Bateria Daniell

EXPERIMENTO 2.4 Pila Daniell y el puente salino
parte experimental
Materiales y procedimiento para el experimento :
 Cu y Zn metales tiras;
 CuSO4 y ZnSO4 como soluciones 1M ;
 Agar Agar
Pocos diferentes puentes de sal se hacen después de la siguiente receta :
 3 g de agar - agar se hierve en 250 ml de agua desionizada .
Todo el volumen se divide en cuatro y cada trimestre se añade :
1 ) de NaOH 0,1 M y concentraciones más altas - aprox . 5 M
2 ) CaCl2 aproximadamente 0,1 g y aproximadamente 2 g de CaCl2
De esta manera se hacen cuatro puentes de sal diferentes . Cuatro tubos de PVC ( u otro material ) están curvados en forma de U y se llenan con hasta presentada solución . En los extremos del tubo de vidrio o de algunos de lana de algodón está equipado con el fin de tener un buen contacto entre el puente y la solución. Los tubos son hojas que se enfríe y después de la aparición de gel , el puente está listo .
El cuarto puente es una repetición de la tercera puente, pero en lugar de lana de vidrio en los extremos del tubo , se utilizan 2 piezas de grafito recuperado de una vieja batería de carbono-zinc.
El experimento está diseñado para controlar el movimiento de los iones del puente a la solución.
En primer lugar, se utiliza el puente diluida de CaCl2 . El potencial registrado es de aproximadamente 1,1 V. En solución no hay confirmación de la aparición de un precipitado después de 2 horas de trabajo con el multímetro conectado a él y electrodos en cortocircuito
Otra célula se forma con una solución de CaCl2 concentrado secuestrado en agar-agar . El potencial registrado es de aproximadamente 1,1 V. En la solución no hay confirmación de la aparición de un precipitado después de 2 horas de funcionamiento celular.
La tercera celda se forma con un NaOH secuestrado en agar-agar como puente de sal . Antes de la inserción puente y después de 2 horas de células de trabajo se mide el pH con papel de pH o con un medidor de pH . Antes de la inserción del puente de ZnSO4 el pH era aproximadamente 5 y el pH de CuSO4 fue de aproximadamente 9 . Después de dos horas se registraron los mismos valores .
La cuarta celda está formada con un puente que tiene una conducción " mixta " . El grafito es un conductor electrónico y el gel es un conductor iónico (según la clasificación real ) . El contacto entre el puente y CuSO4 y ZnSO4 soluciones sólo se hace por la parte de grafito del puente. El potencial registrado es de aproximadamente 0,8 V.
Una " célula formal de Daniel " se forma utilizando un electrodo de Zn sumergido en una solución de ZnSO4 1 M y en el otro lado un electrodo de Cu sumergido en una solución de CuSO4 . Las soluciones están conectados con uno de puente de sal hasta presentada . CaCl2 se prefiere en lugar de KCl debido a la simplicidad de Ca y Cl detección de iones en forma analítica .
Antes de la formación de células se midió la masa de Cu y Zn electrodos con una balanza analítica . Una vez que la célula se formó , se mide la diferencia de potencial y esto es 1070 V. Además, con el fin de acelerar los procesos de electrodos , los electrodos de Zn y Cu están conectadas por un alambre metálico ( corto circuito ) como en la fig . 2.6 .
Después de 1 día de trabajo celular Daniel, el alambre metálico se desconecta y la diferencia de potencial se mide de nuevo . El valor encontrado para el " Daniel celular " es lo mismo 1,07 V , como antes cortocircuito.

Figura 2.6 Daniel celular con puente salino

Los electrodos se conectan de nuevo en cortocircuito y después de 3 días , el procedimiento de medición de la diferencia de potencial repiten . Bastante extraño , el mismo valor de 1,07 V fue contada. Una vez más los electrodos están conectados en corto circuito y después de una semana el procedimiento de la diferencia de potencial de medición se repite la medición del mismo valor para el potencial de la célula .
No hay un aumento de Cu de electrodo de masa , pero hay una disminución lenta y uniforme de la masa de Zn .
interpretación experimental
El propósito del experimento es analizar el mecanismo específico de trabajo puente de sal .
Si una circulación de iones es necesario para el funcionamiento celular , los iones de calcio y cloruro de deben tener un movimiento direccional y clara hacia un compartimiento específico . Especies de calcio deben avanzar hacia cobre compartimiento y cloruro de especies debe avanzar hacia un compartimento zinc.
A partir de la química común que se sabe que reacciona con sulfato de calcio y un precipitado blanco deben aparecer .
En el primer caso con una concentración diluida de CaCl2 se utiliza para la construcción de puentes que es difícil llegar a un producto de solubilidad de CaSO4 y en este tiempo el puente de sal se agota .
En el caso del puente de CaCl2 concentrado, en el CuSO4 panadero debe aparecer un precipitado de CaSO4 . La cantidad de Cl y Ca adquirida por cada solución se puede determinar analíticamente . Después de horas de la célula de trabajo una pequeña cantidad de Cl se deben poner en evidencia el uso de AgNO3 como reactivo .
A pesar de estas consideraciones , CaSO4 precipitado no aparece espontáneamente en el compartimiento de cobre . En el mismo tiempo , de nitrato de plata no precipita cloruro de zinc en el compartimiento . Hay un pequeño e insignificante transporte de CaCl2 desde el puente en solución , debido a la difusión de Fick y no debido a un transporte de electroquímica .
En el caso de puente de sal sobre la base de NaOH , el pH de la solución debe ser básico en un compartimiento de Zn y Zn ( OH ) 2 debería precipitar también, que no es el caso en la realidad .
El propósito de este material es demostrar que una célula Daniel con un puente de sal utilizar un mecanismo diferente completa para trabajar por comparación con la célula original Daniel . En la representación moderna de la pila Daniell (que se encuentra en todos los libros de física y química ) , no hay ninguna reacción esperada entre los componentes .
Vamos a analizar lo que no encaja en la explicación real de modelado celular Daniel . En la fig . 2.7 , se presenta una célula Daniel sencilla similar con cualquier otra imagen de una escuela de bajo nivel. El puente de sal está representado por 4 especies de KCl , para una descripción sencilla de los fenómenos .
Para que funcione correctamente, la célula Daniell requiere una compensación de iones del puente salino como se describe en la fig . 2.8 . Los iones cloruro compensar los cationes Zn y los iones de potasio compensar aniones de sulfato en el compartimiento opuesto. Después de un tiempo, debería existir un agotamiento de KCl en el puente ( en la imagen se queda 2 molécula en lugar de 4 ) .
Si este principio de trabajo de la célula es correcta , por lo que una sal con una pequeña cantidad de sal , el agotamiento y un agotador de puente de sal debe ser contado . Se puede imaginar un experimento donde se diseca el puente de sal y se analiza el agotamiento de la concentración de sal . Sin embargo, como se describe adicionalmente hay otras posibilidades y más simple para comprobar el mecanismo de la célula de trabajo . Si se varía la cantidad de sal ( CaCl2 en nuestro caso ) en el puente , la corriente debe depender de la concentración de sal . Esto significa a baja cantidad de sal que significará una corriente baja , y una alta cantidad significará una corriente más alta . Las corrientes medidas experimentales muestran una dependencia insignificante de la concentración de sal en el interior de puente salino .

Figura 2.7 Daniel celular con puente salino

Figura 2.8 mecanismos celulares Daniel

Vamos a calcular el tiempo de vida de un puente Daniel celular sal en modo de cortocircuito y otras consecuencias extrañas . Se utilizó como sal en el puente de una solución de NaOH capturado en un gel de agar-agar , como se describe a continuación en experimentos .
La resistencia de puente de sal es de aproximadamente 16 kW y la resistencia de la solución aproximadamente 4 kW . Vamos a exagerar y considerar que la resistencia interna de la batería es de 50 kW . En esta condición, teniendo en cuenta el circuito externo de resistencia cero de la corriente de corto - circuito es :
I = U / ( R + r ) = 1,01 / 21 = 50.000 microA
Un poco más profundo en física real :

I = Q / t = ne / t
donde n = número de cargas en nuestros electrones de casos; e la carga del electrón , t - tiempo de trabajar en cortocircuito
El Daniel real de la batería está trabajando en cortocircuito ya partir de 8 días, lo que significa 691.200 s . El número de electrones que ya ha pasado por el conductor externo es :
n = It / e = 0,9 x 10 exp ( 20 )
Estos números de electrones proceden de la reacción de disolución Zn :
Zn = Zn2 + + 2e-
lo que significa una cantidad de 0,4536 × 10exp ( 20 ) átomos de Zn son liberados en la solución.
Para este número de cationes Zn un doble número de iones hidroxilos deben venir de puente salino .
Masa de Zn transferido a la solución :
0,4536 × 10exp ( 20 ) x 65,37 / ( 6023 x 1023 ) = 4,92 mg
Vamos a calcular el tamaño de la cantidad de grupos hidroxilo presentes en la célula . Para el puente de sal 5 ml de 0,1 M de NaOH se diluyeron a 75 ml de solución de agar-agar . Después de que el tubo se llenó con 20 ml de esta solución .
La cantidad de NaOH en 5 ml de solución es : 20 × 10exp ( -3 ) g
En el tubo hay una cantidad es 5 × 10-3 g
De esta masa la masa de los iones hidroxilo es:
5 x 17/40 = 2,125 mg
El stoechiometry de reacción :
Zn2 + + 2HO - = Zn ( OH ) 2
65,37 mg 2 x 17 mg
4,92 .............. y
y = 2,55 mg
Así que con el fin de neutralizar el 4,92 mg de Zn2 + no son necesarios 2,55 mg OH- . Sin embargo, la cantidad total de hidroxilo disponible en todo el puente es sólo 2125 mg .
Teniendo en cuenta que toda esta cantidad está fluyendo en el compartimiento de Zn , seguirá existiendo todavía un exceso de cationes Zn ya que se desplazan en la solución y la búsqueda de aniones capaces de mantener la neutralidad de la solución . Por supuesto , en el compartimiento de Cu hay un exceso de aniones en movimiento en la solución y la búsqueda de cationes capaces de mantener la neutralidad .
La célula todavía está trabajando a plena potencial después de 8 días y esto significa que hay una transferencia de cationes y aniones de un compartimento a otro a través de puente de sal .
En el mismo tiempo si todos hidroxilo desde el puente se pasa en el compartimiento de solución de Zn debe tener un pH alcalino . Esto no es confirmado por mediciones directas - tanto compartimento son a un pH de aproximadamente 5, en la región de ácido y no alcalina .
¿Cómo es posible que Zn formado ( OH ) 2 para tener un pH ácido semana ?
Un análisis más detallado debe considerar la formación de Zn ( OH ) 2 precipitado . El producto de solubilidad del Zn ( OH ) 2 es KSP = 3 × 10exp ( -17 ) por lo que es muy fácil de ser observado visualmente un aumento de la concentración de hidroxilo . Es la realidad del Zn ( OH ) 2 precipitado no aparece aunque en otras repeticiones del experimento, la concentración de NaOH se incrementó a 4 millones .
En algunos debates contradictorios con otros físicos se argumentó que sólo sulfato migran a través de la célula con el fin de tener una reacción química en el electrodo de Zn . El caso se analiza en el sitio y es demasiado fantástica para ser recargada aquí .
El problema con la célula Daniel que tiene un puente de sal en su constitución se refiere a la ausencia de reacción química esperada . En este último caso una reacción secundaria entre Zn y el agua en un compartimento genera la corriente eléctrica medida . Por lo tanto hay una gran diferencia entre la sal Puente Daniel célula y célula original Daniell , inventado en 1836 por John Frederic Daniell con respecto a la potencia de salida.
La reacción entre el Zn y el agua es lenta y, en consecuencia , en caso de puente de sal de la potencia de salida es más pequeña . A partir de los manuales de la escuela primaria simples a la alta tratado científico , la célula Daniel se presenta con un puente de sal .... pero esta célula nunca ha funcionado y nunca funcionará.