Co to jest komórka Daniella?
Ogniwo Daniella jest rodzajem baterii miedziano-cynkowej, która wykorzystuje porowatą barierę między dwoma metalami. Został wynaleziony w 1836 roku przez brytyjskiego chemika Johna Frederica Daniella. Kiedyś szeroko stosowany w europejskim przemyśle telegraficznym, został zastąpiony pod koniec XIX wieku przez bardziej nowoczesne konstrukcje akumulatorów. Dziś jest głównie używany w klasie, aby zademonstrować działanie baterii.
Włoski naukowiec Alessandro Volta wynalazł baterię w 1800 roku. W jego projekcie wykorzystano kolumnę naprzemiennych dysków cynkowych i miedzianych, z nasyconymi solanką kawałkami kartonu ułożonymi między kawałkami metalu. Ten stos Voltaic był używany w wielu eksperymentach elektrycznych, ale z mniej niż godzinną żywotnością baterii, nie miał prawdziwych zastosowań przemysłowych. Daniell zmodyfikował projekt Volty, aby stworzyć baterię o dłuższej żywotności, pozwalającą na praktyczne zastosowanie.
Zasada działania baterii Daniella i Volty jest taka sama. Ciekła substancja zwana elektrolitem - w projekcie Volty - solanką między metalowymi płytkami - zaczyna rozpuszczać cynk i miedź w dodatnio naładowane jony. Gdy jony opuszczają metal, wolne elektrony pozostają w tyle. Cynk rozpuszcza się szybciej niż miedź, co oznacza, że wkrótce cynk zawiera więcej elektronów. Jeśli połączymy dwa kawałki metalu za pomocą drutu, elektrony będą migrować przez drut z cynku do miedzi, tworząc prąd elektryczny.
Jeśli cynk i miedź rozpuszczają się w tym samym elektrolicie, co w stosie Voltaic, dwa procesy skracają żywotność akumulatora. Jeśli jest przechowywany bez pobierania prądu, jony miedzi w elektrolicie zostaną przyciągnięte do ujemnie naładowanego zacisku cynku. Jony te sprzęgną się następnie z elektronami w cynku, neutralizując jego ładunek. W końcu cynk nie będzie już dostępny do rozpuszczenia. Ten proces jest znany jako redukcja .
Drugi proces zabijania baterii ma miejsce, gdy pobierany jest prąd. Jony cynku popychają wodór z elektrolitu do miedzi, gdzie wodór gromadzi się na powierzchni i ostatecznie zatrzymuje przepływ prądu. Ten proces jest znany jako polaryzacja . Ogniwo Daniella zostało zaprojektowane w odpowiedzi na podwójne problemy związane z redukcją cynku i polaryzacją. Rozwiązuje te problemy, izolując cynk i miedź w oddzielnych elektrolitach.
Aby wykonać komórkę Daniella, nieszkliwiony pojemnik ceramiczny można wypełnić kwasem siarkowym i zanurzyć w nim kawałek cynku. Pojemnik można następnie umieścić w miedzianej puszce wypełnionej siarczanem miedzi. Bariera ceramiczna utrzymuje cynk i miedź po przeciwnych stronach; dzięki temu jony cynku nie wysyłają wodoru do miedzi, zapobiegając polaryzacji. Utrzymuje także jony miedzi z dala od cynku, zapobiegając redukcji cynku. Daniell nazywał swoją komórkę ciągłą baterią ze względu na zapobieganie jej polaryzacji.
Pory w barierze umożliwiają przemieszczanie się dodatnio naładowanych jonów siarczanowych od strony miedzi do strony cynku. Równoważy to przepływ elektronów z cynku do miedzi po zakończeniu obwodu. Ilość potencjału elektrycznego wytwarzanego przez ogniwo Daniella nazwano woltem . Wartość współczesnego wolta jest nieco inna; ogniwo Daniella wytwarza około 1,1 dzisiejszych woltów i ma rezystancję wewnętrzną około 2 omów.