Ogniwo Daniella to jeden z najbardziej fundamentalnych rodzajów ogniw galwanicznych. Zostało ono nazwane na cześć brytyjskiego chemika, Johna Frederica Daniella, który wynalazł je w 1836 roku. To ogniwo przyczyniło się do rozwoju naszego zrozumienia elektrochemii i pełni ważną rolę w nauczaniu tego tematu. W tym artykule przyjrzymy się budowie i działaniu ogniwa Daniella.
Budowa Ogniwa Daniella
Ogniwo Daniella składa się z dwóch półogniw połączonych ze sobą solnym mostem. Każde półogniwo składa się z metalowej elektrody zanurzonej w roztworze soli tego metalu.
Półogniwo miedziane
Półogniwo miedziane ogniwa Daniella składa się z miedzianej elektrody zanurzonej w roztworze siarczanu miedzi(II) (CuSO4).
Półogniwo cynkowe
Półogniwo cynkowe składa się z cynkowej elektrody zanurzonej w roztworze siarczanu cynku (ZnSO4).
Solny Most
Solny most, który łączy te dwa półogniwa, jest zazwyczaj wypełniony roztworem chlorku potasu (KCl). Jest to bardzo ważny element ogniwa, ponieważ umożliwia przepływ jonów między półogniwami, bezpośrednio przyczyniając się do utrzymania równowagi ładunków.
Działanie Ogniwa Daniella
Przyjrzyjmy się teraz, jak te różne części współpracują, aby wygenerować prąd.
Półogniwo Cynkowe
W półogniwie cynkowym cynk jest utleniany zgodnie z poniższym równaniem:
Zn(s) → Zn2+(aq) + 2e-
Cynk jako metal jest utleniany do jonów cynku, co powoduje uwolnienie dwóch elektronów. Te elektrony mogą następnie przemieścić się do zewnętrznego obwodu.
Półogniwo Miedziane
W półogniwie miedzianym jony miedzi są redukowane zgodnie z poniższym równaniem:
Cu2+(aq) + 2e- → Cu(s)
Jony miedzi przyjmują elektrony z obwodu zewnętrznego i są redukowane do miedzi metalicznej.
Solny Most
Jak już wspomniano, solny most pozwala na przepływ jonów między półogniwami. Jony potasu przemieszczają się do półogniwa cynkowego, aby zrównoważyć dodatni ładunek powstających tam jonów cynku. Podobnie, jony chlorku przemieszczają się do półogniwa miedzianego, aby zrównoważyć ładunek jonów miedzi, które są redukowane do miedzi metalicznej.
Napięcie Ogniwa Daniella
W wyniku tych procesów ogniwo Daniella generuje napięcie. Zgodnie z równaniem Nernsta, napięcie to jest dane przez:
E = E0 - (RT/nF) ln(Q)
gdzie E0 to potencjał standardowy ogniwa, R to stała gazowa, T to temperatura (w kelwinach), n to liczba elektronów przenoszonych w reakcji redoks, F to stała Faradaya, a Q to iloraz reakcji.
W przypadku ogniwa Daniella, E0 wynosi około 1.1 V.
Zastosowania i Wnioski
Pomimo tego, że ogniwo Daniella nie jest już powszechnie używane w praktyce z powodu swojego niskiego napięcia i problemów z utrzymaniem stałego strumienia prądu, jest ono nadal istotne z punktu widzenia edukacyjnego. Jest często wykorzystywane do nauki o elektrochemii i reakcjach redoks, dając studentom możliwość bezpośredniego obserwowania tych zjawisk.
Podsumowanie
Ogniwo Daniella to kluczowy element w historii rozwoju chemii i elektrochemii. Składa się z dwóch półogniw i solnego mostu, a jego działanie opiera się na procesie redoks, który jest fundamentalnym zjawiskiem w chemii. Mimo swojej prostoty, jest to skomplikowany układ, który ilustruje wiele ważnych koncepcji i zasady chemii. Wielu studentów na całym świecie nadal uczy się na podstawie tego ogniwa, co świadczy o jego trwałym znaczeniu.