Podstawowa konstrukcja i działanie ogniwka Wolta

Prosta komórka voltaiczna jest tworzona przez zanurzenie płytki cynkowej i miedzianej w roztwór kwasu siarkowego rozcieńczonych wodą. Jak pokazano na rysunku, jeśli płytki miedziana i cynkowa są zewnętrznie połączone z obciążeniem elektrycznym, to prąd elektryczny zaczyna płynąć od płytki miedzianej do płytki cynkowej przez obciążenie. Oznacza to, że między płytą miedzianą a płytą cynkową powstaje pewne różnica potencjałów elektrycznych. Ponieważ prąd płynie od miedzi do cynku, jest oczywiste, że płyta miedziana staje się dodatnio naładowana, a płyta cynkowa ujemnie naładowana.

Działanie komórki voltaicznej

Zasada działania komórki voltaicznej opiera się na zasadzie, że za każdym razem, gdy dwa różne metale są zanurzone w roztworze elektrolitu, bardziej reaktywny metal będzie miał tendencję do rozpuszczania się w elektrolicie jako dodatnie jony metalu, pozostawiając elektrony na płycie metalowej. To zjawisko sprawia, że bardziej reaktywna płyta metalowa staje się ujemnie naładowana.

Mniej reaktywny metal przyciągnie dodatnie jony obecne w elektrolicie, które następnie osadzą się na płytkach, czyniąc je dodatnio naładowanymi. W tym przypadku prostej komórki voltaicznej, cynk wychodzi do roztworu kwasu siarkowego jako dodatni jon, a następnie reaguje z ujemnymi jonami SO4 − − roztworu, tworząc siarczan cynku (ZnSO4). Ponieważ miedź jest mniej reaktywnym metalem, dodatnie jony wodoru w roztworze kwasu siarkowego mają tendencję do osadzania się na płycie miedzianej. Więcej jonów cynku wychodzących do roztworu oznacza większą liczbę elektronów pozostających na płycie cynkowej. Te elektrony następnie przepływają przez zewnętrzny przewodnik połączony między płytami cynkową i miedzianą.

Dotarłszy do płytki miedzianej, te elektrony łączą się z atomami wodoru osadzonymi na płytki, tworząc neutralne atomy wodoru. Te atomy łączą się parami, tworząc cząsteczki gazu wodorku, które w końcu wypływają wzdłuż płytki miedzianej w postaci bąbelków wodoru. Reakcja chemiczna zachodząca w komórce voltaicznej wygląda następująco,

Jednak ta reakcja ustaje, gdy potencjał kontaktowy między Zn a rozcieńczonym kwasem siarkowym osiągnie wartość 0,62 V. Podczas działania komórki voltaicznej, płyta cynkowa jest w niższym potencjale względem filmu roztworu przy niej, jak pokazano na poniższym rysunku.

Podobnie, gdy płyta Cu jest umieszczona w kontakcie z elektrolitem, to dodatnie jony wodoru w roztworze mają tendencję do osadzania się na niej, dopóki jej potencjał nie wzrośnie prawie do 0,46 V ponad ten roztwór. Stąd różnica potencjałów elektrycznych wytworzona w komórce voltaicznej wynosi 0,62 − (− 0,46) = 1,08 V.

W prostej komórce voltaicznej występują głównie dwie wady, nazywane polaryzacją i działaniem lokalnym.

Polaryzacja komórki voltaicznej

Obserwuje się, że w tej komórce, prąd stopniowo maleje, a po pewnym czasie działania, może całkowicie zaniknąć. Spadek prądu jest spowodowany osadzaniem się wodoru na płycie miedzianej. Chociaż wodór wychodzi z komórki w postaci bąbelków, nadal tworzy cienką warstwę na powierzchni płytki. Ta warstwa działa jako izolacja elektryczna, co zwiększa wewnętrzną oporność komórki. Ze względu na tę warstwę izolacyjną, dalsze jony wodoru nie mogą uzyskać elektronów z płytki miedzianej i osadzić się w formie jonów. Warstwa dodatnich jonów wodoru na płycie miedzianej wywiera siłę odpychającą na inne jony wodoru, które zbliżają się do płytki miedzianej. Dlatego prąd maleje. To zjawisko nazywane jest polaryzacją.

Działanie lokalne komórki voltaicznej

Stwierdzono, że nawet gdy komórka voltaiczna nie dostarcza prądu, cynk ciągle rozpuszcza się w elektrolicie. Jest to spowodowane faktem, że niektóre śladowe domieszki, takie jak żelazo i ołów w komercyjnym cynku, tworzą małe lokalne komórki, które są skrócone przez główne ciało cynku. Działanie tych pasożytniczych komórek nie może być kontrolowane, co prowadzi do pewnego zużycia cynku. To zjawisko nazywane jest działaniem lokalnym.

Oświadczenie: Szanuj oryginał, dobre artykuły są warte udostępnienia, w przypadku naruszenia praw autorskich prosimy o kontakt w celu usunięcia.