Cos'è la cellula Daniell?
La cella Daniell è una sorta di batteria rame-zinco che impiega una barriera porosa tra i due metalli. Fu inventato nel 1836 dal chimico britannico John Frederic Daniell. Una volta ampiamente utilizzato nell'industria europea del telegrafo, fu soppiantato alla fine del XIX secolo da più moderni design di batterie. Oggi viene utilizzato principalmente in classe per dimostrare il funzionamento delle batterie.
Lo scienziato italiano Alessandro Volta inventò la batteria nel 1800. Il suo design utilizzava una colonna di dischi alternati di zinco e rame, con pezzi di cartone saturi di salamoia accatastati tra ogni pezzo di metallo. Questa pila Voltaic è stata utilizzata in molti esperimenti elettrici, ma con meno di un'ora di durata della batteria, non ha avuto reali applicazioni industriali. Daniell ha modificato il design di Volta per creare una batteria con una durata maggiore, consentendone l'utilizzo pratico.
Il principio alla base della batteria di Daniell e di Volta è lo stesso. Un soluto liquido chiamato elettrolita - nel design di Volta, la salamoia tra le piastre metalliche - inizia a dissolvere lo zinco e il rame in ioni caricati positivamente. Quando gli ioni lasciano il metallo, gli elettroni liberi rimangono indietro. Lo zinco si dissolve più rapidamente del rame, il che significa che presto lo zinco contiene più elettroni. Se uno collega i due pezzi di metallo con un filo, gli elettroni migreranno attraverso il filo dallo zinco al rame, creando una corrente elettrica.
Se lo zinco e il rame si stanno dissolvendo nello stesso elettrolita, come nella pila Voltaic, due processi accorceranno la durata della batteria. Se viene immagazzinato senza che l'elettricità venga prelevata, gli ioni rame nell'elettrolita verranno attirati nel terminale di zinco caricato negativamente. Questi ioni si accoppieranno quindi con gli elettroni nello zinco, neutralizzando la sua carica. Alla fine, non sarà più disponibile zinco per lo scioglimento. Questo processo è noto come riduzione .
L'altro processo di eliminazione della batteria si verifica quando viene prelevata l'elettricità. Gli ioni zinco spingono l'idrogeno nell'elettrolita verso il rame, dove l'idrogeno si accumula sulla superficie e alla fine interrompe il flusso di elettricità. Questo processo è noto come polarizzazione . La cellula Daniell è stata progettata in risposta ai problemi gemelli della riduzione e della polarizzazione dello zinco. Risolve questi problemi isolando zinco e rame in elettroliti separati.
Per creare una cella Daniell, un contenitore di terracotta non smaltato può essere riempito con acido solforico e un pezzo di zinco immerso in esso. Il contenitore può quindi essere posizionato all'interno di una lattina di rame che è stata riempita con solfato di rame. La barriera in terracotta mantiene zinco e rame sui lati opposti; questo impedisce agli ioni zinco di inviare idrogeno al rame, prevenendo la polarizzazione. Mantiene inoltre gli ioni rame lontano dallo zinco, prevenendo la riduzione dello zinco. Daniell si riferiva al suo cellulare come la batteria costante a causa della sua prevenzione della polarizzazione.
I pori della barriera consentono agli ioni solfato caricati positivamente di spostarsi dal lato rame al lato zinco. Ciò equilibra il flusso di elettroni dallo zinco al rame al completamento del circuito. La quantità di potenziale elettrico prodotto da una cella di Daniell è stata chiamata volt . Il valore del volt moderno è leggermente diverso; una cella di Daniell produce circa 1,1 dei volt di oggi e ha una resistenza interna di circa 2 ohm.