Даниель батареясы: құрылымы, тарихы және қолданылуы
Daniell cell
Даниель батареясы: 1836 ж. ашылған, мыс сульфаты мен күкірт қышқылы негізіндегі электрохимиялық элемент. Вольта бағанасының кемшіліктерін жойды, телеграфта қолданылды.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Электрохимиялық жасушаның түрі
Type of electrochemical cell
Дэниелл жасушасы – 1836 жылы британдық химик және метеоролог Джон Фредерик Дэниелл ойлап тапқан электрохимиялық жасушаның түрі. Ол мыс (II) сульфатының ерітіндісімен толтырылған мыс ыдыстан тұрады, оның ішіне күкірт қышқылы және мырыш электроды салынған, глазурьленбеген қыш ыдыс орналастырылған. Ол вольт бағанасында кездесетін сутегі көпіршігінің мәселесін жою жолын іздеді, ал оның шешімі біріншісі өндірген сутекті тұтыну үшін екінші электролитті пайдалану болды. Мырыш сульфатын күкірт қышқылының орнына қолдануға болады. Дэниелл жасушасы батареяны дамытудың бастапқы кезеңдерінде қолданылған бұрынғы технологияға қарағанда үлкен жетістік болды. 1860 жылдары француз ғалымы Кало Дэниелл жасушасының гравитациялық немесе қарақасқа жасушасы деп аталатын кейінгі нұсқасын ойлап тапты және ол электр телеграфиясы үшін танымал таңдауға айналды. Дэниелл жасушасы – Халықаралық бірліктер жүйесіндегі электр қозғалтқыш күшінің бірлігі болып табылатын вольттың қазіргі заманғы анықтамасының тарихи негізі. 1881 жылғы Халықаралық электршілер конференциясында ұсынылған электрлік бірліктердің анықтамалары Дэниелл жасушасының электр қозғалтқыш күші шамамен 1,0 вольтқа тең болуы үшін жасалған. Қазіргі заманғы анықтамалар бойынша, Дэниелл жасушасының 25°C температурадағы стандарттық потенциалы 1,10 В құрайды.
The Daniell cell is a type of electrochemical cell invented in 1836 by John Frederic Daniell, a British chemist and meteorologist, and consists of a copper pot filled with a copper (II) sulfate solution, in which is immersed an unglazed earthenware container filled with sulfuric acid and a zinc electrode. He was searching for a way to eliminate the hydrogen bubble problem found in the voltaic pile, and his solution was to use a second electrolyte to consume the hydrogen produced by the first. Zinc sulfate may be substituted for the sulfuric acid. The Daniell cell was a great improvement over the existing technology used in the early days of battery development. A later variant of the Daniell cell called the gravity cell or crowfoot cell was invented in the 1860s by a Frenchman named Callaud and became a popular choice for electrical telegraphy. The Daniell cell is also the historical basis for the contemporary definition of the volt, which is the unit of electromotive force in the International System of Units. The definitions of electrical units that were proposed at the 1881 International Conference of Electricians were designed so that the electromotive force of the Daniell cell would be about 1.0 volts. With contemporary definitions, the standard potential of the Daniell cell at 25 °C is actually 1.10 V.
Даниэллдің бастапқы құрылымы
Дэниелл өзінің алғашқы батареясын 1836 жылы құрастырған. Оның бастапқы дизайны 3,5 дюйм диаметрлі мыс цилиндрден тұратын. Цилиндрдің үстіңгі жағына қарай ойылып, көптеген тесіктері бар мыс диск орналастырылды. Бұқаның өңешінде жасалған түтік, перфорацияланған мыс дискінің ортасындағы үлкен тесіктен ілінді. Осы бұқа өңешінің ішіне 0,5 дюйм диаметрлі мырыш таяқша ағаш тіректерге ілінді. Мыс ыдысы перфорацияланған диск деңгейінен жоғары, мыс сульфатымен қаныққан күкірт қышқылы ерітіндісімен толтырылды. Бұқа өңешіне күкірт қышқылы ерітіндісі құйылды. Ерітіндінің қанықтылығын сақтау үшін перфорацияланған мыс дискіге мыс сульфаты кристалдары үйіліп қойылды. Бұқа өңеші иондардың өтуіне мүмкіндік беретін кезеңді мембрана рөлінде әрекет етеді. Дэниеллдің айтуынша, практикалық жағдайларда бұқа өңешінің орнына саз қыштан жасалған түтік қолданылуы мүмкін, бірақ мұндай құрылым аз қуат береді. Дэниелл батареяны жақсарту үшін мысты платинамен, ал мыс сульфатын платина хлоридімен алмастыруды ұсынды, бірақ ол "мұндай құрылым өте жақсы болар еді, бірақ қарапайым қолдану үшін тым қымбат" деп атап өтті. Телеграфияда кеңінен қолданылған батареяның осы кезеңді түрі болды.
Daniell first constructed his cell in 1836. His original design consisted of a 3.5 inch diameter copper cylinder. A copper disc perforated with numerous holes was placed across the cylinder recessed down from the top. A tube of ox gullet hung from a large hole in the centre of the perforated copper disc. A 0.5 inch diameter zinc rod hung inside this ox gullet tube suspended from wooden supports. The copper vessel was filled with sulfuric acid solution saturated with copper sulfate to above the level of the perforated disc. The ox gullet tube was filled with sulfuric acid solution. Copper sulfate crystals were piled on the perforated copper disc to keep the solution saturated. The ox gullet acts as a porous membrane allowing passage of ions. Daniell states that a porous earthenware tube may be used instead of the ox gullet for practical ease but this arrangement will produce less power. Another suggestion made by Daniell to improve the cell was to replace the copper with platinum and copper sulfate with platinum chloride, but he remarks "such an arrangement would be perfect, but too costly for ordinary applications". It is the porous pot form of the cell that came to be widely used in telegraphy.
Көлдірлі ыдыс жасушасы
Күлдір ыдыс жасушасы – мырыш сульфаты ерітіндісі бар күлдір қыш ыдысқа енгізілген орталық мырыш анодынан тұрады. Ал күлдір ыдыс, жасушаның катоды ретінде қызмет ететін мыс құтысындағы мыс сульфаты ерітіндісіне батырылады. Көлдірлі бөгет иондардың өтуіне мүмкіндік береді, бірақ ерітінділердің араласуын болдырмайды. Егер ток алынбаса, мыс иондары мырыш анодына қарай жылжып, ток тудырмай, тотығуға ұшырайды, бұл батареяның қызмет ету мерзімін қысқартады. 1853 жылы Дж. Ф. Фуллер күкірт қышқылын мырыш сульфатымен алмастыру арқылы жаңалық жасады. Бұл жасушаның қызмет ету мерзімін ұзартады. Уақыт өте келе мыс жинақталып, қыш ыдыстың тесіктерін бітеп, батареяның қызмет ету мерзімін қысқартады. Дегенмен, Даниэлл жасушасы Вольта бағанына қарағанда ұзақ және сенімді ток береді, себебі электролит катодқа сутегі емес, өткізгіш мысты жинақтайды. Сонымен қатар, ол қауіпсіз және аз коррозияға ұшырайды. Шамамен 1,1 вольт жұмыс кернеуімен, ол 1860 жылдардың соңында Лекланше жасушасымен алмастырылғанға дейін телеграф желілерінде кеңінен қолданылды. Оның орнына мыс сульфатының қабаты мырыш сульфатының қабатының үстіне орналасады, екі сұйықтық әртүрлі тығыздықтарымен бөлек ұсталады, көбінесе булануды болдырмау үшін үстіне май қабаты қосылады. Бұл жүйенің ішкі кедергісін азайтады, демек батарея күштірек ток береді. Бұл нұсқа гравитациялық жасуша деп аталады, ол шыны ыдысқа орналастырылған, онда мыс катоды төмен жағында, ал мырыш аноды мырыш сульфаты қабатындағы жиектің астына ілінген. Мыс сульфаты кристалдары катодтың айналасына шашылып, ыдыс дистилденген сумен толтырылады. Ток алынғанда, анодтың үстінде мырыш сульфаты ерітіндісінің қабаты пайда болады. Бұл жоғарғы қабат төменгі тығыздығымен және жасушаның полярлығымен мыс сульфатының төменгі қабатынан бөлек ұсталады. Гравитациялық жасушаның кемшілігі – екі ерітіндінің диффузия арқылы араласуын болдырмау үшін ток үнемі алынуы керек, сондықтан ол үзіліспен пайдалануға жарамсыз. Сонымен қатар, тым көп электр тогы алынса, оның тұтастығы бұзылуы мүмкін, бұл қабаттардың араласуына әкеледі. Кейде электродтарының ерекше пішініне байланысты «қарақас жасушасы» деп аталады, бұл құрылым үлкен көп жасушалы батареялар үшін арзан, және ол американдық және британдық телеграф желілері үшін таңдаулы батареяға айналды. Көптеген телеграф желілері генераторлармен қуаттала бастағаннан кейін де, гравитациялық батарея кем дегенде 1950 жылдарға дейін жергілікті тізбекті қуаттандыру үшін жол станцияларында қолданыла берді. Телеграф саласында бұл батарея көбінесе телеграф қызметкерлері өздері жинастыратын, ал тозығы жеткенде оны тұтынылған компоненттерді ауыстыру арқылы жаңартуға болатын. Мырыш сульфаты қабаты түссіз, ал терең көгілдір мыс сульфаты қабатынан айырмашылығы, техникке батареяның қызмет ету мерзімін бір қарағанда анықтауға мүмкіндік береді. Алайда, бұл құрылым батареяны тек стационарлық құрылғыда ғана пайдалануға болады, әйтпесе ерітінділер араласып немесе төгіліп кетуі мүмкін.
The porous pot cell consists of a central zinc anode dipped into a porous earthenware pot containing a zinc sulfate solution. The porous pot is, in turn, immersed in a solution of copper sulfate contained in a copper can, which acts as the cell's cathode. The use of a porous barrier allows ions to pass through but keeps the solutions from mixing. Without this barrier, when no current is drawn the copper ions will drift to the zinc anode and undergo reduction without producing a current, which will shorten the battery's life. The replacement of sulfuric acid with zinc sulfate was the innovation of J. F. Fuller in 1853. It prolongs the life of the cell. Over time, copper buildup will block the pores in the earthenware barrier and cut short the battery's life. Nevertheless, the Daniell cell provides a longer and more reliable current than the Voltaic pile because the electrolyte deposited copper, which is a conductor, rather than hydrogen, which is an insulator, on the cathode. It is also safer and less corrosive. With an operating voltage of roughly 1.1 volts, it saw widespread use in telegraph networks until it was supplanted by the Leclanché cell in the late 1860s. Instead, a layer of zinc sulfate sits on top of a layer of copper sulfate, the two liquids are kept separate by their differing densities, often with a layer of oil added on top to prevent evaporation. This reduces the internal resistance of the system and thus the battery yields a stronger current. This variant, called a gravity cell, consists of a glass jar in which a copper cathode sat on the bottom and a zinc anode is suspended beneath the rim in the zinc sulfate layer. Copper sulfate crystals are scattered around the cathode and the jar then filled with distilled water. As the current is drawn, a layer of zinc sulfate solution forms at the top around the anode. This top layer is kept separate from the bottom copper sulfate layer by its lower density and by the polarity of the cell. A disadvantage of the gravity cell is that a current has to be continually drawn to keep the two solutions from mixing by diffusion, so it is unsuitable for intermittent use. In addition, it was vulnerable to loss of integrity if too much electric current is drawn, which also causes the layers to mix. Sometimes called the crowfoot cell due to the distinctive shape of the electrodes, this arrangement is less costly for large multicell batteries and it quickly became the battery of choice for the American and British telegraph networks. Even after most telegraph lines started being powered by motor generators, the gravity battery continued to be used in way stations to power the local circuit at least into the 1950s. In the telegraph industry, this battery was often assembled on site by the telegraph workers themselves, and when it ran down it could be renewed by replacing the consumed components. The zinc sulfate layer is colorless in contrast to the deep blue copper sulfate layer, which allows a technician to determine the battery life with a glance. On the other hand, this setup means the battery could only be used in a stationary appliance, otherwise the solutions would mix or spill.
Құс ұяшығы
Даниэлл жасушасының бір түрін 1837 жылы Гай ауруханасының дәрігері Голдинг Бёрд ойлап тапты, ол ерітінділерді бөлек ұстау үшін Париж гипсін қолданды. Бёрдтың осы жасушамен жасаған тәжірибелері электрометаллургияның жаңа ғылымы үшін маңызды болды, бірақ Бёрд өзі бұл саламен айналыспады; оның қызығушылығы электротерапияға қатысты еді. Бёрдтың тәжірибелерінен күтпеген нәтиже – мыстың кеуекті гипс бетіне және оның ішіндегі тамырларға, металл электродтармен тікелей жанаспай шөгінуі болды. Бұл осыншалықты таңғаларлық болғандықтан, электрхимия зерттеушілері, тіпті Майкл Фарадей де оған сенбеді. Бёрд өзі нәтижеге көз жеткізгенше, құрылғысында кездейсоқ тіл тию болмады ма, мүмкін мыс "тарсылдарының" өсуінен болар, деп аппаратурасын мұқият тексеруге мәжбүр болды. Мыс және басқа металдардың шөгінуі бұрын да байқалған, бірақ ол әрқашан металл электродқа металл түрінде болған.
A variant of the Daniell cell was invented in 1837 by the Guy's hospital physician Golding Bird who used a plaster of Paris barrier to keep the solutions separate. Bird's experiments with this cell were of some importance to the new discipline of electrometallurgy, but Bird himself did not pursue this field; his interest was in electrotherapy. A surprising result from Bird's experiments was the deposition of copper on the porous plaster and in veins running through it without any contact with the metal electrodes. So surprising, in fact, that it was at first disbelieved by electrochemical investigators, including Michael Faraday. Bird himself had to carefully examine his apparatus for inadvertent contact, perhaps through the growth of copper "whiskers", before he was convinced of the result. Deposition of copper, and other metals, had been previously noted, but always previously it had been metal on metal electrode.
Электротиптеу
1838 жылы Ливерпульдік аспап жасаушы Джон Дансер мыс жалату үшін Даниэлл батареясының ерекше қасиеттерін коммерциялық тұрғыдан пайдаланған алғашқы адам болды. Қазір электротиптеу деп аталатын процесте ол кезеңдік бөгетті қалып ретінде пайдаланып, кез келген нысанды қалаған пішінде жасауға болатынын тапты. Дегенмен, көптеген басқалар да осыған ұқсас жаңалықтар жасаған, ал Томас Спенсермен патент дауы кезінде Бёрдтың осы принципке авторлық құқығы басым екені көрсетілді. Электротиптеуді ойлап табушылық құрметі көбінесе орыс ғалымы Мориц фон Якобиге беріледі.
John Dancer, a Liverpool instrument maker, in 1838 was the first to take commercial advantage of the unique features of the Daniell cell for copper plating. In a process now known as electrotyping he found he could make objects to any desired shape by using the porous barrier as a mould. Many others, however, had made the same discovery and in a patent dispute with Thomas Spencer it was pointed out that Bird had priority for the principle. Credit for invention of electrotyping is usually given to the Russian Moritz von Jacobi.