Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Клетки Даниэля, 1836 г.

Клеток Дэнилл представляет собой тип гальванического элемента изобрел в 1836 году Джон Фредерик Даниель , британский химик и метеоролог , и состоит из медной горшок , заполненный меди (II) , сульфат раствора, в который погружен в неглазурованной глиняная контейнер , наполненный серной кислота и цинковый электрод. 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 цинкаможет быть заменен серной кислотой. Ячейка Daniell была большим усовершенствованием существующей технологии, которая использовалась на заре разработки батарей . Более поздний вариант ячейки Даниэля, называемый гравитационной ячейкой или ячейкой " воронья лапка", 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 вольта , который является единицей электродвижущей силы в Международной системе единиц . Определения электрических единиц, которые были предложены на Международной конференции электриков 1881 года, были разработаны таким образом, чтобы электродвижущая сила элемента Даниэля составляла около 1,0 вольт. [1] [2] Согласно современным определениям, стандартный потенциал ячейки Даниэля при 25 ° C на самом деле составляет 1,10 В. [3]

Химия [ править ]

В камере Daniel, медные и цинковые электроды погружены в раствор из меди (II) сульфата и сульфата цинка , соответственно. На аноде (отрицательном электроде) цинк окисляется в соответствии со следующей полуреакцией:

Две демонстрации в классе в форме полуэлементов
Zn (s) → Zn 2+ (водн.) + 2e - . . ( Стандартный потенциал восстановления электрода –0,7618 В) [4] [5]

На катоде (положительный электрод) медь восстанавливается в соответствии со следующей реакцией:

Cu 2+ (водн.) + 2e - → Cu (s) . . ( Стандартный восстановительный потенциал электрода +0,340 В)

Обратите внимание, что положительно заряженные ионы меди движутся к положительному электроду за счет уменьшения химической энергии.

Общая реакция:

Zn (s) + Cu 2+ (водн.) → Zn 2+ (водн.) + Cu (s). . ( Напряжение холостого хода 1,1018 В)

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. Эта энергия в основном может быть отнесена на счет 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. [6]

В демонстрациях в классе часто используется форма ячейки Даниэля, известная как две полуячейки из-за ее простоты. Каждая из двух половинных ячеек поддерживает половину описанных выше реакций. Провода и лампочка могут соединить два электрода. Избыточные электроны, образующиеся в результате окисления металлического цинка, «выталкиваются» из анода, который, следовательно, является отрицательным электродом, проходят через провод и «втягиваются» в медный катод, где они расходуются на восстановление ионов меди. Это обеспечивает электрический ток, который освещает лампочку.

Поскольку ни одна из половин реакции не будет происходить независимо от другой, две половинные ячейки должны быть соединены таким образом, чтобы позволить ионам свободно перемещаться между ними. Пористый барьер или керамический диск может быть использован для разделения двух растворов, позволяя поток ионов сульфата. Когда полуэлементы помещаются в два совершенно разных и отдельных контейнера, часто используется солевой мостик для соединения двух ячеек. Солевой мостик обычно содержит высокую концентрацию нитрата калия (соль, которая не будет химически мешать реакции ни в одной из половин ячейки). В вышеупомянутой влажной ячейке во время разряда нитрат-анионы в солевом мостике перемещаются в цинковую полуячейку, чтобы уравновесить увеличение Zn 2+.ионы. В то же время ионы калия из солевого мостика перемещаются в медную полуячейку, чтобы заменить ионы Cu 2+ , осаждающиеся на медном электроде.

Если элемент подключен к потенциальному источнику (например, зарядному устройству) таким образом, что разность потенциалов источника немного выше, чем ЭДС элемента (1,1 В), то ток может измениться на противоположный, и реакция станет следующей:

Следовательно, ячейка Даниэля обратима, если ток, потребляемый от нее (или подаваемый на нее), невелик. Ячейку Даниэля можно использовать для «выработки» электричества, потребляя электрод, или для хранения электричества.

Развитие [ править ]

Оригинальная конструкция Даниэля [ править ]

Схема ранней ячейки Даниэля, опубликованная Даниэлем в 1839 году. В этой конструкции оригинальный перфорированный диск превратился в цилиндр внутри верхней части ячейки для удерживания кристаллов сульфата меди.

Даниэль впервые построил свою камеру в 1836 году. [7] Его первоначальная конструкция состояла из медного цилиндра диаметром 3,5 дюйма. Поперек цилиндра, утопленного сверху вниз, помещался 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 трубы для бычьего пищевода, подвешенной на деревянных опорах. Медный сосуд был заполнен серной кислотой.раствор, насыщенный 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 утверждает, что для практического удобства вместо бычьей глотки можно использовать пористую глиняную трубку, но такая конструкция 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». [8] Это форма ячейки пористого горшка, которая стала широко использоваться в телеграфии.

Ячейка пористого горшка [ править ]

Пористая горшечная ячейка

Ячейка пористого горшка 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 медной банке [ требуется пояснение ], которая 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 восстанавливаться без образования тока, что сокращает срок службы батареи. [9] Замена серной кислоты сульфатом цинка была изобретением Дж. Фуллера в 1853 году. Это продлевает срок службы элемента. [10]

Со временем отложения меди закупоривают поры в глиняном барьере и сокращают срок службы батареи. Тем не менее, ячейка Даниэля обеспечивает более длительный и надежный ток, чем вольтовская батарея, потому что электролит осаждает медь, которая является проводником , а не водород, который является изолятором , на катоде. Кроме того, он более безопасен 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. [11]

Гравитационная ячейка [ править ]

Гравитация начала ХХ века. Обратите внимание на характерную форму воронки цинкового анода.

Где-то в 1860-х годах француз по имени Калло изобрел вариант ячейки Даниэля, в которой не использовался пористый барьер. [11] 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 рассыпаются вокруг катода, а затем сосуд наполняется 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 необходимо постоянно пропускать ток, чтобы два раствора не смешивались за счет диффузии, 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 перемешиванию слоев.

Иногда его называют «гусеницей» из-за отличительной формы электродов, такое расположение менее затратно для больших многоячеечных батарей и быстро стало предпочтительным вариантом для американских и британских телеграфных сетей. Даже после того, как большинство телеграфных линий начали питаться от мотор-генераторов, гравитационная батарея продолжала использоваться на промежуточных станциях для питания местной сети, по крайней мере, до 1950-х годов. [12] В телеграфной промышленности эта батарея часто собиралась на месте самими телеграфистами, и когда она разряжалась, ее можно было заменить, заменив израсходованные компоненты. [13]Слой сульфата цинка прозрачен по сравнению с темно-синим слоем сульфата меди, что позволяет технику с первого взгляда определить срок службы батареи. С другой стороны, такая установка означает, что аккумулятор можно использовать только в стационарном приборе, в противном случае растворы могут смешаться или разлиться.

Использование в электрометаллургии [ править ]

Птичья клетка [ править ]

Вариант ячейки Даниэля был изобретен в 1837 году врачом больницы Гая Голдингом Бердом, который использовал гипсовый барьер для разделения растворов. Эксперименты Берда с этой ячейкой имели некоторое значение для новой области электрометаллургии , но сам Берд 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 поначалу 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. [14] [15]

Электротипирование [ править ]

Джон Дэнсер , производитель инструментов из Ливерпуля, в 1838 году первым воспользовался коммерческими преимуществами уникальных свойств ячейки Даниэля для меднения. В процессе, теперь известном как электротипирование, он обнаружил, что может придавать объектам любую желаемую форму, используя пористый барьер в качестве формы. Многие другие, однако, сделали то же открытие, и в патентном споре с Томасом Спенсером было указано, что Бёрд имеет приоритет в отношении этого принципа. Кредит на изобретение электротипирования обычно приписывают русскому Морицу фон Якоби . [14]

См. Также [ править ]

  • Ячейка Бунзена
  • История батареи
  • Терминология первичной ячейки

Ссылки [ править ]

  1. ^ Borvon, Gérard (10 сентября 2012). «История электрических агрегатов» . Ассоциация S-EAU-S.
  2. ↑ Хамер, Уолтер Дж. (15 января 1965 г.). Стандартные элементы: их конструкция, обслуживание и характеристики (PDF) . Монография № 84 Национального бюро стандартов. Национальное бюро стандартов США.
  3. ^ Спенсер, Джеймс Н .; Боднер, Джордж М .; Рикард, Лайман Х. (2010). Химия: структура и динамика (пятое издание) . Джон Вили и сыновья. п. 564. ISBN 9780470587119.
  4. ^ Майкл Клагстон, Розалинда Флемминг, Advanced Chemistry , p. 224, Oxford University Press, 2000 ISBN 0199146330 . 
  5. ^ Национальное бюро стандартов, цинк и его сплавы , стр. 40 , Типография правительства США, 1931 OCLC 954241601 . 
  6. ^ Шмидт-Рор, К. (2018). «Как аккумуляторы накапливают и выделяют энергию: объяснение основ электрохимии» J. Chem. Educ. 95 : 1801-1810. https://doi.org/10.1021/acs.jchemed.8b00479
  7. ^ Элизабет Х. Оукс, от А до Я ученых СС , стр. 72, Издание информационной базы , 2009 ISBN 1438109253 . 
  8. ↑ John Frederic Daniell, An Introduction to the Study of Chemical Philosophy , стр. 504–505, John W. Parker, 1843 OCLC 315534231 (стр. 438–439 в издании OCLC 7841489 1839 г.,в котором нет комментариев о платине).  
  9. ^ Джорджио Карбони, Эксперименты в электрохимии ; Последний доступ 30 июля 2010 г.
  10. ^ Томас Кингстон Дерри, Тревор Илтид Уильямс, Краткая история технологии с древнейших времен до 1900 г. н.э. , стр. 611, Courier Corporation, 1960 ISBN 9780486274720 . 
  11. ^ а б Джеймс Б. Калверт. «Электромагнитный телеграф» . Архивировано из оригинала на 2007-08-04 . Проверено 30 июля 2010 .
  12. ^ Инструменты телеграфии. Архивировано 23 июля 2011 г. в Wayback Machine , Telegraph Lore; Последний доступ 30 июля 2010 г.
  13. ↑ Грегори С. Рэйвен, Воспоминания об узкоколейном Lightning Slinger, архивировано 23июля 2011 г. в Wayback Machine ; Последний доступ 30 июля 2010 г.
  14. ^ a b Ватт, Александр; Филип, Арнольд (2005). Гальваника и электрорафинирование металлов . Издательство "Часовщик". С. 90–92. ISBN 1929148453. Перепечатка тома 1889 года.
  15. ^ Голдинг птица, Доклад седьмого совещания Британского общества содействия развитию науки , т.6 (1837), с.45, Лондон: J. Murray, 1838.

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Саслоу, Уэйн М. (1999), «Гальванические элементы для физиков: два поверхностных насоса и внутреннее сопротивление», American Journal of Physics , 67 (7): 574–583, Bibcode : 1999AmJPh..67..574S , doi : 10.1119 / 1.19327
  • Лестер, Джеймс С.; Викари, Роза Мария; Парагуасу, Фабио (2004), Лестер, Джеймс К.; Викари, Роза Мария; Paraguaçu, Фаий (ред . ), Качественная модель Даниель Cell для химического образования , Lecture Notes в области компьютерных наук, 3220 , DOI : 10.1007 / b100137 , ISBN 978-3-540-22948-3

Внешние ссылки [ править ]

  • Дэниел Клеточный эксперимент