Войти
Ячейки Даниэля, 1836. Ячейка Даниэля - это тип электрохимической ячейки, изобретенной в 1836 году Джоном Фредериком Дэниеллом., британский химик и метеоролог, и состоит из медного сосуда, наполненного раствором сульфата меди (II), в который погружается неглазурованный глиняная емкость, наполненная серной кислотой и цинковым электродом. Он искал способ устранить проблему пузырьков водорода, обнаруженную в гальванической батарее, и его решение состояло в том, чтобы использовать второй электролит для потребления водорода, производимого первым. Сульфат цинка может быть заменен серной кислотой. Ячейка Даниэля была большим усовершенствованием существующей технологии, которая использовалась на заре разработки батареи. Более поздний вариант ячейки Даниэля, названный гравитационной ячейкой или гусеницей, был изобретен в 1860-х годах французом по имени Калло и стал популярным выбором для электрического телеграфирования.
Ячейка Даниэля также является исторической основой для современного определения вольт, которое является единицей электродвижущей силы в Международной системе единиц. Определения электрических единиц, которые были предложены на Международной конференции электриков 1881 г. , были разработаны таким образом, чтобы электродвижущая сила элемента Даниэля составляла около 1,0 вольт. Согласно современным определениям, стандартный потенциал ячейки Даниэля при 25 ° C на самом деле составляет 1,10 В.
В ячейке Даниэля медные и цинковые электроды погружены в раствор меди (II) сульфат и сульфат цинка соответственно. На аноде (отрицательный электрод) цинк окисляется за следующую половину реакции:
Форма ячейки Даниэля с двумя полуэлементами для демонстрации в классе На катоде (положительный электрод) медь восстанавливается по следующей реакции:
Обратите внимание, что положительно заряженные ионы меди движутся к положительному электроду за счет уменьшения химической энергии.
Суммарная реакция:
Эти процессы приводят к накоплению твердой меди на катоде и коррозии цинкового электрода в растворе в виде катионов цинка. Ячейка Даниэля производит приблизительно 213 кДж на моль (65 г) цинка. Эту энергию в основном можно отнести к более слабой связи на 207 кДж / моль (меньшая величина энергии когезии) в цинке по сравнению с металлической медью, что можно объяснить отсутствием связи через частично заполненные d-орбитали в цинке.
В демонстрациях в классе часто используется форма ячейки Даниэля, известная как две полуклетки из-за ее простоты. Каждая из двух половинных ячеек поддерживает половину описанных выше реакций. провод и лампочка могут соединять два электрода. Избыточные электроны, образовавшиеся в результате окисления металлического цинка, «выталкиваются» из анода, который, следовательно, является отрицательным электродом, проходят через провод и «втягиваются» в медный катод, где они потребляются восстановление ионов меди. Это обеспечивает электрический ток, который освещает лампочку.
Поскольку ни одна из половин реакции не происходит независимо от другой, две полуячейки должны быть соединены таким образом, чтобы позволить ионам свободно перемещаться между ними. пористый барьер или керамический диск может использоваться для разделения двух растворов, позволяя потоку сульфат-ионов. Когда полуэлементы помещаются в два совершенно разных и отдельных контейнера, солевой мостик часто используется для соединения двух ячеек. Солевой мостик обычно содержит высокую концентрацию нитрата калия (соль, которая не будет химически мешать реакции в любой из половин ячейки). В вышеупомянутом влажном элементе во время разряда анионы нитрата в солевом мостике перемещаются в цинковую полуячейку, чтобы уравновесить увеличение количества ионов Zn. В то же время ионы калия из солевого мостика перемещаются в медную полуячейку, чтобы заменить ионы Cu, осаждающиеся на медном электроде.
Если элемент подключен к потенциальному источнику (например, зарядному устройству), так что разность потенциалов источника немного выше, чем ЭДС элемента (1,1 В), то ток может быть изменен на противоположный, и реакция превратится в:
или,
Следовательно, ячейка Даниэля обратима, если ток, протекающий от него (или подаваемый к нему), невелик. Ячейку Даниэля можно использовать для «выработки» электричества, потребляя электрод, или для хранения электричества.
Схема ранней ячейки Даниэля, опубликованная Даниэлем в 1839 году. В этой конструкции оригинальный перфорированный диск превратился в цилиндр внутри верхней части ячейки для удерживания кристаллы сульфата меди Даниэлл впервые сконструировал свою камеру в 1836 году. Его первоначальная конструкция состояла из медного цилиндра диаметром 3,5 дюйма. Поперек цилиндра с углублением сверху вниз был установлен медный диск с множеством отверстий. Трубка из бычьей глотки свисала из большого отверстия в центре перфорированного медного диска. Цинковый стержень диаметром 0,5 дюйма висел внутри этой бычьей глотки, подвешенной на деревянных опорах. Медный сосуд был заполнен раствором серной кислоты, насыщенным сульфатом меди до уровня выше перфорированного диска. Трубка бычьего глотка была заполнена раствором серной кислоты. Кристаллы сульфата меди насыпали на перфорированный медный диск, чтобы раствор оставался насыщенным. Бычья глотка действует как пористая мембрана, пропускающая ионы. Даниэлл заявляет, что для практического удобства вместо бычьей глотки можно использовать пористую глиняную трубку, но это устройство будет производить меньше энергии. Еще одно предложение, сделанное Даниэлем для улучшения элемента, заключалось в замене меди на платину и сульфата меди на хлорид платины, но он отмечает, что «такое расположение было бы идеальным, но слишком дорогостоящим для обычных приложений». Именно пористая горшечная форма ячейки получила широкое распространение в телеграфии.
Пористый горшок Пористый горшок состоит из центрального цинкового анода, погруженного в пористый глиняный горшок, содержащий раствор сульфата цинка. Пористый сосуд, в свою очередь, погружают в раствор сульфата меди, содержащийся в медном сосуде, который действует как катод ячейки. Использование пористого барьера позволяет ионам проходить сквозь них, но не дает растворам перемешиваться. Без этого барьера, когда ток не подается, ионы меди будут дрейфовать к цинковому аноду и претерпевают восстановление без образования тока, что сокращает срок службы батареи. Замена серной кислоты сульфатом цинка была нововведением Дж. Фуллера в 1853 году. Она продлевает срок службы элемента.
Со временем отложения меди блокируют поры в керамическом барьере и сокращают срок службы батареи. Тем не менее, ячейка Даниэля обеспечивает более длительный и надежный ток, чем батарея Вольта, поскольку электролит осаждает медь, которая является проводником , а не водород, который является изолятором, на катод. Он также безопаснее и менее агрессивен. Имея рабочее напряжение около 1,1 В, он широко использовался в телеграфных сетях, пока не был вытеснен ячейкой Лекланше в конце 1860-х годов.
Начало 20-го века. гравировка гравитационной ячейки. Обратите внимание на характерную форму цинкового анода в форме ломаной лапки. Где-то в 1860-х годах француз по имени Калло изобрел вариант ячейки Даниэля, в которой не использовался пористый барьер. Вместо этого слой сульфата цинка находится поверх слоя сульфата меди, две жидкости разделены из-за их разной плотности, часто с добавлением слоя масла сверху, чтобы предотвратить испарение. Это снижает внутреннее сопротивление системы и, таким образом, аккумулятор дает более сильный ток.
Этот вариант, называемый гравитационной ячейкой, состоит из стеклянного сосуда, в котором медный катод находится на дне, а цинковый анод подвешен под ободом в слое сульфата цинка. Кристаллы сульфата меди разбрасываются вокруг катода, а затем сосуд заполняется дистиллированной водой. По мере прохождения тока вверху вокруг анода образуется слой раствора сульфата цинка. Этот верхний слой отделен от нижнего слоя сульфата меди из-за его более низкой плотности и полярности ячейки. Недостатком гравитационной ячейки является то, что для предотвращения смешивания двух растворов за счет диффузии необходимо постоянно пропускать ток, поэтому она не подходит для периодического использования. Кроме того, он был уязвим к потере целостности, если потреблялся слишком большой электрический ток, что также приводило к смешиванию слоев.
Иногда его называют «гусиным элементом» из-за отличительной формы электродов, такое расположение менее затратно для больших многоячеечных батарей и быстро стало предпочтительным выбором для американских и британских телеграфных сетей.. Даже после того, как большинство телеграфных линий начали получать питание от мотор-генераторов, гравитационная батарея продолжала использоваться на путевых станциях для питания местных сетей, по крайней мере, до 1950-х годов. В телеграфной промышленности эта батарея часто собиралась на месте самими телеграфистами, и когда она разряжалась, ее можно было заменить, заменив израсходованные компоненты. Слой сульфата цинка прозрачен в отличие от темно-синего слоя сульфата меди, что позволяет технику определить срок службы батареи с первого взгляда. С другой стороны, такая установка означает, что аккумулятор можно использовать только в стационарном приборе, иначе растворы могут смешаться или разлиться.
Вариант ячейки Даниэля был изобретен в 1837 г. больницей Гая врачом Голдинг Берд, который использовал гипс из парижского барьера для разделения растворов. Эксперименты Берда с этой ячейкой имели некоторое значение для новой дисциплины электрометаллургии, но сам Бёрд не занимался этой областью; его интересовала электротерапия. Удивительным результатом экспериментов Берда было осаждение меди на пористой штукатурке и в прожилках, проходящих через нее, без какого-либо контакта с металлическими электродами. Настолько удивительно, что сначала этому не поверили исследователи-электрохимики, в том числе Майкл Фарадей. Самому Берду пришлось тщательно исследовать свой аппарат на предмет случайного контакта, возможно, из-за роста медных «усов», прежде чем он убедился в результате. Осаждение меди и других металлов отмечалось ранее, но всегда раньше это был металл на металлическом электроде.
Джон Дэнсер, ливерпульский производитель инструментов, в 1838 году был первым чтобы воспользоваться коммерческими преимуществами уникальных свойств элемента Daniell для меднения. В процессе, теперь известном как электротипирование, он обнаружил, что может придавать объектам любую желаемую форму, используя пористый барьер в качестве формы. Однако многие другие сделали то же открытие, и в патентном споре с Томасом Спенсером было указано, что Бёрд имеет приоритет в отношении принципа. Кредит за изобретение электротипирования обычно отдается русскому Морицу фон Якоби.
 | Викискладе есть средства массовой информации, связанные с ячейкой Даниэля. |
