare è sul come la batteria al limone viene proposta sul sito bufalino; confrontate l’immagine del sito con quella di un lavoro serio, pubblicato su JCE e vi rendete conto immediatamente di una differenza enorme: come sono messe “in serie” le tre batterie al limone nel lavoro di Svartling e le immaginifiche 6 nella bufala.

Se guardate con attenzione nel sito della bufala la connessione è assurda in quanto si tratta di fatto di una sola batteria al limone, costituita dai due elettrodi estremi, mentre quelli intermedi non costituiscono alcun dispositivo elettrochimico, ma sono solo pezzi di metallo connessi fra di loro; la similitudine è geometrica, non fisica; fra ciascuna delle singole coppie e quelle adiacenti non c’è alcuna separazione, condividono la stessa soluzione elettrolitica; ma le batterie non sono fatte così, esigono che ciascuna di esse, quando sono messe in serie abbia un suo proprio ambiente elettrochimico omogeneo alla batteria stessa, (e se vogliamo essere precisi a sua volta dotato di separatore fra i due elettrodi per evitare il mescolamento spontaneo e dunque la reazione in forma chimica non elettrochimica).

lemon4Per avere 6 batterie dovremmo separare il limone della bufala in sei pezzi indipendenti. Qui sotto lo schema a tre limoni.

lemon5Questo a mio parere è l’errore concettuale più forte e va al di là dei valori numerici di corrente e tensione, quel limone è una singola batteria, di più con i suoi elettrodi molto lontani e dunque che massimizzano la resistenza interna e peggiorano i risultati: il contrario di una buona batteria.

Conclusione è una bufala, non si può accendere il fuoco con una batteria al limone (e nemmeno con 6) in corto circuito.

Alcuni link utili.

http://hypertextbook.com/facts/2001/EtanMarciano.shtml

http://cr4.globalspec.com/thread/64677/Lemon-Battery-Capacity

https://prezi.com/93yh49bihq4-/factors-affecting-current-of-fruit-batteries/

http://www.odec.ca/projects/2011/duduj2/fruit-veg-battery.html

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Nota sulla reazione di riduzione. E’ interessante notare che si sceglie di solito come reazione di riduzione per questo processo e anche per la reazione di Volta (che usò una soluzione acidula con i medesimi elettrodi) quella dell’idrogeno, con i problemi che si diceva nel testo: quali sono le effettive concentrazioni dei reagenti? Dove è l’idrogeno gassoso in equilibrio e che pressione parziale ha? Ma c’è un’altra reazione di riduzione che è anche termodinamicamente più favorita e che non soffrirebbe i medesimi problemi concettuali: la riduzione dell’ossigeno sciolto in soluzione il cui potenziale è positivo, molto più favorevole dunque di quello del protone, nelle condizioni date (che non sono di attività unitaria) dell’ordine di +0.8V. Ma come mai non si sceglie questa reazione?

O2(g) +4H+(aq)+4e –>H2O

Beh nel limone mi vien da dire per mancanza di ossigeno disciolto nel liquido interno del limone, a causa delle barriere cellulari. L’acido citrico c’è , l’ossigeno no, anche nella mela o nella patata è lo stesso come provato dal cambio di colore se li tagliate.

Ma nel caso della reazione di Volta (dunque usando una soluzione e non il limone come eletttrolita) invece la questione è molto ampia; la scelta fra i due reagenti è importante in molti altri ambiti, come nelle celle a combustibile per esempio; la risposta potrebbe essere non tanto termodinamica, ma cinetica; ossia quale sovratensione hanno rispettivamente il protone e l’ossigeno nel ridursi su un elettrodo di rame o di grafite poniamo, se costruiamo la cella con grafite e zinco, tanto il rame è inerte nel contesto dato? La risposta a queste domande è complessa; per chi fosse interessato consiglio di approfondire leggendo qualcosa sull’analisi cosiddetta di Sabatier o sul diagramma vulcano, che è lo stesso e casomai leggendo questi riferimenti:

Oxygen-tolerant proton reduction catalysis: much O2 about nothing?†

David W. Wakerley and Erwin Reisner*   Energy Environ. Sci., 2015, 8, 2283

Oppure

Electrocatalytic Oxygen Reduction Reaction Chaojie Song and Jiujun Zhu

E si tenga presente che il termine attività in questo contesto si riferisce alla catalisi e non alla termodinamica, più vicino concettualmente all’affinità di De Donder che ad altro.

Anche nella lemon battery c’è da studiare per una vita e non solo alle elementari. Si può ripetere questo esperimento dalle elementari all’università trovando sempre di cosa discutere.