Le cellule Daniell

EXPÉRIENCE 2.4 Daniell batterie et le pont de sel
partie expérimentale
Matériaux et la procédure de l'expérience :
 Cu et Zn métaux bandes;
 CuSO4 et ZnSO4 comme solutions 1M ;
 Agar Agar
Peu de différents ponts salins sont effectués après la recette suivante :
 3 g d'agar -agar on fait bouillir dans 250 ml d'eau déminéralisée .
La totalité du volume est divisé en quatre et à chaque part est ajouté:
1) NaOH 0,1 M et des concentrations plus élevées - env. 5 M
2) CaCl2 0,1 g CaCl2 et environ 2 g
De cette façon, les quatre ponts salins différents sont effectués. Quatre tubes de PVC ( ou autre matériau ) sont courbées en forme de U et remplies de solution vers le haut présentée . Aux extrémités du tube du verre ou de la laine de coton est équipé afin d'avoir un bon contact entre le pont et la solution. Les tubes sont à feuilles pour refroidir et après l' apparition de gel , le pont est prêt .
Le quatrième pont est une répétition du troisième pont , mais au lieu de la laine de verre à l'extrémité du tube , deux morceaux de graphite récupérés à partir de vieux batterie de zinc de carbone sont utilisés.
L' expérience est conçue pour contrôler le mouvement des ions de pont à la solution .
Tout d'abord, le pont dilué CaCl2 est utilisé. Le potentiel est inscrit sur ​​1,1 V. En solution il n'y a aucune confirmation d'une apparition de précipité après deux heures de travail avec un multimètre qui lui sont connectés et les électrodes en court-circuit
Une autre cellule est formée avec une solution de CaCl2 concentré séquestré dans l'agar-agar . Le potentiel est inscrit sur ​​1,1 V. En solution il n'y a aucune confirmation d'une apparition de précipité après 2 heures de fonctionnement de la cellule.
La troisième cellule est formée avec une NaOH séquestré dans l'agar-agar en tant que pont de sel . Avant l'insertion pont et après 2 heures de la cellule de travail , le pH est mesurée au papier pH ou avec un pH-mètre . Avant l'insertion pont le pH de ZnSO4 était d'environ 5 et le pH de CuSO4 était d'environ 9. Après deux heures, les mêmes valeurs ont été enregistrées .
La quatrième cellule est formée par un pont ayant une conduction "mixte" . Le graphite est un conducteur électronique et le gel est un conducteur ionique ( selon la classification réelle ) . Le contact entre le pont et CuSO4 et ZnSO4 solutions se fait uniquement par portion graphite du pont. Le potentiel est enregistré environ 0,8 V.
Un " Daniel cellule formel " est formée en utilisant une électrode de Zn immergé dans une solution 1M ZnSO4 et d'autre part une électrode de cuivre immergée dans une solution de CuSO4 . Les solutions sont connectés avec l'un des ponts de sel jusqu'à présenté . CaCl2 a été préféré au lieu de KCl en raison de la simplicité de Ca et de détection des ions Cl de manière analytique .
Avant la formation de cellules de la masse de Cu et Zn électrodes a été mesurée avec une balance analytique. Une fois la cellule formée, la différence de potentiel est mesurée et c'est 1,070 V. En outre, afin d' accélérer les processus de électrodes , les électrodes Cu et Zn sont reliés par un fil métallique (court-circuit ), comme dans la figure . 2.6 .
Après 1 jour de travail de la cellule Daniel , le fil métallique est déconnectée et la différence de potentiel est de nouveau mesurée . La valeur trouvée pour le " Daniel cellule" est le même 1,07 V, comme avant un court-circuit .

Figure 2.6 Daniel cellule avec un pont de sel

Les électrodes sont à nouveau connectées en court-circuit et après 3 jours , la procédure de mesure de la différence de potentiel répétées . Curieusement , la même valeur 1,07 V a été compté . Là encore, les électrodes sont connectées en court-circuit et au bout d'une semaine, le mode opératoire de l' écart de mesure de potentiel à mesurer est répétée la même valeur que le potentiel de la cellule.
Il n'y a pas d'augmentation de Cu de masse de l'électrode , mais il ya une diminution lente et régulière de la masse Zn.
interprétation expérimentale
Le but de l'expérience est d'analyser le mécanisme spécifique de fonctionnement du pont de sel.
Si une circulation d' ions est nécessaire pour le fonctionnement de la cellule , les ions de calcium et de chlorure doivent avoir un mouvement directionnel et clair vers un compartiment spécifique . Espèces de calcium doit se déplacer vers compartiment et le chlorure de cuivre espèce doit se déplacer vers compartiment zinc.
De la chimie commun, il est connu que réagit avec le calcium sulfate et un précipité blanc doivent apparaître .
Dans le premier cas avec une concentration diluée de CaCl2 utilisé pour la construction de ponts , il est difficile d'arriver à une solubilité du produit de CaSO4 et à cette époque, le pont de sel devrait être épuisé.
En cas de pont CaCl2 concentré, dans le CuSO4 boulanger devrait apparaître un précipité de CaSO4 . La quantité de Cl et Ca acquise par chaque solution peut être déterminée analytiquement . Après des heures de travail cellule une petite quantité de Cl devraient être mis en évidence en utilisant AgNO3 comme réactif .
En dépit de ces considérations, CaSO4 précipité n'apparaît pas spontanément dans le compartiment de cuivre. Dans le même temps , le nitrate d' argent, ne précipite pas le chlorure de zinc dans le compartiment . Il existe un petit et négligeable transport de CaCl2 à partir du pont dans la solution , due à la diffusion de Fick et n'est pas due à un transport électrochimique .
Dans le cas du pont de sel sur la base NaOH, le pH de la solution doit être simple dans un compartiment Zn et Zn (OH) 2 devrait précipiter aussi, ce qui n'est pas le cas dans la réalité.
Le but de ce document est de démontrer qu'une cellule Daniel avec un pont de sel utiliser un mécanisme complètement différent pour travailler par comparaison avec la cellule Daniel originale . Dans la représentation moderne de la pile Daniell (qui se trouve dans tous les livres de physique et chimie) , il n'y a aucune réaction attendue entre les composants.
Nous allons analyser ce qui ne rentre pas dans explication réelle de la modélisation cellulaire Daniel . En fig. 2.7 , une simple cellule Daniel semblable avec une autre image d'une école de bas niveau est présentée. Le pont de sel est représenté par 4 espèces de KCl , pour une simple description des phénomènes.
Pour fonctionner correctement , pile Daniell nécessite une compensation d'ions à partir du pont de sel tel que décrit dans la figure . 2.8 . Les ions chlorure compenser les cations Zn et les ions potassium compenser anions de sulfate dans le compartiment opposé . Après un temps, il devrait exister un appauvrissement de KCl dans le pont (sur la photo sont en restant 2 molécule au lieu de 4).
Si ce principe de fonctionnement de la cellule est correcte , en faisant un sel avec une petite quantité de sel , de l'épuisement et une épuisante de pont de sel doit être compté. On peut imaginer une expérience où le pont de sel est disséqué et l'appauvrissement de la concentration en sel est analysé. Mais comme il est décrit plus loin, il ya d'autres possibilités et simple pour vérifier le mécanisme de fonctionnement de la cellule. Si la quantité de sel (CaCl2 dans notre cas) dans le pont est varié, le courant doit dépendre de la concentration en sel . Cela signifie à faible quantité de sel que cela signifiera un courant faible , et une grande quantité se traduira par un courant plus élevé . Les courants mesurés expérimentaux montrent une dépendance non significatif de la concentration du sel à l'intérieur de pont de sel .

Figure 2.7 Daniel cellule avec un pont de sel

Figure 2.8 mécanismes cellulaires Daniel

Disons estimer le temps de vie d'un pont salin Daniel cellule en mode court-circuit et d'autres conséquences étranges . Il a été utilisé comme le sel dans le pont une solution NaOH capturé dans un gel d' agar-agar , comme décrit ci-dessous expériences.
La résistance du pont de sel est d'environ 16 kQ et la résistance de la solution environ 4 kQ . Allons exagérer et considèrent que la résistance interne de la batterie est de 50 kQ . Dans cette condition, compte tenu du circuit externe de résistance nulle du courant de court - circuit est le suivant:
I = U / (R + r) = 1,01 / 50000 = 21 microA
Un peu plus loin dans la physique actuelle :

I = Q / T = ne / t
où n = nombre de charges dans nos électrons de cas , e la charge de l'électron ; t - temps de travail en court-circuit
La batterie Daniel réelle travaille en court-circuit déjà partir de 8 jours qui signifie 691200 s . Le nombre d'électrons qui a déjà passé par le conducteur externe est :
n = It / e = 0,9 × 10 exp (20)
Ces nombres d'électrons venant de la réaction de dissolution de Zn :
Zn = Zn ^{2 +} + 2e ^-
ce qui signifie un certain nombre de 0,4536 × 10exp (20) atomes de Zn sont libérés dans la solution.
Pour ce nombre de cations Zn un nombre double d'hydroxyles ions doivent provenir de pont de sel .
Masse de Zn adoptée en solution est la suivante:
0,4536 × 10exp (20) × 65,37 / ( 6,023 × 1023) = 4,92 mg
Nous pouvons calculer la taille de la quantité hydroxyle présents dans la cellule . Pour le pont de sel 5 ml de NaOH 0,1 M ont été dilués à une solution d' agar-agar 75 ml . Après que le tube a été rempli avec 20 ml de cette solution.
La quantité de NaOH dans 5 ml de solution est: 20 × 10exp (-3) g
Dans le tube il ya une quantité est de 5 × 10-3 g
A partir de cette masse de la masse des ions hydroxyle est :
5 x 17/40 = 2,125 mg
La stoechiométrie de la réaction:
Zn2 + + 2HO - = Zn (OH) 2
65,37 mg 2 × 17 mg
4,92 .............. y
y = 2,55 mg
Ainsi, afin de neutraliser l' 4,92 mg de Zn 2 + , il ya nécessaire 2,55 mg OH- . Mais la quantité totale d' hydroxyle disponible dans tout pont est seulement 2,125 mg .
Considérant que toute cette quantité s'écoule dans le compartiment Zn , il restera toujours un excès de Zn cations mobiles déjà en solution et la recherche d' anions capables de maintenir la neutralité de la solution. Bien sûr , dans le compartiment Cu il ya un excès d'anions se déplaçant dans la solution et la recherche de cations capables de maintenir la neutralité .
La cellule fonctionne toujours à plein potentiel après 8 jours et cela signifie qu'il ya un transfert de cations et anions d'un compartiment à un autre par le pont de sel.
Dans le même temps, si tout hydroxyle du pont est passée dans la solution du compartiment Zn devrait avoir un pH alcalin . Ce n'est pas confirmée par des mesures directes - les deux compartiments sont à un pH d'environ 5 , dans la région de l'acide et non alcaline.
Comment est possible d' formée Zn (OH) 2 pour avoir un pH acide de la semaine ?
Une analyse plus poussée doit considérer la formation de Zn (OH) 2 précipité . Le produit de solubilité de Zn (OH) 2 est KSP = 3 × 10exp (-17) il est donc très facile à observer visuellement une augmentation de la concentration hydroxyle. C'est la réalité du Zn (OH) 2 précipité n'apparaît même pas dans d'autres répétitions de l'expérience de la concentration de NaOH a été augmentée à 4M .
Dans certains débats contradictoires avec d'autres physiciens , il a fait valoir que seulement sulfate migrent à travers la cellule afin d'avoir une réaction chimique à l'électrode de zinc. Le cas est analysé sur le site et il est trop fantastique pour être rechargé ici .
Le problème avec la cellule Daniel ayant un pont de sel dans sa constitution qui concerne l' absence de réaction chimique attendue. Dans ce dernier cas, une réaction secondaire entre Zn et de l'eau dans un compartiment génère du courant électrique mesuré . C'est pourquoi il ya une énorme différence entre le sel Pont Daniel cellule et pile Daniell original, inventé en 1836 par John Frederic Daniell concernant la puissance de sortie .
La réaction entre Zn et de l'eau est lente et, par conséquent , en cas de pont salin la puissance de sortie est plus petite . Des manuels scolaires élémentaires simples au traité scientifique élevé , la cellule Daniel est présenté avec un pont de sel .... mais cette cellule n'a jamais fonctionné et ne fonctionnera jamais.