Schematische Darstellung einer Kupfer - Zink- Volta-Säule. Jedes Kupfer-Zink-Paar besaß einen mittigen Abstandshalter aus Pappe oder Filz, der mit Salzwasser (dem Elektrolyten) getränkt war. Voltas ursprüngliche Säulen enthielten zusätzlich eine Zinkscheibe am Boden und eine Kupferscheibe an der Spitze; diese erwiesen sich später als überflüssig.
Ein Volta-Haufen, ausgestellt im Tempio Voltiano (Volta-Tempel) in der Nähe von Voltas Haus in Como , Italien
Voltaische Säule, Universitätsgeschichtliches Museum der Universität Pavia .

Die Voltasche Säule war die erste elektrische Batterie , die einen Stromkreis kontinuierlich mit Strom versorgen konnte. [ 1 ] Sie wurde von dem italienischen Chemiker Alessandro Volta erfunden , der seine Experimente 1799 veröffentlichte. [ 2 ] Ihre Erfindung lässt sich auf eine Auseinandersetzung zwischen Volta und seinem italienischen Kollegen Luigi Galvani zurückführen , der Experimente an Froschschenkeln durchgeführt hatte. [ 3 ] Die Nutzung der Voltasche Säule ermöglichte eine Reihe weiterer Entdeckungen, darunter die elektrische Zerlegung ( Elektrolyse ) von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff durch William Nicholson und Anthony Carlisle (1800) sowie die Entdeckung oder Isolierung der chemischen Elemente Natrium (1807), Kalium (1807), Calcium (1808), Bor (1808), Barium (1808), Strontium (1808) und Magnesium (1808) durch Humphry Davy . [ 4 ] [ 5 ]

Die gesamte Elektroindustrie des 19. Jahrhunderts wurde bis zur Erfindung des Dynamos (des elektrischen Generators) in den 1870er Jahren mit Batterien betrieben, die auf Voltas Technologie (z. B. der Daniell-Zelle und der Grove-Zelle ) basierten. [ 6 ]

Geschichte

Voltas Erfindung basierte auf Luigi Galvanis Entdeckung aus den 1780er Jahren, dass ein Stromkreis aus zwei Metallen und einem Froschschenkel eine Reaktion des Froschschenkels auslösen kann. [ 1 ] Volta demonstrierte 1794, dass auch zwei Metalle und mit Salzlösung getränktes Tuch oder Pappe in einem Stromkreis einen elektrischen Strom erzeugen. Im Jahr 1800 stapelte Volta mehrere Paare abwechselnder Kupfer- (oder Silber- ) und Zinkscheiben ( Elektroden ), die durch mit Salzlösung getränktes Tuch oder Pappe getrennt waren, wodurch die gesamte elektromotorische Kraft erhöht wurde. [ 7 ] [ 8 ] Sobald die oberen und unteren Kontakte mit einem Draht verbunden wurden, floss ein elektrischer Strom durch die Voltasche Säule und den Verbindungsdraht. Dies war die erste „echte“ Batterie, die kontinuierlich Ladung abgab. [ 9 ]

Viele wissenschaftliche Instrumente, die Alessandro Volta gehörten, werden im Universitätsgeschichtlichen Museum der Universität Pavia aufbewahrt , wo Volta von 1778 bis 1819 lehrte; die ausgestellten Säule ist jedoch leider nicht original, da die in Pavia aufbewahrten Exemplare anlässlich des hundertjährigen Jubiläums der Erfindung ausgeliehen und anschließend bei einem Brand verloren gingen. [ 10 ]

Anwendungen

Zeichnung der Voltasche Säule in verschiedenen Konfigurationen, aus dem Brief von Alessandro Volta an Joseph Banks .

Am 20. März 1800 schrieb Alessandro Volta an die Royal Society in London , um die Technik zur Erzeugung von elektrischem Strom mithilfe seiner Vorrichtung zu beschreiben. [ 11 ] Nachdem William Nicholson und Anthony Carlisle von der Voltasche Säule erfahren hatten, nutzten sie diese zur Entdeckung der Wasserelektrolyse . Humphry Davy wies nach, dass die elektromotorische Kraft , die den Stromfluss in einem Stromkreis mit einer einzelnen Voltaschen Zelle antreibt, durch eine chemische Reaktion und nicht durch die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Metallen verursacht wird. Er nutzte die Voltasche Säule auch zur Zersetzung und Herstellung von Chemikalien. William Hyde Wollaston zeigte, dass Elektrizität aus Voltaschen Säulen die gleichen Effekte wie Reibungselektrizität hat . 1802 nutzte Wassili Petrow Voltasche Säulen zur Entdeckung und Erforschung der Lichtbogenwirkung .

Humphry Davy und Andrew Crosse gehörten zu den ersten, die große galvanische Säulen entwickelten. [ 12 ] Davy nutzte eine 1808 für die Royal Institution gebaute Säule mit 2000 Elektrodenpaaren, um die Kohlenbogenentladung zu demonstrieren [ 13 ] und fünf neue Elemente zu isolieren: Barium, Calcium, Bor, Strontium und Magnesium. [ 14 ]

Elektrochemie

Da Volta annahm, dass die elektromotorische Kraft am Kontaktpunkt der beiden Metalle entsteht, wiesen seine Voltaschen Säule eine andere Bauweise auf als die moderne, auf dieser Seite dargestellte. Seine Säule besaß eine zusätzliche Kupferscheibe oben, die mit dem Zink in Kontakt stand, und eine zusätzliche Zinkscheibe unten, die mit dem Kupfer in Kontakt stand. [ 15 ] Aufbauend auf Voltas Arbeiten und den Forschungen seines Mentors Humphry Davy zum Elektromagnetismus nutzte Michael Faraday in seinen Experimenten zur Elektrizität sowohl Magnete als auch die Voltasche Säule. Faraday glaubte, dass alle damals untersuchten Formen von Elektrizität (voltaische, magnetische, thermische und tierische Elektrizität) ein und dasselbe seien. Seine Bemühungen, diese Theorie zu beweisen, führten ihn zur Formulierung zweier elektrochemischer Gesetze, die im direkten Widerspruch zu den damals geltenden wissenschaftlichen Überzeugungen standen, wie sie dreißig Jahre zuvor von Volta aufgestellt worden waren. [ 16 ] Aufgrund ihrer Beiträge zum Verständnis dieses Forschungsgebiets gelten Faraday und Volta als Väter der Elektrochemie . [ 17 ] Die oben zur Beschreibung von Voltas Arbeit verwendeten Begriffe „Elektrode“ und „Elektrolyt“ gehen auf Faraday zurück. [ 18 ]

Elektromotorische Kraft

Die Festigkeit der Säule wird durch ihre elektromotorische Kraft (EMK) in Volt ausgedrückt. Alessandro Voltas Theorie der Kontaktspannung besagt, dass die EMK, die den Stromfluss in einem Stromkreis mit einer galvanischen Zelle antreibt, am Kontaktpunkt der beiden Metalle entsteht. Volta hielt den Elektrolyten, der in seinen Experimenten typischerweise Salzlösung war , für unbedeutend. Chemiker erkannten jedoch bald, dass das Wasser im Elektrolyten an den chemischen Reaktionen der Säule beteiligt ist und zur Entwicklung von Wasserstoffgas an der Kupfer- oder Silberelektrode führt. [ 4 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]

Das moderne, atomistische Verständnis einer Zelle mit Zink- und Kupferelektroden, die durch einen Elektrolyten getrennt sind, ist folgendes: Wenn die Zelle über einen externen Stromkreis einen elektrischen Strom liefert, wird das metallische Zink an der Oberfläche der Zinkanode oxidiert und löst sich im Elektrolyten als elektrisch geladene Ionen (Zn²⁺ ) , wobei zwei negativ geladene Elektronen ( e⁻) zurückbleiben.−) dahinter im Metall:

Anode (Oxidation): Zn → Zn²⁺ + 2 e⁻  Pfeil nach rechts  −

Diese Reaktion wird Oxidation genannt . Während Zink in den Elektrolyten eintritt, nehmen zwei positiv geladene Wasserstoffionen (H + ) aus dem Elektrolyten an der Oberfläche der Kupferkathode zwei Elektronen auf, werden reduziert und bilden ein ungeladenes Wasserstoffmolekül (H 2 ).

Kathode (Reduktion): 2 H⁺ + 2 e⁻−  Pfeil nach rechts  H 2

Diese Reaktion wird Reduktion genannt . Die Elektronen, die vom Kupfer zur Bildung von Wasserstoffmolekülen benötigt werden, stammen aus einem externen Draht oder Stromkreis, der das Kupfer mit dem Zink verbindet. Die durch die Reduktionsreaktion auf der Kupferoberfläche gebildeten Wasserstoffmoleküle entweichen schließlich als Wasserstoffgas.

Man wird feststellen, dass die globale elektrochemische Reaktion nicht unmittelbar das elektrochemische Paar Cu²⁺/Cu (Ox/Red) der Kupferkathode einbezieht . Die Kupferscheibe dient hier lediglich als chemisch inerter Edelmetallleiter für den Elektronentransport im Stromkreis und nimmt in der wässrigen Phase nicht chemisch an der Reaktion teil. Kupfer wirkt jedoch als Katalysator für die Wasserstoffentwicklungsreaktion , die ansonsten ebenso gut (wenn auch langsamer ohne Katalysator) direkt an der Zinkelektrode ohne Stromfluss durch den externen Stromkreis ablaufen könnte. Die Kupferelektrode könnte im System durch jeden ausreichend edlen/inerten und katalytisch aktiven Metallleiter (Ag, Pt, Edelstahl, Graphit usw.) ersetzt werden. Die globale Reaktion lässt sich wie folgt formulieren:

Zn + 2H + Zn 2+ + H 2  Pfeil nach rechts  

Dies lässt sich nützlicherweise mithilfe der elektrochemischen Kettennotation stilisieren:

(Anode: Oxidation) Zn | Zn 2+ || 2H + | H 2 | Cu (Kathode: Reduktion)

Dabei stellt jeweils ein vertikaler Strich eine Grenzfläche dar. Die doppelten vertikalen Striche repräsentieren die Grenzflächen, die dem Elektrolyten entsprechen, der die poröse Kartonscheibe imprägniert.

When no current is drawn from the pile, each cell, consisting of zinc/electrolyte/copper, generates 0.76 V with a brine electrolyte. The voltages from the cells in the pile add, so the six cells in the diagram above generate 4.56 V of electromotive force.

Dry piles

A number of high-voltage dry piles were invented between 1800 and the 1830s in an attempt to determine the source of electricity of the wet voltaic pile, and specifically to support Volta's hypothesis of contact tension. Indeed, Volta himself experimented with a pile whose cardboard discs had dried out, most likely accidentally.

The first to publish the discovery of a dry pile that produced a current was Johann Wilhelm Ritter in 1802, albeit in an obscure journal; over the next decade, it was announced repeatedly as a new discovery. One form of dry pile is the Zamboni pile. Francis Ronalds in 1814 was one of the first to realize that dry piles also worked through chemical reaction rather than metal-to-metal contact, even though corrosion was not visible due to the very small currents generated.[22][23]

The dry pile could be referred to as the ancestor of the modern dry cell.

See also

References

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  2. ^"Alessandro Volta | Biography, Facts, Battery, & Invention | Britannica". www.britannica.com. 2024-04-15. Retrieved 2024-05-12.
  3. ^"The Voltaic Pile | Distinctive Collections Spotlights". libraries.mit.edu. Retrieved 2023-01-24.
  4. ^ abDecker, Franco (January 2005). "Volta and the 'Pile'". Electrochemistry Encyclopedia. Case Western Reserve University. Archived from the original on 2012-07-16.
  5. ^Russell, Colin (August 2003). "Enterprise and electrolysis..."Chemistry World.
  6. ^"Alessandro Volta | Biography, Facts, Battery, & Invention | Britannica". www.britannica.com. 2024-04-15. Retrieved 2024-05-12.
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  8. ^ Mottelay, Paul Fleury (2008). Bibliographische Geschichte der Elektrizität und des Magnetismus (Nachdruck der Ausgabe von 1892). Read Books. S. 247. ISBN 978-1-4437-2844-7Die
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