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Daniel Zelle

EXPERIMENT 2.4 Daniell Batterie und Salzbrücke
experimenteller Teil
Materialien und Verfahren für das Experiment :
 Cu und Zn Metalle Streifen ;
 CuSO4 und ZnSO4 als 1M Lösungen ;
 Agar Agar
Wenige anderes Salz Brücken werden nach folgender Rezeptur hergestellt :
 3 g Agar - Agar in 250 ml VE-Wasser gekocht.
Das gesamte Volumen wird in vier Teile geteilt und zu jedem Quartal wird angefügt:
1) 0,1 M NaOH und höheren Konzentrationen - ca. . 5 M
2) etwa 0,1 g CaCl2 und CaCl2 etwa 2 g
Auf diese Weise vier Salzbrücken sind. Vier Röhren aus PVC ( oder ein anderes Material ) in eine U-Form gebogen und mit bis dargestellten Lösung . An den Enden des Rohrs einige Glas oder Watte ist angebracht, um einen guten Kontakt zwischen Brücke und Lösung. Die Röhren sind Endivie abkühlen und nach der Gel- Erscheinung , ist die Brücke fertig.
Die 4. Brücke ist eine Wiederholung der 3. Brücke , sondern aus Glaswolle an den Enden des Rohres , 2 Stück aus Graphit aus einem alten Zink-Kohle- Batterie wieder eingezogen werden .
Das Experiment ist so konzipiert , um die Bewegung der Ionen von der Brücke , um Lösung zu prüfen.
Zuerst wird die verdünnte CaCl2 Brücke verwendet . Das Potenzial registriert ist etwa 1,1 V. In Lösung gibt es keine Bestätigung eines Niederschlags Erscheinung nach 2 Stunde Arbeit mit Multimeter angeschlossenen Elektroden und in Kurzschluss
Eine weitere Zelle wird mit konzentrierter CaCl2-Lösung in Agar-Agar abgesondert gebildet . Das Potenzial registriert ist etwa 1,1 V. In Lösung gibt es keine Bestätigung eines Niederschlags Erscheinung nach 2 Stunden Zelle arbeiten .
Die dritte Zelle mit einer NaOH in Agar-Agar als Salzbrücke sequestriert ist. Vor der Brücke Einsetzen und nach 2 Stunden Zelle arbeitet der pH-Wert mit pH-Papier oder mit einem pH-Meter gemessen. Vor dem Einführen der Brücke pH von ZnSO4 betrug ca. 5 und der pH-Wert betrug etwa 9 CuSO4 . Nach zwei Stunden wurden die gleichen Werte registriert .
Die 4. Zelle mit einer Brücke mit einer "gemischten" Leitung gebildet . Das Graphit ist ein elektronischer Leiter und das Gel ein Ionenleiter ( nach dem tatsächlichen Klassifikation) . Der Kontakt zwischen Steg und CuSO4 und ZnSO 4 -Lösungen nur durch Graphit Teil der Brücke gemacht . Das Potenzial registriert ist etwa 0,8 V.
A " formale Daniel Zelle " wird unter Verwendung eines Zn -Elektrode in einem ZnSO4 1M Lösung und andererseits eine Cu-Elektrode in einem CuSO4 -Lösung eingetaucht eingetaucht . Die Lösungen werden mit einem der oben vorgestellten Salzbrücke . CaCl2 wurde anstelle von KCl aufgrund der Einfachheit der Ca -Ionen und Cl -Erkennung in eine analytische Weise bevorzugt.
Vor Zellneubildung die Masse von Cu und Zn -Elektroden wurde mit einer analytischen Waage gemessen. Sobald die Zelle gebildet , die Potentialdifferenz gemessen wird und dies ist 1.070 V. Ferner, um zur Beschleunigung der Prozesse von Elektroden werden die Zn -und Cu- Elektroden durch einen metallischen Draht (Kurzschluss) , wie in Abb. verbunden. 2.6.
Nach 1 Tag Daniel Zelle arbeitet, wird der Metalldraht getrennt und die Potentialdifferenz wird erneut gemessen . Der Wert für den " Daniel -Zelle " gefunden ist der gleiche 1,07 V, wie vor Kurzschluss.

Daniel Handy

Abbildung 2.6 Daniel Zelle mit Salzbrücke

Die Elektroden sind wieder im Kurzschluß verbunden und nach 3 Tagen , wiederholt das Verfahren der Messung der Potentialdifferenz . Seltsamerweise wurde der gleiche Wert 1,07 V gezählt. Wiederum sind die Elektroden im Kurzschluß verbunden ist und nach einer Woche das Verfahren der Potentialdifferenz Messung wiederholt Messung den gleichen Wert für die Zellen-Potenzial .
Es gibt keine Zunahme der Cu -Elektrode der Masse, sondern es ist eine langsame und gleichmäßige Abnahme des Zn Masse .
Experimentelle Interpretation
Der Zweck des Experiments ist es, die spezifischen Mechanismus der Salzbrücke Arbeiten zu analysieren.
Wenn ein Ion Zirkulation ist notwendig für die Zelle funktioniert, sollte die Calcium-und Chlorid-Ionen eine gerichtete und klare Bewegung hin zu einem bestimmten Fach . Calcium Arten müssen in Richtung Kupfer Fach -und Chlorid- Spezies bewegen muss zum Zink Fach zu bewegen.
Aus der gemeinsamen Chemie ist bekannt, daß Calcium reagiert mit Sulfat und ein weißer Niederschlag erscheinen muss .
Im ersten Fall mit verdünnter Konzentration von CaCl2 im Brückenbau eingesetzt ist es schwierig, ein Produkt Löslichkeit von CaSO4 zu gelangen und in dieser Zeit die Salzbrücke sollte erschöpft.
Bei konzentrierten CaCl2 Brücke sollte in der CuSO4 Bäcker scheinen einen Niederschlag von CaSO4 . Die Menge an Cl und Ca gewonnen durch jede Lösung kann analytisch bestimmt werden. Nach Stunden der Zelle arbeitet eine kleine Menge von Cl sollten Beweise mit AgNO3 als Reagenz gestellt werden.
Trotz dieser Überlegungen ist CaSO4 Niederschlag nicht spontan erscheinen in der Kupfer- Fach . In der gleichen Zeit, hat Silbernitrat nicht ausfallen Chlorid in Zink Fach . Es ist eine kleine und unbedeutende Transport von CaCl2 von der Brücke in Lösung aufgrund der Fick Diffusion und nicht aufgrund einer elektrochemischen Transport.
Im Falle der Salzbrücke bezogen auf NaOH , sollte der pH-Wert der Lösung werden in einem Zn Fach einfach, und Zn (OH) 2 sollte zu fällen , das ist nicht der Fall in der Realität.
Der Zweck dieses Materials ist es zu zeigen , dass ein Daniel -Zelle mit einer Salzbrücke ein komplettes anderen Mechanismus für die Arbeit im Vergleich zu ursprünglichen Daniel Zelle verwenden . In der modernen Darstellung der Daniell-Zelle (gefunden in jedem Buch der Physik und Chemie ) , gibt es keine erwartete Reaktion zwischen den Komponenten.
Wir analysieren , was nicht in der tatsächlichen Erklärung von Daniel Zelle Modellierung passen. In Abb. 2.7 ist ein einfaches Daniel Zelle ähnlich mit einem anderen Bild von einem niedrigen Niveau der Schule vorgestellt. Die Salzbrücke wird durch 4 KCl Arten vertreten , für eine einfache Beschreibung von Phänomenen .
Um richtig zu arbeiten, benötigen Daniell-Zelle eine Entschädigung von Ionen aus der Salzbrücke gemäß Abb . 2.8. Chlorid-Ionen kompensieren die Zn-Kationen und Kalium-Ionen kompensieren Sulfatanionen in der gegenüberliegenden Abteil . Nach einiger Zeit existieren sollte eine Abreicherung von KCl in der Brücke ( in der Abbildung 2 restlichen Molekül anstelle von 4 ) .
Wenn dieses Prinzip der Zelle arbeiten korrekt ist , so dass ein Salz mit einer kleinen Menge von Salz, Erschöpfung und einem anstrengendem der Salzbrücke gezählt werden sollten . Es kann ein Experiment, bei dem die Salzbrücke seziert vorstellen und die Erschöpfung der Salzkonzentration analysiert. Aber wie weiter gibt es andere und einfachere Möglichkeiten , den Mechanismus der Zelle Arbeiten Check beschrieben . Wenn die Menge des Salzes (CaCl2 in unserem Fall) in der Brücke verändert wird, muss der Strom von der Salzkonzentration abhängt. Dies bedeutet, bei niedrigen Salzmenge wird es einen geringen Strom bedeuten , und eine hohe Menge wird eine höhere Strom bedeuten . Die experimentellen gemessenen Ströme zeigen eine unbedeutende Abhängigkeit von der Konzentration des Salzes in Salzbrücke .

Daniel Cell1

Abbildung 2.7 Daniel Zelle mit Salzbrücke

Daniel Cell2

Abbildung 2.8 Daniel Zellmechanismen

Lassen Sie uns die Zeit schätzen, die Lebensqualität für eine Salzbrücke Daniel Zelle in Kurzschluss -Modus und andere seltsame Folgen. Es wurde als Salz in der Brücke eine NaOH-Lösung in einer Agar- Agar-Gel gefangen , wie unten beschriebenen Experimenten verwendet .
Der Widerstand der Salzbrücke etwa 16 kOhm und der Widerstand der Lösung etwa 4 kOhm . Lassen Sie übertreiben und der Ansicht, dass Innenwiderstand der Batterie ist 50 kOhm . In diesem Zustand unter Berücksichtigung der externen Schaltung der Widerstand Null der Kurzschlussstrom ist :
I = U / (R + r) = 1,01 / 50000 = 21 microA
Ein wenig tiefer in tatsächliche Physik :

I = Q / t = ne / t
n = Anzahl der Ladungen in unserem Fall Elektronen , e die Ladung des Elektrons , t - Zeit der Arbeit im Kurzschluss
Die tatsächliche Daniel Batterie in Kurzschluss arbeiten bereits ab 8 Tage , die 691200 s bedeutet . Die Anzahl der Elektronen , die bereits durch Außenleiter abgelaufen ist :
n = Es / e = 0,9 × 10 exp (20)
Diese Anzahl von Elektronen von der Zn Lösungsreaktion kommen :
Zn = Zn2 + + 2e -
was bedeutet, eine Reihe von 0,4536 × 10exp (20) Atome Zn in Lösung freigesetzt.
Für diese Anzahl von Zn-Kationen eine doppelte Anzahl von Hydroxyl- Ionen müssen aus Salzbrücke kommen .
Masse des Zn bestanden in Lösung ist :
0,4536 × 10exp (20) × 65,37 / ( 6.023 × 1.023 ) = 4,92 mg
Rechnen wir die Größe der Menge Hydroxylgruppen , die in der Zelle. Für die Salzbrücke 5 ml 0,1 M NaOH wurden 75 ml Agar-Agar -Lösung verdünnt . Danach wurde das Rohr mit 20 ml dieser Lösung gefüllt .
Die Menge an NaOH in 5 ml Lösung ist : 20 × 10exp (-3) g
In dem Rohr ist eine Menge ist 5 x 10-3 g
Aus dieser Masse die Masse von Hydroxylionen ist :
5 × 17/40 = 2.125 mg
Die Stöchiometrie der Reaktion :
Zn2 + + 2 HO - = Zn ( OH) 2
65,37 mg 2 × 17 mg
4.92 .............. y
y = 2,55 mg
Um also neutralisieren 4,92 mg Zn2 + gibt es notwendig 2,55 mg OH - . Aber die Gesamtmenge der Hydroxyl im gesamten Brücke ist nur 2,125 mg .
In Anbetracht, dass all diese Menge in Zn Fach fließt , wird es immer noch einen Überschuss an Zn-Kationen in Lösung bereits in Bewegung und auf der Suche nach Anionen in der Lage, die Neutralität der Lösung aufrechtzuerhalten. Natürlich kann in der Cu Abteil ist über Anionen Bewegen in Lösung und die Suche für Kationen in der Lage, die Neutralität aufrechtzuerhalten.
Die Zelle arbeitet immer noch mit voller Potential nach 8 Tagen, und das bedeutet, es ist ein Transfer von Kationen und Anionen von einer Kammer zur anderen durch Salzbrücke .
In der gleichen Zeit , wenn alle Hydroxylgruppen von der Brücke in Lösung gegangen ist, die Zn Fach sollte einen alkalischen pH-Wert. Dies ist nicht durch direkte Messungen bestätigt - sowohl Fach sind bei etwa pH 5, in sauren Bereich und nicht alkalisch.
Wie ist gebildet Zn (OH) 2 möglich, eine Woche sauren pH haben ?
Weitere Analysen müssen betrachten die Bildung von Zn (OH) 2 ausfällt. Das Produkt der Löslichkeit von Zn (OH) 2 ist KSP = 3 × 10exp (-17 ), so ist es sehr einfach, visuell beobachtet werden eine zunehmende Konzentration von Hydroxyl . Es Wirklichkeit die Zn ( OH) 2-Präzipitat nicht einmal in anderen Wiederholungen des Experiments die Konzentration von NaOH bis 4M erhöht wurde angezeigt.
In einigen widersprüchlichen Diskussionen mit anderen Physikern wurde argumentiert, dass nur Sulfat durch die Zelle wandern, um eine chemische Reaktion bei Zn Elektrode haben . Der Fall ist auf der Website analysiert und ist zu phantastisch, um hier geladen werden.
Das Problem mit dem Daniel Zelle mit einer Salzbrücke in seiner Konstitution hinsichtlich der Abwesenheit der erwarteten chemischen Reaktion. In diesem letzteren Fall eine sekundäre Reaktion zwischen Zn und Wasser in einer Kammer erzeugt, den gemessenen Strom. Daher besteht ein gewaltiger Unterschied zwischen Salz -Brücke Daniel Zelle und original Daniell-Zelle , in 1836 von John Frederic Daniell erfunden hinsichtlich der Ausgangsleistung.
Die Reaktion zwischen Zn und Wasser langsam und folglich bei Salzbrücke die Ausgangsleistung kleiner ist. Von einfachen Grundschule Handbücher der hohen wissenschaftlichen Abhandlung wird der Daniel -Zelle mit einer Salzbrücke vorgestellt .... aber diese Zelle hat nie funktioniert und wird nie funktionieren .

EXPERIMENT 2.4 Daniell cell and salt bridge
Experimental part
Materials and procedure for the experiment:
 Cu and Zn metals strips;
 CuSO4 and ZnSO4 as 1M solutions;
 Agar Agar
Few different salt bridges are made after the following recipe:
 3 g of agar-agar are boiled in 250 ml deionised water.
The entire volume is divided in four and to every quarter is added:
1) NaOH 0,1M and higher concentrations - aprox. 5 M
2) CaCl2 about 0.1 g and CaCl2 about 2 g
In this way four different salt bridges are made. Four tubes of PVC (or another material) are curved in a U shape and filled with up presented solution. At the ends of the tube some glass or cotton wool is fitted in order to have a good contact between bridge and solution. The tubes are leaved to cool down and after the gel apparition, the bridge is ready.
The 4th bridge is a repetition of 3rd bridge, but instead of glass wool at the ends of the tube, 2 pieces of graphite recovered from some old carbon zinc battery are used.
The experiment is designed to check the movement of the ions from bridge to solution. 
First, the diluted CaCl2 bridge is used. The potential registered is about 1,1 V. In solution there is no confirmation of a precipitate apparition after 2 hour of working with multimeter connected to it and electrodes in short circuit
Another cell is formed with concentrated CaCl2 solution sequestered into agar agar. The potential registered is about 1,1 V. In solution there is no confirmation of a precipitate apparition after 2 hours of cell working.
The third cell is formed with a NaOH sequestered into agar agar as salt bridge. Before bridge insertion and after 2 hours of cell working the pH is measured with pH paper or with a pH meter. Before bridge insertion the pH of ZnSO4 was approx 5 and the pH of CuSO4 was about 9. After two hours the same values were registered.
The 4th cell is formed with a bridge having a “mixed” conduction. The graphite is an electronic conductor and the gel is an ionic conductor (according to actual classification). The contact between bridge and CuSO4 and ZnSO4 solutions is made only by graphite portion of the bridge. The potential registered is about 0,8 V.
A “formal Daniel cell” is formed using a Zn electrode immersed in a ZnSO4 1M solution and on the other hand a Cu electrode immersed in a CuSO4 solution. The solutions are connected with one of up presented salt bridge. CaCl2 was preferred instead of KCl due to the simplicity of Ca and Cl ions detection in an analytical way.
Before cell formation the mass of Cu and Zn electrodes was measured with an analytical balance. Once the cell formed, the difference of potential is measured and this is 1,070 V. Further, in order to speed up the processes from electrodes, the Zn and Cu electrodes are connected by a metallic wire (short circuit) as in fig. 2.6.
After 1 day of Daniel cell working, the metallic wire is disconnected and the difference of potential is again measured. The value found for the “Daniel cell” is the same 1,07 V, like before short circuit.

Daniel Cell

Figure 2.6 Daniel cell with salt bridge

 The electrodes are again connected in short circuit and after 3 days, the procedure of measuring the difference of potential repeated. Strange enough, the same value 1,07 V was counted. Again the electrodes are connected in short circuit and after one week the procedure of difference of potential measuring is repeated measuring the same value for the cell potential.

There is no increase of Cu of electrode mass but there is a slow and uniform decrease of Zn mass.
Experimental interpretation
The purpose of experiment is to analyse the specific mechanism of salt bridge working.
If an ion circulation is necessary for cell working, the calcium and chloride ions should have a directional and clear movement toward a specific compartment. Calcium species must move toward copper compartment and chloride species must move toward zinc compartment.
From common chemistry it is known that calcium reacts with sulphate and a white precipitate must appear.
In the first case with diluted concentration of CaCl2 used for bridge construction it is difficult to arrive to a product solubility of CaSO4 and in this time the salt bridge should be exhausted.
In case of concentrated CaCl2 bridge, in the CuSO4 baker should appear a precipitate of CaSO4. The quantity of Cl and Ca gained by every solution can be determined analytically. After hours of cell working a small quantity of Cl should be put in evidence using AgNO3 as reagent.
Despite these considerations, CaSO4 precipitate does not appear spontaneously in the copper compartment. In the same time, silver nitrate does not precipitate chloride into zinc compartment. There is a small and insignificant transport of CaCl2 from the bridge in solution, due to the Fick diffusion and not due to an electrochemical transport.
In the case of salt bridge based on NaOH, the pH of the solution should appear basic in a Zn compartment, and Zn(OH)2 should precipitate too, which is not the case in reality.
The purpose of this material is to demonstrate that a Daniel cell with a salt bridge use a complete different mechanism for working by comparison with original Daniel cell. In the modern representation of Daniell cell (found in every book of physics and chemistry), there is no expected reaction between components.
Let’s analyze what does not fit in actual explanation of Daniel cell modelling. In fig. 2.7, a simple Daniel cell similar with any other picture from a low level school is presented. The salt bridge is represented by 4 KCl species, for a simple description of phenomena.
In order to work properly, Daniell cell require a compensation of ions from the salt bridge as described in fig. 2.8. Chloride ions compensate the Zn cations and potassium ions compensate sulphate anions in the opposite compartment. After a time it should exist a depletion of KCl in the bridge (in the picture are remaining 2 molecule instead of 4).
If this principle of cell working is correct, making a salt with a small quantity of salt, depletion and an exhausting of salt bridge should be counted. It can be imagined an experiment where the salt bridge is dissected and the depletion of salt concentration is analysed. But as is described further there are other and simpler possibilities to check the mechanism of cell working. If the quantity of salt (CaCl2 in our case) in the bridge is varied, the current must depend on salt concentration. This means at low quantity of salt it will mean a low current, and a high quantity will mean a higher current. The experimental measured currents show an insignificant dependency on the concentration of salt inside salt bridge.

Daniel Cell1

Figure 2.7 Daniel cell with salt bridge

Daniel Cell2

Figure 2.8 Daniel cell mechanisms

Let’s estimate the time of life for a salt bridge Daniel cell in short circuit mode and other strange consequences. It was used as salt in the bridge a NaOH solution captured in an agar agar gel, as described in below experiments.
The resistance of salt bridge is about 16 kΩ and the resistance of solution about 4 KΩ. Let’s exaggerate and consider that internal resistance of battery is 50 KΩ. In this condition considering the external circuit of resistance zero the short-circuit current is:
I =U/(R+r) =1,01/50000 = 21 microA
A little bit deeper into actual physic:

I = Q/t = ne/t 
where n = number of charges in our case electrons; e the charge of electron; t – time of working in short-circuit
The actual Daniel battery is working in short circuit already from 8 days which means 691200 s. The number of electrons which has already passed by external conductor is:
n = It/e = 0,9 ×10 exp(20) 
These numbers of electrons are coming from the Zn dissolution reaction:
Zn = Zn2+ + 2e-
which means a number of 0,4536×10exp(20) atoms of Zn are released in solution.
For this number of Zn cations a double number of hydroxyls ions must come from salt bridge.
Mass of Zn passed in solution is:
0,4536×10exp(20)×65,37/(6,023×1023) =4.92 mg
Let’s calculate the size of hydroxyl quantity present in the cell. For the salt bridge 5 ml of 0,1 M NaOH were diluted to 75 ml agar agar solution. After that the tube was filled with 20 ml of this solution. 
The quantity of NaOH in 5 ml solution is: 20 ×10exp(-3) g
In the tube there is a quantity is 5×10-3 g
From this mass the mass of hydroxyl ions is:
5×17/40 = 2.125 mg
The stoechiometry of reaction:
Zn2+ + 2HO-  =Zn(OH)2
65,37 mg 2× 17 mg
4.92…………..y
y = 2,55 mg
So in order to neutralise the 4,92 mg of Zn2+ there are necessary 2,55 mg OH-. But the total quantity of hydroxyl available in the entire bridge is only 2,125 mg.
Considering that all this quantity is flowing into Zn compartment, there will remain still an excess of Zn cations already moving into solution and searching for anions able to maintain the neutrality of solution. Of course, in the Cu compartment there is excess of anions moving into solution and searching for cations able to maintain the neutrality.
The cell is still working at full potential after 8 days and this means there is a transfer of cations and anions from one compartment to another through salt bridge.
In the same time if all hydroxyl from the bridge is passed into solution the Zn compartment should have an alkaline pH. This is not confirmed by direct measurements - both compartment are at pH about 5, in acid region and not alkaline. 
How is possible for formed Zn(OH)2 to have a week acid pH?
Further analysis must regard the formation of Zn(OH)2 precipitate. The product of solubility of Zn(OH)2 is KSP = 3 ×10exp(-17) so it is very easy to be observed visually a increasing of hydroxyl concentration. It reality the Zn(OH)2 precipitate does not appear even in other repetitions of experiment the concentration of NaOH was increased to 4M.
In some contradictory discussions with other physicists it was argued that only sulphate migrate through the cell in order to have a chemical reaction at Zn electrode. The case is analysed on the site and is too fantastic to be reloaded here.
The problem with the Daniel cell having a salt bridge in its constitution regards the absence of expected chemical reaction. In this later case a secondary reaction between Zn and water in one compartment generates the measured electric current. Therefore there is a tremendous difference between salt Bridge Daniel cell and original Daniell cell, invented in 1836 by John Frederic Daniell regarding the output power. 
The reaction between Zn and water is slow and consequently in case of salt bridge the output power is smaller. From simple elementary school manuals to the high scientific treatise, the Daniel cell is presented with a salt bridge ….but this cell has never worked and will never work.

© 2017 All Rights Reserved Coșofreț Sorin Cezar

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