Voltaische Säule - Voltaic pile

Schematische Darstellung eines Kupfer - Zink Voltaschen Säule. Die Kupfer- und Zinkscheiben wurden durch in Salzwasser (dem Elektrolyten) getränkte Abstandshalter aus Pappe oder Filz voneinander getrennt. Voltas Originalpfähle enthielten unten eine zusätzliche Zinkscheibe und oben eine zusätzliche Kupferscheibe. Diese erwiesen sich später als unnötig.
Eine voltaische Säule auf dem Display im Tempio Voltiano (der Volta-Tempel) in der Nähe von Voltas Haus in Como , Italien
Eine Reproduktion des ersten Voltaic Pile

Die Voltaische Säule war die erste elektrische Batterie , die einen Stromkreis kontinuierlich mit elektrischem Strom versorgen konnte. Es wurde vom italienischen Physiker Alessandro Volta erfunden , der seine Experimente 1799 veröffentlichte. Die voltaische Säule ermöglichte dann eine schnelle Reihe anderer Entdeckungen, darunter die elektrische Zersetzung ( Elektrolyse ) von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff durch William Nicholson und Anthony Carlisle (1800) und die Entdeckung oder Isolierung der chemischen Elemente Natrium (1807), Kalium (1807), Calcium (1808), Bor (1808), Barium (1808), Strontium (1808) und Magnesium (1808) durch Humphry Davy .

Die gesamte Elektroindustrie des 19. Jahrhunderts wurde bis zum Aufkommen des Dynamos (des elektrischen Generators) in den 1870er Jahren mit Batterien betrieben, die mit Volta verwandt waren (zB die Daniell-Zelle und die Grove-Zelle ) .

Voltas Erfindung basiert auf Luigi Galvanis Entdeckung aus den 1780er Jahren, wie ein Stromkreis aus zwei Metallen und einem Froschschenkel dazu führen kann, dass das Froschschenkel reagiert. Volta zeigte 1794, dass, wenn zwei Metalle und mit Salzlake getränktes Tuch oder Pappe in einem Stromkreis angeordnet werden, sie einen elektrischen Strom erzeugen . Im Jahr 1800 stapelte Volta mehrere Paare abwechselnder Kupfer- (oder Silber- ) und Zinkscheiben ( Elektroden ), die durch in Salzlake ( Elektrolyt ) getränktes Tuch oder Pappe getrennt waren , um die gesamte elektromotorische Kraft zu erhöhen. Wenn der obere und der untere Kontakt durch einen Draht verbunden waren, floss ein elektrischer Strom durch die Voltaische Säule und den Verbindungsdraht.

Geschichte

Anwendungen

Zeichnung der Voltaischen Säule in verschiedenen Konfigurationen, aus dem Brief von Alessandro Volta an Joseph Banks .

Am 20. März 1800 schrieb Alessandro Volta an die London Royal Society , um die Technik zur Erzeugung von elektrischem Strom mit seinem Gerät zu beschreiben. Als William Nicholson und Anthony Carlisle die Voltasche Säule kennenlernten, entdeckten sie damit die Elektrolyse von Wasser. Humphry Davy zeigte, dass die elektromotorische Kraft , die den elektrischen Strom durch einen Stromkreis mit einer einzelnen Volta-Zelle treibt, durch eine chemische Reaktion verursacht wird, nicht durch die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Metallen. Er benutzte die Voltaic-Säule auch, um Chemikalien zu zersetzen und neue Chemikalien herzustellen. William Hyde Wollaston zeigte , dass Elektrizität von Voltaic - Pfählen die gleiche Wirkung hat wie durch Reibung erzeugte Elektrizität . 1802 verwendete Vasily Petrov Voltaic-Pfähle bei der Entdeckung und Erforschung von Lichtbogeneffekten .

Humphry Davy und Andrew Crosse gehörten zu den ersten, die große Voltaic-Pfähle entwickelten. Davy verwendet , um einen 2000-Paar für die Stapel aus Royal Institution 1808 zu demonstrieren Kohlenbogenentladung und zu isolieren , fünf neue Elemente: Barium, Calcium, Bor, Strontium und Magnesium.

Elektrochemie

Da Volta glaubte, dass die elektromotorische Kraft beim Kontakt zwischen den beiden Metallen auftritt, hatten Voltas Pfähle ein anderes Design als das auf dieser Seite dargestellte moderne Design. Seine Pfähle hatten oben eine zusätzliche Kupferscheibe in Kontakt mit dem Zink und eine zusätzliche Zinkscheibe unten in Kontakt mit dem Kupfer. Aufbauend auf Voltas Arbeit und die Elektromagnetismus Arbeit seines Mentors Humphry Davy , Michael Faraday dazu , neben den Magneten und die Voltaschen Säule in seinen Experimenten mit Strom. Faraday glaubte, dass alle zu dieser Zeit untersuchten "Elektrizitäten" (voltaische, magnetische, thermische und tierische) ein und dieselbe waren. Seine Arbeit, diese Theorie zu beweisen, führte ihn dazu, zwei Gesetze der Elektrochemie vorzuschlagen, die in direktem Widerspruch zu den aktuellen wissenschaftlichen Überzeugungen der Zeit standen, die von Volta dreißig Jahre zuvor aufgestellt wurden. Aufgrund ihres Beitrags zum Verständnis dieses Forschungsgebiets gelten Faraday und Volta als die Väter der Elektrochemie . Die Wörter "Elektrode" und "Elektrolyt", die oben verwendet wurden, um Voltas Arbeit zu beschreiben, sind auf Faraday zurückzuführen.

Trockener Haufen

Eine Reihe von Hochspannungs - Trockenpfählen wurden zwischen dem frühen 19. Jahrhundert und den 1830er Jahren in einem Versuch , erfunden , die Quelle zu bestimmen Strom der nassen Voltasche Säule, und speziell Volta Hypothese Kontaktspannung zu unterstützen. Tatsächlich experimentierte Volta selbst mit einem Stapel, dessen Pappscheiben höchstwahrscheinlich aus Versehen ausgetrocknet waren.

Der erste, der 1802 veröffentlichte, war Johann Wilhelm Ritter , wenn auch in einer obskuren Zeitschrift, aber im Laufe des nächsten Jahrzehnts wurde es wiederholt als Neuentdeckung angekündigt. Eine Form des Trockenstapels ist der Zamboni-Stapel . Francis Ronalds erkannte 1814 als einer der ersten, dass Trockenpfähle auch durch chemische Reaktionen und nicht durch Metall-Metall-Kontakt funktionierten, obwohl Korrosion aufgrund der sehr kleinen erzeugten Ströme nicht sichtbar war.

Der Trockenhaufen könnte als Vorfahre der modernen Trockenzelle bezeichnet werden .

Elektromotorische Kraft

Die Stärke des Stapels wird in Form seiner elektromotorischen Kraft oder EMK in Volt angegeben. Alessandro Voltas Theorie der Kontaktspannung geht davon aus, dass die EMK, die den elektrischen Strom durch einen Stromkreis mit einer voltaischen Zelle treibt, am Kontakt zwischen den beiden Metallen auftritt. Volta hielt den Elektrolyten, der in seinen Experimenten typischerweise Sole war , für nicht signifikant. Chemiker erkannten jedoch bald, dass Wasser im Elektrolyten an den chemischen Reaktionen des Haufens beteiligt war und zur Entwicklung von Wasserstoffgas aus der Kupfer- oder Silberelektrode führte.

Das moderne, atomare Verständnis einer Zelle mit durch einen Elektrolyten getrennten Zink- und Kupferelektroden ist folgende. Wenn die Zelle über einen externen Stromkreis elektrischen Strom liefert, wird das metallische Zink an der Oberfläche der Zinkanode oxidiert und löst sich als elektrisch geladene Ionen (Zn 2+ ) im Elektrolyten auf , wobei 2 negativ geladene Elektronen (
e
) hinten im Metall:

Anode (Oxidation): Zn → Zn 2+ + 2
e

Diese Reaktion wird Oxidation genannt . Während Zink in den Elektrolyten eindringt, nehmen zwei positiv geladene Wasserstoffionen (H + ) aus dem Elektrolyten zwei Elektronen an der Kupferkathodenoberfläche auf, werden reduziert und bilden ein ungeladenes Wasserstoffmolekül (H 2 ):

Kathode (Reduktion): 2 H + + 2
e
→ H 2

Diese Reaktion wird Reduktion genannt . Die Elektronen, die aus dem Kupfer verwendet werden, um die Wasserstoffmoleküle zu bilden, werden durch einen externen Draht oder Stromkreis gebildet, der es mit dem Zink verbindet. Die durch die Reduktionsreaktion auf der Oberfläche des Kupfers gebildeten Wasserstoffmoleküle sprudeln schließlich als Wasserstoffgas weg.

Man wird feststellen, dass die globale elektrochemische Reaktion nicht unmittelbar das elektrochemische Paar Cu 2+ /Cu (Ox/Red) umfasst, das der Kupferkathode entspricht. Die Kupfermetallscheibe dient hier also nur als "chemisch inerter" edelmetallischer Leiter für den Elektronentransport im Kreislauf und nimmt chemisch nicht an der Reaktion in der wässrigen Phase teil. Die Kupferelektrode könnte im System durch jeden ausreichend edlen/inerten metallischen Leiter (Ag, Pt, Edelstahl, Graphit, ...) ersetzt werden. Die globale Reaktion kann wie folgt geschrieben werden:

Zn + 2H + → Zn 2+ + H 2

Sinnvoll stilisiert wird dies mit der elektrochemischen Kettennotation:

(Anode: Oxidation) Zn | Zn2 + || 2H + | H 2 | Cu (Kathode: Reduktion)

wobei jeweils ein senkrechter Balken eine Schnittstelle darstellt. Der doppelte vertikale Balken stellt die Grenzflächen dar, die dem Elektrolyten entsprechen, der die poröse Pappscheibe imprägniert.

Wenn kein Strom aus dem Stapel gezogen wird, erzeugt jede Zelle, bestehend aus Zink/Elektrolyt/Kupfer, mit einem Sole-Elektrolyten 0,76 V. Die Spannungen von den Zellen im Stapel addieren sich, sodass die sechs Zellen im obigen Diagramm 4,56 V elektromotorische Kraft erzeugen.

Siehe auch

Verweise

Externe Links