Stos woltaiczny - Voltaic pile

Aby uzyskać homonim, zobacz Pile .
Schemat ideowy pala miedziano - cynkowego . Krążki miedziane i cynkowe oddzielono przekładkami kartonowymi lub filcowymi nasączonymi słoną wodą (elektrolitem). Oryginalne stosy Volty zawierały dodatkowy dysk cynkowy na dole i dodatkowy dysk miedziany na górze. Później okazało się, że są one niepotrzebne.
Ogniwo Volty na wystawie w Tempio Voltiano (świątyni Volta) w pobliżu domu volta w Como , Włochy
Reprodukcja pierwszego Voltaic Pile

Ogniwo Volty był pierwszym akumulator elektryczny , który może stale dostarczać prąd elektryczny do obiegu. Został wynaleziony przez włoskiego fizyka Alessandro Voltę , który opublikował swoje eksperymenty w 1799 roku. Stos wulkaniczny umożliwił następnie szybką serię innych odkryć, w tym elektryczny rozkład ( elektrolizę ) wody na tlen i wodór przez Williama Nicholsona i Anthony'ego Carlisle'a (1800) oraz odkrycie lub wyizolowanie pierwiastków chemicznych sodu (1807), potasu (1807), wapnia (1808), boru (1808), baru (1808), strontu (1808) i magnezu (1808) przez Humphry'ego Davy'ego .

Cały 19-wieczny przemysł elektryczny był zasilany bateriami związanych z Volta (np Ogniwo Daniella i komórka Grove ) aż do pojawienia się na dynamo (The generatora elektrycznego) w 1870 roku.

Wynalazek Volty powstał w oparciu o odkrycie Luigiego Galvaniego z lat 80. XVIII wieku, w którym obwód dwóch metali i żabiej nogi mogą powodować reakcję żabiej nogi. Volta zademonstrował w 1794 roku, że gdy dwa metale i tkanina lub karton nasączony solanką są ułożone w obwód, wytwarzają prąd elektryczny . W 1800 roku Volta ułożył kilka par naprzemiennie miedzianych (lub srebrnych ) i cynkowych dysków ( elektrod ) oddzielonych tkaniną lub tekturą nasączoną solanką ( elektrolitem ), aby zwiększyć całkowitą siłę elektromotoryczną. Gdy styki górny i dolny zostały połączone przewodem, prąd elektryczny płynął przez stos napięcia i przewód łączący.

Historia

Główny artykuł: Historia baterii § Wynalazek

Aplikacje

Rysunek stosu Volta w różnych konfiguracjach, z listu wysłanego przez Alessandro Volta do Josepha Banksa .

20 marca 1800 roku Alessandro Volta napisał do London Royal Society, aby opisać technikę wytwarzania prądu elektrycznego za pomocą jego urządzenia. Dowiedziawszy się o stosie wulkanicznym, William Nicholson i Anthony Carlisle wykorzystali go do odkrycia elektrolizy wody. Humphry Davy wykazał, że siła elektromotoryczna , która kieruje prąd elektryczny przez obwód zawierający pojedyncze ogniwo woltaiczne, jest spowodowana reakcją chemiczną, a nie różnicą napięć między dwoma metalami. Używał również stosu woltaicznego do rozkładania chemikaliów i do produkcji nowych chemikaliów. William Hyde Wollaston wykazał, że elektryczność z pali ma identyczne skutki jak elektryczność wytwarzana przez tarcie . W 1802 r. Wasilij Pietrow użył pali elektrycznych do odkrycia i badania efektów łuku elektrycznego .

Humphry Davy i Andrew Crosse byli jednymi z pierwszych, którzy stworzyli duże stosy woltaiczne. Davy użył stosu z 2000 par, wykonanego dla Royal Institution w 1808 roku, aby zademonstrować wyładowanie łuku węglowego i wyizolować pięć nowych pierwiastków: bar, wapń, bor, stront i magnez.

Elektrochemia

Ponieważ Volta wierzył, że siła elektromotoryczna występuje na styku dwóch metali, stosy Volty miały inny wygląd niż współczesny projekt przedstawiony na tej stronie. Jego stosy miały jeden dodatkowy krążek miedzi na górze, stykający się z cynkiem i jeden dodatkowy krążek cynku na dole, stykający się z miedzią. Rozwijając pracę Volty i elektromagnetyzmu swojego mentora Humphry'ego Davy'ego , Michael Faraday wykorzystał zarówno magnesy, jak i stos Volta w swoich eksperymentach z elektrycznością. Faraday uważał, że wszystkie „elektryczności” badane w tym czasie (woltaiczne, magnetyczne, termiczne i zwierzęce) są jednym i tym samym. Jego praca nad udowodnieniem tej teorii doprowadziła go do zaproponowania dwóch praw elektrochemii, które stały w bezpośredniej sprzeczności z obecnymi przekonaniami naukowymi, przedstawionymi trzydzieści lat wcześniej przez Voltę. Ze względu na swój wkład w zrozumienie tej dziedziny nauki, Faraday i Volta są uważani za ojców elektrochemii . Słowa „elektroda” i „elektrolit”, użyte powyżej do opisania pracy Volty, pochodzą od Faradaya.

Suchy stos

Szereg suchych stosów wysokiego napięcia zostało wynalezionych między początkiem XIX wieku a latami 30. XIX wieku w celu określenia źródła elektryczności mokrego stosu, a konkretnie w celu wsparcia hipotezy Volty o napięciu kontaktowym. Rzeczywiście, sam Volta eksperymentował ze stosem, którego tekturowe krążki wyschły, najprawdopodobniej przypadkowo.

Pierwszym, który opublikował, był Johann Wilhelm Ritter w 1802, choć w mało znanym czasopiśmie, ale w ciągu następnej dekady był wielokrotnie ogłaszany jako nowe odkrycie. Jedną z form suchego stosu jest stos Zamboni . Francis Ronalds w 1814 roku był jednym z pierwszych, który zdał sobie sprawę, że suche stosy również działały w wyniku reakcji chemicznej, a nie kontaktu metalu z metalem, mimo że korozja nie była widoczna z powodu bardzo małych generowanych prądów.

Suchy stos można nazwać przodkiem nowoczesnej suszarni .

Siła elektromotoryczna

Wytrzymałość pala jest wyrażona w postaci siły elektromotorycznej lub emf, podanej w woltach. Teoria napięcia kontaktowego Alessandro Volty zakładała, że ​​siła elektromotoryczna, która kieruje prąd elektryczny przez obwód zawierający ogniwo woltaiczne, występuje na styku dwóch metali. Volta nie uważał elektrolitu, którym w jego eksperymentach była zazwyczaj solanka , za znaczący. Jednak chemicy szybko zdali sobie sprawę, że woda w elektrolicie bierze udział w reakcjach chemicznych stosu i doprowadziła do wydzielenia gazowego wodoru z elektrody miedzianej lub srebrnej.

Nowoczesne, atomowe rozumienie ogniwa z elektrodami cynkowymi i miedzianymi oddzielonymi elektrolitem jest następujące. Gdy ogniwo dostarcza prąd elektryczny przez obwód zewnętrzny, metaliczny cynk na powierzchni anody cynkowej utlenia się i rozpuszcza w elektrolicie jako naładowane elektrycznie jony (Zn 2+ ), pozostawiając 2 ujemnie naładowane elektrony (
mi−
) z tyłu w metalu:

anoda (utlenianie): Zn → Zn 2+ + 2
mi−

Ta reakcja nazywana jest utlenianiem . Podczas gdy cynk wchodzi do elektrolitu, dwa dodatnio naładowane jony wodoru (H + ) z elektrolitu przyjmują dwa elektrony na powierzchni katody miedzianej, ulegają redukcji i tworzą nienaładowaną cząsteczkę wodoru (H 2 ):

katoda (redukcja): 2 H + + 2
mi−
 → H 2

Ta reakcja nazywana jest redukcją . Elektrony używane z miedzi do tworzenia cząsteczek wodoru są tworzone przez zewnętrzny przewód lub obwód, który łączy go z cynkiem. Cząsteczki wodoru powstałe na powierzchni miedzi w wyniku reakcji redukcji ostatecznie ulatniają się w postaci gazowego wodoru.

Można zauważyć, że globalna reakcja elektrochemiczna nie obejmuje bezpośrednio pary elektrochemicznej Cu 2+ /Cu (Ox/Red) odpowiadającej katodzie miedzianej. Miedziany krążek metaliczny służy zatem tylko jako „chemicznie obojętny” przewodnik z metalu szlachetnego do transportu elektronów w obwodzie i nie uczestniczy chemicznie w reakcji w fazie wodnej. Elektrodę miedzianą można zastąpić w systemie dowolnym wystarczająco szlachetnym/obojętnym przewodnikiem metalicznym (Ag, Pt, stal nierdzewna, grafit, ...). Globalną reakcję można zapisać w następujący sposób:

Zn + 2H + → Zn 2+ + H 2

Jest to użytecznie stylizowane za pomocą elektrochemicznej notacji łańcucha:

(anoda: utlenianie) Zn | Zn 2+ || 2H + | H 2 | Cu (katoda: redukcja)

w którym pionowa kreska za każdym razem reprezentuje interfejs. Podwójny pionowy pasek reprezentuje interfejsy odpowiadające elektrolitowi impregnującemu porowaty tekturowy dysk.

Gdy z pala nie jest pobierany prąd, każde ogniwo składające się z cynku/elektrolitu/miedzi wytwarza 0,76 V z elektrolitem solanki. Napięcia z ogniw w stosie sumują się, więc sześć ogniw na powyższym schemacie generuje siłę elektromotoryczną 4,56 V.

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki