Ντάνιελ Σελ

Ένα στοιχείο Daniell είναι ένας τύπος ηλεκτροχημικού στοιχείου που αποτελείται από ένα χάλκινο δοχείο που είναι γεμάτο με διάλυμα θειικού χαλκού(II). Σε αυτό το διάλυμα που περιέχει θειικό οξύ και ένα ηλεκτρόδιο ψευδαργύρου βυθίζεται ένα πήλινο σκεύος χωρίς υάλωμα. Το κύτταρο Daniell εφευρέθηκε από έναν Βρετανό χημικό και μετεωρολόγο, τον John Frederic Daniell το 1836.  Το κύτταρο Danielll εφευρέθηκε, ενώ ο χημικός αναζητούσε έναν τρόπο να εξαλείψει το πρόβλημα της φυσαλίδας υδρογόνου που βρέθηκε στον βολταϊκό σωρό. Το κύτταρο Daniell θεωρήθηκε ως καλή πρόοδος στην ανάπτυξη μπαταριών, αν λάβουμε υπόψη την τεχνολογία εκείνης της εποχής.

Ορισμός του κελιού Daniell

Το στοιχείο Daniell μπορεί να οριστεί ως ένα πρωτογενές βολταϊκό στοιχείο που έχει θειικό οξύ που διαχωρίζεται από ένα πορώδες φράγμα από ένα ηλεκτρόδιο χαλκού σε θειικό διάλυμα.

Το στοιχείο Daniell είναι μια βελτιωμένη έκδοση του βολταϊκού στοιχείου. Το ζήτημα της πόλωσης που αντιμετωπίζεται σε ένα βολταϊκό στοιχείο αντιμετωπίζεται σε ένα στοιχείο Daniell.

Κατασκευή του κελιού Daniell

Το κελί Daniell είναι βασικά ένα δοχείο από χαλκό που περιέχει ένα συμπυκνωμένο διάλυμα θειικού χαλκού. Υπάρχει ένα ακόμη δοχείο μέσα σε αυτό το χάλκινο δοχείο. Αυτό το δοχείο είναι πορώδες και περιέχει αραιό θειικό οξύ. Μια ράβδος αμαλγάματος ψευδαργύρου βυθίζεται σε αυτό το θειικό οξύ μέσα στο πορώδες δοχείο.

Working of Daniell cell

Υπάρχουν ιόντα Η+ και ιόντα SO4- στο αραιό θειικό οξύ. Όταν τα δύο μεταλλικά ηλεκτρόδια συνδέονται με τη βοήθεια ενός εξωτερικού κυκλώματος, το ηλεκτρόδιο χαλκού έλκει τα ηλεκτρόνια που απομένουν στον ψευδάργυρο καθώς το μέταλλο οξειδώνεται σε θειικό ψευδάργυρο. Η διαδικασία οξείδωσης του ψευδαργύρου προκαλεί τη διάβρωσή του και υποδεικνύεται από το σκουρόχρωμο του ψευδάργυρου.

Τα ηλεκτρόνια του ψευδαργύρου που λαμβάνει ο χαλκός μέσω του κυκλώματος συνδυάζονται με τα θετικά φορτισμένα ιόντα χαλκού από το διάλυμα θειικού χαλκού και σχηματίζουν εναποθέσεις στερεού χαλκού στο ηλεκτρόδιο χαλκού.

Τα θειικά άλατα παίζουν καθοριστικό ρόλο στη διατήρηση του κυκλώματος. Για κάθε ζεύγος ηλεκτρονίων ψευδαργύρου που πηγαίνει στο ηλεκτρόδιο χαλκού, ένα θειικό ιόν διέρχεται από το διάλυμα για αντιστάθμιση από την πλευρά του χαλκού μέσω του πορώδους πήλινου σκεύους που είναι βυθισμένο στο αραιό θειικό οξύ. Αυτό επιτρέπει τη ροή ηλεκτρονίων μέσω του κυκλώματος. Τα μέταλλα ψευδαργύρου διασπώνται σε θετικά ιόντα που συνδυάζονται με τα θειικά ιόντα για να απελευθερώσουν περισσότερα ηλεκτρόνια.

Χημικές αντιδράσεις

Στην άνοδο, ο ψευδάργυρος οξειδώνεται σύμφωνα με αυτήν την αντίδραση:

Zn(s)→ Zn+2 + 2e-

Στην κάθοδο, ο χαλκός ανάγεται σύμφωνα με αυτήν την αντίδραση:

Cu+2 + 2e- → Cu(s)

Πρέπει να παρατηρήσουμε ότι τα θετικά φορτισμένα ιόντα χαλκού κινούνται πάντα προς την άνοδο που είναι θετικά φορτισμένη. Αυτό οφείλεται στη μείωση της χημικής ενέργειας.

Η όλη αντίδραση μπορεί να γραφτεί ως:

Zn(s) + Cu+2 → Zn+2(aq) + Cu(s)

Αυτές οι διεργασίες οδηγούν στη διάβρωση του ηλεκτροδίου ψευδαργύρου στο διάλυμα ως ιόντα ψευδαργύρου και στη συσσώρευση στερεού χαλκού στο θετικό ηλεκτρόδιο.

Το κύτταρο Daniell παράγει περίπου 213 kJ ανά mole ψευδαργύρου. Αυτό οφείλεται στην ασθενέστερη σύνδεση στον ψευδάργυρο σε σύγκριση με το μέταλλο χαλκού.

Συνήθως, για επίδειξη στις τάξεις, χρησιμοποιείται μια μορφή κελιού Daniell που ονομάζεται επίσης τα δύο μισά κελιά για να απλοποιήσει την εξήγηση.

Εφαρμογές του κελιού Daniell

Τα κύτταρα Daniell χρησιμοποιούνται κυρίως σε ηλεκτρομεταλλουργικές διεργασίες.

Το κελί του πουλιού

Μια παραλλαγή κυττάρων Daniell εφευρέθηκε το 1837 από έναν γιατρό με το όνομα Golding Bird. Για να αναπληρώσει το πορώδες φράγμα, χρησιμοποίησε γύψο του Παρισιού για να διαχωρίσει τα δύο διαλύματα. Αυτό το πείραμα ήταν ζωτικής σημασίας για την πρόοδο της ηλεκτρομεταλλουργίας καθώς αυτός ο κλάδος ήταν αρκετά νέος εκείνη την εποχή. Παρατηρήθηκε στο πείραμα του Bird ότι στερεός χαλκός εναποτέθηκε στον σοβά του Παρισιού χωρίς να έρθει σε επαφή με το ίδιο το μέταλλο. Αυτό ήταν αρκετά σοκαριστικό καθώς συνήθως πίστευαν εκείνες τις εποχές ότι το μέταλλο εναποτίθεται μόνο σε μεταλλικές επιφάνειες.

Ηλεκτροτυποποίηση

Για πρώτη φορά, τα χαρακτηριστικά του κυττάρου Daniell χρησιμοποιήθηκαν εμπορικά για επιμετάλλωση χαλκού από έναν οργανοποιό από το Λίβερπουλ, γνωστό ως John Dancer. Σε μια διαδικασία που ονομάζεται ηλεκτροτυποποίηση, κάποιος μπορούσε να διαμορφώσει αντικείμενα σε οποιοδήποτε επιθυμητό σχήμα χρησιμοποιώντας το πορώδες φράγμα και ο John Dancer έκανε καλή χρήση αυτών των χαρακτηριστικών. Ωστόσο, πολλοί άλλοι είχαν κάνει την ίδια ανακάλυψη εκείνη την εποχή, επομένως, ο John Dancer δεν μπορούσε να αποδώσει τα εύσημα για την εφεύρεση της ηλεκτροτυποποίησης, αντί να ανήκει σε έναν Ρώσο ονόματι Moritz von Jacobi.

Συμπέρασμα

Η κυψέλη Daniell είναι ένας τύπος ηλεκτροχημικής κυψέλης που αποτελείται από ένα χάλκινο δοχείο γεμάτο με διάλυμα θειικού χαλκού. Αυτό το διάλυμα θειικού χαλκού έχει ένα πορώδες πήλινο σκεύος γεμάτο με αραιό θειικό οξύ και ένα ηλεκτρόδιο ψευδαργύρου. Το κύτταρο Daniell εφευρέθηκε το έτος 1836 από έναν Βρετανό χημικό, τον John Frederic Daniell. Μπορεί κανείς να βρει τις χρήσεις του στην ηλεκτρομεταλλουργία και την ηλεκτροτυποποίηση.