Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Тип электрохимической ячейки
Type of electrochemical cell
Ячейка Даниэля — это тип электрохимической ячейки, изобретённый в 1836 году британским химиком и метеорологом Джоном Фредериком Даниэлем. Она состоит из медного сосуда, заполненного раствором сульфата меди (II), в который погружён неглазурованный глиняный сосуд, заполненный серной кислотой и цинковым электродом. Он искал способ устранить проблему образования пузырьков водорода, наблюдаемую в вольтовой батарее, и его решение заключалось в использовании второго электролита для поглощения водорода, выделяющегося первым. Сульфат цинка может быть использован вместо серной кислоты. Ячейка Даниэля стала значительным улучшением по сравнению с технологиями, применявшимися на ранних этапах разработки батарей. Более поздняя модификация ячейки Даниэля, известная как гравитационная ячейка или ячейка с «вороньей лапкой», была изобретена в 1860-х годах французом по имени Калло и стала популярным выбором для электрической телеграфии. Ячейка Даниэля также является исторической основой для современного определения вольта — единицы электродвижущей силы в Международной системе единиц. Определения электрических единиц, предложенные на Международной конференции электриков в 1881 году, были разработаны таким образом, чтобы электродвижущая сила ячейки Даниэля составляла приблизительно 1,0 вольт. Согласно современным определениям, стандартный потенциал ячейки Даниэля при 25 °C составляет 1,10 В.
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.
Оригинальная конструкция Дэниела
Даниэль впервые сконструировал свою гальваническую ячейку в 1836 году. Его первоначальная конструкция состояла из медного цилиндра диаметром 3,5 дюйма. Медный диск, перфорированный многочисленными отверстиями, был помещен поперек цилиндра, углубленный от верхнего края. Трубка из говяжьего сычуга свисала из большого отверстия в центре перфорированного медного диска. Цинковый стержень диаметром 0,5 дюйма висел внутри этой трубки из сычуга, подвешенный на деревянных опорах. Медный сосуд был заполнен раствором серной кислоты, насыщенным сульфатом меди, выше уровня перфорированного диска. Трубка из сычуга была заполнена раствором серной кислоты. Кристаллы сульфата меди насыпали на перфорированный медный диск для поддержания насыщенности раствора. Сычуг действует как пористая мембрана, пропускающая ионы. Даниэль отмечает, что для практического удобства вместо сычуга можно использовать пористую керамическую трубку, но такая конструкция будет давать меньше мощности. Еще одним предложением Даниэля по улучшению ячейки было заменить медь платиной, а сульфат меди – хлоридом платины, однако он замечает: «Такая схема была бы идеальной, но слишком дорогой для обычного применения». Именно пористая форма ячейки получила широкое распространение в телеграфии.
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.
Пористые сосудистые клетки
Пористый горшок состоит из центрального цинкового анода, погруженного в пористый глиняный горшок, содержащий раствор сульфата цинка. В свою очередь, пористый горшок погружен в раствор сульфата меди, содержащийся в медной банке, которая служит катодом элемента. Использование пористого барьера позволяет ионам проходить сквозь него, но предотвращает смешивание растворов. Без этого барьера, при отсутствии потребления тока, ионы меди будут перемещаться к цинковому аноду и восстанавливаться, не создавая электрического тока, что сократит срок службы батареи. Замена серной кислоты на сульфат цинка была новаторским решением Дж. Ф. Фуллера в 1853 году. Это увеличивает срок службы элемента. Со временем накопление меди будет забивать поры в глиняном барьере и сокращать срок службы батареи. Тем не менее, элемент Даниэля обеспечивает более длительный и стабильный ток, чем вольтова батарея, поскольку на катод осаждается медь – проводник, а не водород – изолятор. Он также безопаснее и менее коррозионен. Имея рабочее напряжение около 1,1 вольта, он широко использовался в телеграфных сетях до того, как в конце 1860-х годов его вытеснил элемент Лекланше. Вместо этого слой сульфата цинка располагается поверх слоя сульфата меди, а разделение этих двух жидкостей обеспечивается их различной плотностью, часто с добавлением слоя масла сверху для предотвращения испарения. Это снижает внутреннее сопротивление системы, что позволяет батарее выдавать более сильный ток. Этот вариант, называемый гравитационным элементом, состоит из стеклянной банки, в которой медный катод находится на дне, а цинковый анод подвешен под ободком в слое сульфата цинка. Кристаллы сульфата меди рассеиваются вокруг катода, после чего банку заполняют дистиллированной водой. При потреблении тока над анодом образуется слой раствора сульфата цинка. Этот верхний слой отделен от нижнего слоя сульфата меди его меньшей плотностью и полярностью элемента. Недостатком гравитационного элемента является то, что для предотвращения смешивания растворов диффузией необходимо постоянно поддерживать ток, поэтому он не подходит для прерывистого использования. Кроме того, он был уязвим к потере целостности при чрезмерном потреблении электрического тока, что также приводило к смешиванию слоев. Иногда его называют элементом "вороньей лапой" из-за характерной формы электродов. Эта конструкция обходится дешевле для больших многоэлементных батарей и быстро стала предпочтительным источником питания для американских и британских телеграфных сетей. Даже после того, как большинство телеграфных линий начали питаться от генераторов, гравитационные батареи продолжали использоваться на промежуточных станциях для питания местной цепи как минимум до 1950-х годов. В телеграфной отрасли эта батарея часто собиралась на месте самими телеграфистами, и при разрядке ее можно было восстановить, заменив израсходованные компоненты. Слой сульфата цинка бесцветен, в отличие от насыщенного синего слоя сульфата меди, что позволяет технику оценить срок службы батареи одним взглядом. С другой стороны, такая конструкция означает, что батарея может использоваться только в стационарном устройстве, иначе растворы могут смешаться или пролиться.
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.
Птичий ячейка
Вариант ячейки Даниэля был изобретен в 1837 году врачом больницы Гая Голдингом Бердом, который использовал барьер из гипса, чтобы разделять растворы. Эксперименты Берда с этой ячейкой имели определенное значение для новой дисциплины электрометаллургии, однако сам Берд не продолжил исследования в этой области; его интересовала электротерапия. Удивительным результатом экспериментов Берда стало осаждение меди на пористом гипсе и в прожилках внутри него, без какого-либо контакта с металлическими электродами. Это было настолько неожиданно, что поначалу исследователи-электрохимики, включая Майкла Фарадея, не поверили этому. Берду самому пришлось тщательно проверить свое устройство на предмет случайного контакта, возможно, из-за роста медных "усов", прежде чем он убедился в правильности результата. Осаждение меди и других металлов отмечалось и ранее, но всегда происходило на металлическом электроде.
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.
Электротипирование
Джон Дэнсер, ливерпульский производитель инструментов, в 1838 году первым начал коммерчески использовать уникальные свойства гальванического элемента Даниэля для медного покрытия. В процессе, который сейчас известен как электротипирование, он обнаружил, что может создавать объекты любой желаемой формы, используя пористый барьер в качестве матрицы. Однако многие другие сделали то же самое открытие, и в патентном споре с Томасом Спенсером было отмечено, что приоритет в отношении этого принципа принадлежит Берду. Обычно изобретателем электротипирования считается русский ученый Мориц фон Якоби.
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.