Was ist die Daniell-Zelle?
Die Daniell-Zelle ist eine Art Kupfer-Zink-Batterie, die eine poröse Barriere zwischen den beiden Metallen verwendet. Es wurde 1836 vom britischen Chemiker John Frederic Daniell erfunden. Nachdem es in der europäischen Telegraphenindustrie weit verbreitet war, wurde es im späten 19. Jahrhundert durch modernere Batteriekonstruktionen ersetzt. Heute wird es hauptsächlich im Klassenzimmer verwendet, um die Funktionsweise von Batterien zu demonstrieren.
Der italienische Wissenschaftler Alessandro Volta erfand die Batterie im Jahr 1800. Bei seinem Entwurf wurde eine Säule aus abwechselnden Zink- und Kupferscheiben verwendet, wobei zwischen jedem Metallstück mit Salzlösung gesättigte Pappstücke gestapelt waren. Dieser Voltaic-Haufen wurde in vielen elektrischen Experimenten verwendet, hatte jedoch mit einer Batterielebensdauer von weniger als einer Stunde keine realen industriellen Anwendungen. Daniell hat Voltas Design dahingehend modifiziert, dass eine Batterie mit einer längeren Lebensdauer entsteht, damit sie praktisch eingesetzt werden kann.
Das Prinzip hinter Daniells Batterie und Voltas ist dasselbe. Ein flüssiger gelöster Stoff namens Elektrolyt - in Voltas Design die Sole zwischen den Metallplatten - beginnt, das Zink und das Kupfer in positiv geladene Ionen aufzulösen. Wenn die Ionen das Metall verlassen, bleiben freie Elektronen zurück. Das Zink löst sich schneller auf als das Kupfer, was bedeutet, dass das Zink bald mehr Elektronen enthält. Verbindet man die beiden Metallteile mit einem Draht, wandern die Elektronen durch den Draht vom Zink zum Kupfer und erzeugen einen elektrischen Strom.
Lösen sich Zink und Kupfer im gleichen Elektrolyten wie im Voltaic-Haufen, verkürzen zwei Prozesse die Lebensdauer der Batterie. Wird es ohne Stromaufnahme gelagert, werden die Kupferionen im Elektrolyten zum negativ geladenen Zinkpol gezogen. Diese Ionen verbinden sich dann mit den Elektronen im Zink und neutralisieren dessen Ladung. Schließlich wird kein Zink mehr zur Auflösung verfügbar sein. Dieser Vorgang wird als Reduktion bezeichnet .
Der andere Vorgang zum Abtöten der Batterie findet statt, wenn Strom entnommen wird. Die Zinkionen drücken Wasserstoff im Elektrolyten zum Kupfer, wo sich der Wasserstoff an der Oberfläche ansammelt und schließlich den Stromfluss stoppt. Dieser Vorgang wird als Polarisation bezeichnet . Die Daniell-Zelle wurde als Reaktion auf die doppelten Probleme der Zinkreduktion und -polarisation entwickelt. Es löst diese Probleme, indem es Zink und Kupfer in getrennten Elektrolyten isoliert.
Um eine Daniell-Zelle herzustellen, kann ein unglasierter Steingutbehälter mit Schwefelsäure und einem darin eingetauchten Stück Zink gefüllt werden. Der Behälter kann dann in eine mit Kupfersulfat gefüllte Kupferdose gestellt werden. Die Steingutbarriere hält Zink und Kupfer auf gegenüberliegenden Seiten; Auf diese Weise wird verhindert, dass die Zinkionen Wasserstoff an das Kupfer senden, wodurch die Polarisation verhindert wird. Es hält auch die Kupferionen vom Zink fern und verhindert die Zinkreduktion. Daniell bezeichnete seine Zelle wegen der Verhinderung der Polarisation als Konstantbatterie .
Durch die Poren in der Barriere können positiv geladene Sulfationen von der Kupferseite zur Zinkseite wandern. Dies gleicht den Elektronenfluss vom Zink zum Kupfer aus, wenn die Schaltung abgeschlossen ist. Das von einer Daniell-Zelle erzeugte elektrische Potential wurde als Volt bezeichnet . Der Wert des modernen Volt ist etwas anders; Eine Daniell-Zelle erzeugt etwa 1,1 Volt und hat einen Innenwiderstand von etwa 2 Ohm.