Grundlegende Bauweise und Funktion der Voltaischen Zelle

Eine einfache Voltaische Zelle wird hergestellt, indem eine Zink- und eine Kupferplatte in eine wässrige Schwefelsäurelösung getaucht werden. Wie in der Abbildung gezeigt, fließt, wenn die Kupfer- und Zinkplatte extern über einen elektrischen Lastwiderstand verbunden sind, ein elektrischer Strom von der Kupferplatte zur Zinkplatte durch den Widerstand. Das bedeutet, dass es einen gewissen elektrischen Spannungsunterschied zwischen der Kupfer- und der Zinkplatte gibt. Da der Strom von Kupfer zu Zink fließt, ist offensichtlich, dass die Kupferplatte positiv geladen und die Zinkplatte negativ geladen wird.

Funktionsweise der Voltaischen Zelle

Das Funktionsprinzip der Voltaischen Zelle basiert darauf, dass, wenn zwei verschiedene Metalle in einer Elektrolytlösung eingetaucht werden, das reaktivere Metall eine Tendenz hat, sich in der Elektrolytlösung als positive Metallionen aufzulösen und dabei Elektronen auf der Metallplatte zurückzulassen. Dieses Phänomen macht die Platte des reaktiveren Metalls negativ geladen.

Das weniger reaktive Metall zieht positive Ionen aus der Elektrolytlösung an, und diese Ionen werden auf der Platte abgelagert, was die Platte positiv lädt. In diesem Fall der einfachen Voltaischen Zelle löst sich das Zink in der Schwefelsäurelösung als positive Ionen auf und reagiert mit den negativen SO4 − −-Ionen der Lösung und bildet Zinksulfat (ZnSO4). Da Kupfer das weniger reaktive Metall ist, haben die positiven Wasserstoffionen der Schwefelsäurelösung die Tendenz, sich auf der Kupferplatte abzulagern. Je mehr Zinkionen in die Lösung gelangen, desto mehr Elektronen bleiben auf der Zinkplatte. Diese Elektronen passieren dann den externen Leiter, der zwischen den Zink- und Kupferplatten angeordnet ist.

Wenn sie die Kupferplatte erreichen, kombinieren diese Elektronen dann mit den auf der Platte abgelagerten Wasserstoffatomen und bilden neutrale Wasserstoffatome. Diese Atome kombinieren dann paarweise, um Moleküle von Wasserstoffgas zu bilden, das schließlich in Form von Wasserstoffblasen entlang der Kupferplatte nach oben steigt. Die chemische Reaktion, die innerhalb der Voltaischen Zelle stattfindet, lautet wie folgt,

Allerdings hält diese Reaktion an, wenn das Kontaktpotential zwischen Zn und verdünnter Schwefelsäure den Wert von 0,62 Volt erreicht. Während des Betriebs einer Voltaischen Zelle ist die Zinkplatte im Vergleich zum Lösungsfilm neben ihr, wie in der unten stehenden Abbildung dargestellt, bei einem niedrigeren Potential.

Ähnlich, wenn die Kupferplatte in Kontakt mit dem Elektrolyt kommt, haben die positiven Wasserstoffionen in der Lösung die Tendenz, sich darauf abzulagern, bis ihr Potential etwa 0,46 V über jener Lösung ansteigt. Daher beträgt der elektrische Spannungsunterschied in einer Voltaischen Zelle 0,62 − (− 0,46) = 1,08 Volt.

In einer einfachen Voltaischen Zelle gibt es hauptsächlich zwei Nachteile, die als Polarisation und lokale Aktion bezeichnet werden.

Polarisation der Voltaischen Zelle

Es wird beobachtet, dass in dieser Zelle der Strom allmählich abnimmt und nach einer bestimmten Betriebszeit der Strom möglicherweise ganz aufhört. Diese Abnahme des Stroms ist auf die Ablagerung von Wasserstoff auf der Kupferplatte zurückzuführen. Obwohl der Wasserstoff in Form von Blasen aus der Zelle entweicht, bildet sich dennoch eine dünne Schicht von Wasserstoff auf der Oberfläche der Platte. Diese Schicht wirkt als elektrische Isolation, wodurch der interne Widerstand der Zelle erhöht wird. Aufgrund dieser isolierenden Schicht können weitere Wasserstoffionen keine Elektronen von der Kupferplatte erhalten und werden in Ionform abgelagert. Diese Schicht von positiven Wasserstoffionen auf der Kupferplatte übt eine abstoßende Kraft auf andere Wasserstoffionen aus, die sich der Kupferplatte nähern. Daher nimmt der Strom ab. Dieses Phänomen wird als Polarisation bezeichnet.

Lokale Aktion der Voltaischen Zelle

Es wurde festgestellt, dass selbst, wenn die Voltaische Zelle keinen Strom liefert, Zink kontinuierlich in der Elektrolytlösung aufgelöst wird. Dies ist darauf zurückzuführen, dass Spuren von Verunreinigungen wie Eisen und Blei im kommerziellen Zink kleine lokale Zellen bilden, die durch den Hauptkörper des Zinks kurzgeschlossen werden. Die Aktivität dieser parasitären Zellen kann nicht gesteuert werden, sodass es zu einem Verlust von Zink kommt. Dieses Phänomen wird als lokale Aktion bezeichnet.

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