Dari Volta hingga Gassner, atau Sumber Semasa Kimia pada abad ke-19

Dari Volta hingga Gassner, atau Sumber Semasa Kimia pada abad ke-19

Ilya Leenson
"Kimia dan Kehidupan" №1, 2017

Langkah pertama: Galvani dan Volta

Sehingga akhir abad ke-18, ahli fizik yang mengkaji fenomena elektrik hanya mempunyai sumber tenaga elektrik statik di dalam pelupusan mereka – kepingan ambar, bebola sulfur, elektroda, balang leyden. Banyak saintis bereksperimen dengan mereka, bermula dengan ahli fizik dan doktor Inggeris William Gilbert (1544-1603). Dengan sumber-sumber sedemikian, ia mungkin untuk menemui, contohnya, undang-undang Coulomb (1785), tetapi undang-undang Ohm (1826) tidak dapat dijumpai, apatah lagi undang-undang Faraday (1833). Kerana beban statik yang terkumpul adalah kecil dan tidak dapat memberikan masa yang terkini sekurang-kurangnya beberapa saat.

Luigi Galvani dan penerima "gelombang radio"

Keadaan itu berubah selepas kerja Luigi Galvani, profesor perubatan di Universiti Bologna (1737-1798), yang menemui, ketika ia percaya, "elektrik hewan". Rancangannya yang terkenal dipanggil "Pada tenaga elektrik dalam pergerakan otot." Dalam beberapa eksperimen Galvani berlaku yang pertama di dunia penerimaan gelombang radio. Penjana adalah percikan mesin electrophore, antena penerima adalah pisau bedah di tangan Galvani, dan penerima adalah kaki katak.Penolong Galvani melakukan eksperimen dengan mesin elektrik pada jarak jauh dari katak yang disediakan. Pada masa yang sama, isteri Galvani, Lucia menyedari bahawa kaki katak berkontraksi pada ketika itu apabila percikan melompat di dalam kereta, supaya peranan kedua-dua peluang dan pemerhatian dapat dilihat.

Ahli fizik Itali Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta (1745-1827) menjadi berminat dengan eksperimen Galvani. Beliau telah menjadi saintis terkenal: pada tahun 1775, beliau telah menghasilkan elektroforik resin, iaitu bahan elektrometrik, pada tahun 1781, sebuah elektroskop sensitif, dan kemudian, sebuah kapasitor, elektrometer, dan peranti lain. Pada tahun 1776, beliau juga mendapati kekonduksian elektrik api, dan pada tahun 1778, untuk pertama kalinya, beliau menerima metana tulen dari gas yang dikumpulkannya di rawa-rawa dan menunjukkan keupayaan untuk menyalakannya dari percikan elektrik. Volta pada mulanya merupakan penyokong kuat teori "elektrik haiwan" Galvani. Tetapi pengulangan sendiri eksperimennya meyakinkan Volta bahawa eksperimen Galvani harus dijelaskan sepenuhnya berbeza: kaki katak bukan sumber, tetapi hanya penerima elektrik. Sumbernya adalah logam yang berbeza yang saling menyentuh."Logam tidak hanya konduktor yang sangat baik," Volta menulis, "tetapi juga enjin elektrik."

Ini adalah satu pernyataan penting yang membolehkan kita membuat sel galvanik, bateri, bateri yang mengelilingi kita dari semua pihak dan semua kehidupan kita. Prinsip tindakan mereka ditetapkan dalam buku teks sekolah, dan lebih terperinci daripada yang diperlukan untuk selanjutnya. Inti adalah mudah: dalam medium pengawalan (elektrolit) terdapat dua konduktor yang berbeza (elektrod) yang memasuki reaksi-reaksi sedemikian dengannya bahawa mereka dikenakan caj yang bertentangan. Jika anda menyambung elektrod (anod dan katod) dengan konduktor luaran (beban), arus akan mengalir melaluinya.

Membantah Galvani, Volta mula menyingkirkan katak, menggantikannya dengan lidahnya sendiri. Sebagai contoh, dia meletakkan syiling emas atau perak di lidahnya, dan satu tembaga di bawah lidahnya. Sebaik sahaja kedua-dua duit syiling itu dihubungkan dengan sekeping wayar, rasa masam segera dirasakan di dalam mulut, biasa kepada semua orang yang mencuba kenalan bateri untuk lampu suluh. Kemudian Volta sepenuhnya mengecualikan haiwan itu dari eksperimen, hanya menggunakan instrumen dalam eksperimen.

Salah satu tiang voltan pertama

Satu langkah kekal sehingga penemuan sumber tenaga arus elektrik pertama yang pertama pada tahun 1800. Ini berlaku apabila Volta menyambungkan sepasang plat seng dan tembaga yang dipisahkan oleh pad kek atau kadbod, yang direndam dalam larutan alkali atau air asin. Pembinaan ini dipanggil oleh nama "ruang volt" pencipta. Reka bentuknya berat, cecair itu dikeluarkan dari gasket, jadi Volta menggantikannya dengan cawan dengan larutan asid ke mana jalur atau lingkaran zink dan tembaga (atau perak) dicelup. Cawan disambungkan secara bersiri, dan agar terminal bateri berada dekat, Volta menyusun elemen individu dalam bulatan. Reka bentuk ini dalam bentuknya dikenali sebagai "voltan mahkota".

Selepas penemuannya, Volta kehilangan minatnya dan menarik diri daripada kerja saintifik, meninggalkan saintis lain untuk membangunkan doktrin elektrik. Tetapi sumbangan Alessandro Volta kepada teori elektrik amat penting sehingga unit voltan diberi nama selepasnya. Dan ketika Napoleon melihat di perpustakaan Akademi Ilmu gambar sebuah lukisan laurel dengan tulisan "Great Voltaire", dia menghapus beberapa huruf, jadi ternyata: "Volta Besar."Lajur voltan dan varietasnya membolehkan para saintis banyak melakukan eksperimen dengan sumber arus langsung yang bertindak panjang. Ia adalah dari penemuan ini bahawa era elektrik bermula. Mungkin komen yang paling bersemangat mengenai penemuan Volta ditinggalkan oleh ahli biografinya, ahli fizik Perancis, Dominic Francois Arago (1786-1853): "Satu lajur yang terdiri daripada bulatan tembaga, zink, dan bulu kain basah. nampaknya tidak aktif, tiang ini logam yang berbeza, dipisahkan oleh sejumlah kecil cecair, membentuk peluru, lebih indah daripada manusia yang tidak pernah dicipta, bahkan termasuk teleskop dan enjin stim. "

"Bateri Paling Besar"

Volta bertindak dengan bijak dengan menghantar surat pada bulan Mac 1800 kepada Joseph Banks (1743-1820), presiden Royal Society of London, pusat saintifik terkemuka pada masa itu. Dalam surat itu, Volta menyifatkan pelbagai reka bentuk sumber elektriknya, yang, dalam ingatan Galvani, disebut elektroplating. Bank adalah ahli botani, jadi dia menunjukkan surat itu kepada ahli fizik dan ahli kimianya William Nicholson (1753-1815) dan kepada doktor dan ahli kimia, Presiden Royal College of Surgeons Anthony Carlyle (1768-1842).Dan pada bulan April, menurut keterangan Volta, mereka membuat bateri sebanyak 17, dan kemudian daripada 36 siri bersambung siri seri dan syiling setengah mahkota, yang kemudiannya dibuat dari 925 perak. Pad karton yang direndam dalam air garam diletakkan di antara mereka.

Semasa eksperimen, Nicholson menemui pelepasan buih-buih gas berhampiran sentuhan zink dan konduktor tembaga. Dia menentukan bahawa ia adalah hidrogen – dan oleh bau, kerana hidrogen yang diperolehi dengan melarutkan seng dalam asid atau alkali, selalunya mempunyai bau. Dalam zink, biasanya terdapat campuran arsenik, yang dikurangkan menjadi arsine, dan produk penguraiannya bau bawang putih. Pada September 1800, ahli fizik Jerman, Johann Ritter (1776-1810), mengumpul gas berevolusi semasa elektrolisis air dari elektrod bateri lain, menunjukkan bahawa ia adalah oksigen. Pada tahun yang sama, ahli kimia Inggeris William Crookshank (1745-1800) meletakkan plat zink dan tembaga dalam kotak panjang mendatar – ia mudah untuk menggantikan elektrod zink yang dibelanjakan (separuh dibubarkan dan dilapisi dengan reaksi). Apabila terbiar, elektrolit dari kotak disalirkan supaya tidak membuang seng. Sebagai elektrolit, Krukshenk menggunakan penyelesaian ammonium klorida dan kemudian dicairkan asid. Faraday mengesyorkan campuran penyelesaian yang lemah (1-2%) daripada asid sulfurik dan nitrik.Dengan elektrolit seperti itu, zink perlahan dibubarkan dengan pembebasan gelembung hidrogen kecil. Hidrogen juga dikeluarkan pada anod tembaga, dan EMF* satu sel bateri hanya 0.5 V.

Krukshenka bateri

Pembebasan hidrogen pada zink dikaitkan dengan polarisasi elektrod ini, yang meningkatkan rintangan dalaman dan menurunkan potensi unsur tersebut. Untuk mengelakkan fenomena ini, ahli fizik British dan jurutera elektrik William Sturgen (1783-1850), pencipta elektromagnet pertama, menyusun plat zink. Pada tahun 1840, doktor Inggeris, Alfred Smee (1818-1877) menggantikan elektrod tembaga dengan perak, ditutup dengan platinum kasar. Ini mempercepatkan pembebasan gelembung hidrogen daripada penyelesaian dan meningkatkan emf. Bateri sedemikian digunakan secara meluas dalam penyaduran. Oleh itu, dengan elektroformasi, patung-patung dibuat di Katedral St. Isaac di St Petersburg. Kaedah mendapatkan salinan elektrostatik dalam logam telah dibangunkan oleh ahli akademik Petersburg Moritz German (Boris Semenovich) Jacobi pada tahun 1838, tepat pada masanya untuk pembinaan katedral. Maklumat lanjut tentang teknik ini boleh didapati di laman web "Perpustakaan dengan buku-buku mengenai arca."

Wollaston bateri

Salah satu bateri terbaik pada waktunya dikumpulkan oleh doktor dan ahli kimia Inggeris yang terkenal William Hyde Wollaston (Wollaston, 1766-1828), yang terkenal dengan penemuan palladium dan rhodium, serta teknologi untuk pembuatan benang logam nipis yang digunakan dalam instrumen sensitif. Dalam setiap elemen, elektrod zink dikelilingi pada tiga sisi oleh satu tembaga dengan jurang kecil di mana gelembung hidrogen dilepaskan ke udara.

Ahli fizik Inggeris yang terkenal, Humphry Davy (1778-1829) pertama kali melakukan eksperimen dengan bateri yang disumbangkan kepadanya oleh Volta sendiri; Kemudian dia mula menghasilkan lebih banyak dan lebih kuat dari rekaannya sendiri – dari tembaga dan plat zink, dipisahkan oleh larutan amonia. Bateri pertamanya terdiri daripada 60 sel tersebut, tetapi selepas beberapa tahun dia telah memasang bateri yang sangat besar, sudah beribu-ribu sel. Dengan bantuan bateri ini, dia dapat buat kali pertama untuk mendapatkan logam seperti litium, natrium, kalium, kalsium dan barium, dan dalam bentuk amalgam – magnesium dan strontium.

Salah satu bateri terbesar dicipta pada 1802 oleh jurutera fizik dan elektrik Vasily Vladimirovich Petrov (1761-1834). "Bateri yang besar" dari 4,200 tembaga dan plat zink "satu setengah inci" bersaiz terletak di dalam kotak kayu sempit.Keseluruhan bateri terdiri daripada empat baris, masing-masing kira-kira 3 m panjang, dihubungkan dengan siri dengan kurungan tembaga. Secara teorinya, bateri seperti itu boleh menghasilkan voltan sehingga 2500 V, dan sebenarnya memberi kira-kira 1700. Bateri gergasi ini membolehkan Petrov menjalankan banyak eksperimen: ia menguraikan pelbagai bahan dengan elektrik, dan pada tahun 1803 untuk pertama kalinya di dunia ia menerima arka elektrik. Dengan bantuannya, ia mungkin mencairkan logam, menerangi dengan terang bilik-bilik besar. Walau bagaimanapun, penyelenggaraan bateri ini sangat memakan masa. Semasa eksperimen, plat telah teroksidasi, dan mereka perlu dibersihkan secara teratur. Dalam kes ini, seorang pekerja boleh membersihkan 40 piring dalam satu jam. Bekerja 8 jam sehari, pekerja ini sahaja akan menghabiskan sekurang-kurangnya dua minggu untuk menyediakan bateri untuk eksperimen berikut.

Mungkin sel bateri yang paling luar biasa dibuat oleh ahli kimia Jerman, Friedrich Wöhler (1800-1882). Pada tahun 1827, dengan pemanasan aluminium klorida dengan potassium, beliau menerima aluminium aluminium – dalam bentuk serbuk. Ia mengambil masa 18 tahun untuk mendapatkan aluminium dalam bentuk ingot. Dalam elemen Wöhler, kedua-dua elektrod diperbuat daripada aluminium! Dan satu telah direndam dalam asid nitrik, yang lain – dalam larutan natrium hidroksida.Kapal dengan jambatan garam yang berkaitan.

Daniel, Leclanche dan lain-lain

Unsur Daniel

Asas elemen elektroplating moden dibangun pada 1836 oleh John Frederick Daniel (1790-1845), ahli fizik, ahli kimia dan ahli meteorologi Inggeris (dia juga mencipta meter kelembapan – hygrometer). Daniel berjaya mengatasi polarisasi elektrod. Dalam elemen pertama dalam sebuah kapal tembaga dengan larutan tembaga sulfat dimasukkan sepotong esophagus lembu, dipenuhi dengan asid sulfurik cair dengan batang zink di tengah. Faraday mencadangkan untuk mengasingkan kertas pembungkusan zink, pori-pori yang juga boleh melepasi ion elektrolit. Tetapi Daniel mula menggunakan bekas tanah berliang sebagai diafragma. Perhatikan bahawa pada tahun 1829 Antoine César Becquerel (1788-1878), kakek seorang Antoine Henri Becquerel yang lebih terkenal, yang menemui radioaktiviti dan berkongsi dengan pasangan Curie pada tahun 1903, bereksperimen dengan elektrod tembaga dan zink yang direndam dalam penyelesaian tembaga nitrat dan zink sulfat. Hadiah Nobel dalam Fizik. Unsur dari Daniel untuk sekian lama memberikan voltan stabil 1.1 V. Untuk penciptaan ini, Daniel dianugerahi pingat tertinggi Royal Society – piala emas Kopli.Sepanjang 180 tahun yang lalu, banyak pengubahsuaian unsur ini telah muncul; manakala pemaju mereka telah cuba cara yang berbeza untuk menyingkirkan kapal berpori.

Dengan kemunculan talian telegraf, keperluan timbul untuk sumber kuasa yang lebih mudah dan murah, tanpa sekatan berpori, dengan satu elektrolit dan dengan hayat perkhidmatan yang panjang. Pada tahun 1872, unsur Daniel menggantikan elemen normal Josai Latimer Clark (1822-1898): elektrod positif adalah merkuri, satu negatif adalah 10% zinc amalgam, EMF adalah 1.43 V. Dan pada tahun 1892 ia digantikan oleh unsur merkuri-kadmium Edward Weston (1850-1936) dengan daya elektromotip dari 1.35 V. Pengubahsuaiannya, yang dipanggil elemen normal Weston, masih digunakan sebagai standard voltan – pada beban rendah ia memberikan voltan yang sangat stabil dalam julat 1.01850-1.01870 V, diketahui dengan ketepatan kepada tanda kelima.

Salah satu varian elemen Daniel, di mana tidak ada partisi berpori, dibangun pada tahun 1859 oleh pakar fizik Jerman dan pencipta Heinrich Meidinger (1831-1905). Di bahagian bawah kapal terdapat elektrod tembaga dan kristal sulfat tembaga (mereka datang dari corong), elektrod zink tetap di atas. Larutan tepu tembaga sulfat kekal di bahagian bawah: penyebaran ion kuprum ke elektrod zink mengatasi pelepasan ion-ion ini semasa operasi unsur,dan sempadan antara penyelesaian menonjol sangat tajam. Oleh itu nama sumber jenis ini – unsur graviti. Unsur Maidinger tanpa penyelenggaraan dan penambahan reagen boleh terus bekerja selama beberapa bulan. Unsur ini digunakan secara meluas di Jerman dari 1859 hingga 1916 sebagai sumber kuasa untuk rangkaian telegraf keretapi. Sumber-sumber yang sama wujud di Perancis dan di Amerika Syarikat – di bawah nama unsur Callot dan Lockwood. Unsur yang dicadangkan pada tahun 1839 oleh ahli fizik dan ahli kimia Inggeris William Robert Grove (1811-1896) memiliki ciri-ciri yang baik. Zink dan platinum berkhidmat sebagai elektrod di dalamnya, dipisahkan oleh septum berliang dan direndam, masing-masing, dalam penyelesaian asid sulfurik dan nitrik.

Robert Wilhelm Bunsen (1811-1899), yang terkenal dengan penemuan dan penemuannya (analisis spektrum, pembakar, dan sebagainya), menggantikan elektrod platina yang mahal dengan karbon yang ditekan. Elektrod arang batu juga terdapat di dalam bateri moden, tetapi di Bunsen mereka direndam dalam asid nitrik, yang memainkan peranan sebagai depolarizer (mereka sekarang mangan dioksida). Unsur-unsur Bunsen telah lama digunakan secara meluas di makmal.Mereka boleh memberikan, walaupun tidak lama, arus besar. Unsur-unsur Bunsen, misalnya, menggunakan Charles Martin Hall muda (1863-1914), yang menemui kaedah elektrolitik menghasilkan aluminium. Ramai elemen ini telah disambungkan ke bateri; pada masa yang sama, hampir 16 g zink dibelanjakan untuk 1 g aluminium yang diekstrak! Ahli kimia Perancis dan pencipta Edm Hippolyte Marie-Devi (1820-1893) menggantikan asid nitrik dalam unsur Bunsen dengan pes asid merkuri (I) sulfat dan asid sulfurik; elektrolit adalah larutan zink sulfat. Pada tahun 1859, bateri sebanyak 38 elemen ini (1.4 V setiap satu) dibandingkan dengan bateri sebanyak 60 elemen Daniel. Yang pertama bekerja selama 23 minggu, yang kedua – hanya 11. Bagaimanapun, kos tinggi dan ketoksikan garam merkuri menghalang pengedaran luas unsur-unsur tersebut.

Unsur Poggendorf

Fizik Jerman Johann Christian Poggendorf (1796-1877) menggunakan penyelesaian kalium dikromat dalam asid sulfurik sebagai depolarizer dalam unsurnya. Poggendorf dikenali sebagai penerbit majalah. Annalen der Physik und Chemie – dia memegang jawatan ini selama 36 tahun. Unsur Poggendorf memberikan EMF terbesar (2.1 V) dan pendek – arus besar. Satu kelebihan penting ialah keupayaan untuk mengeluarkan elektrod seng dari penyelesaian untuk membersihkan atau menggantinya.

Warren de la Rue (1815-1889), yang pertama kali menerima gambar-gambar Bulan dan Matahari, pada tahun 1868 memasang bateri yang besar sebanyak 14 ribu unsur. Di dalamnya, perak bersalut dengan klorida perak dan zink tergabung sebagai elektrod, dan larutan natrium klorida, zink klorida, atau kalium hidroksida digunakan sebagai elektrolit. Unsur klorida seng-perak masih digunakan; Mereka disimpan dalam bentuk kering dan diaktifkan dengan mengisi air segar atau laut, selepas itu unsur itu dapat berfungsi sehingga 10 bulan. Unsur-unsur tersebut boleh menggunakan mangsa kemalangan air. Dalam elemen yang lebih murah, tetapi kurang berkuasa, elektrod Cu / CuCl digunakan.

Element Leclanche

Salah satu sumber kimia paling terkenal semasa ialah unsur mangan-seng, yang digambarkan pada tahun 1868 oleh ahli kimia Perancis Georges Leclanche (1839-1882) dan dibangunkan olehnya beberapa tahun sebelumnya. Dalam elemen ini, elektrod karbon dikelilingi oleh depolarizer mangan dioksida, dicampur untuk kekonduksian elektrik yang lebih baik dengan serbuk arang batu. Untuk menghalang campuran daripada berselerak ketika menuangkan elektrolit (larutan amonium klorida), ia diletakkan di dalam bekas berliang bersama dengan anod. Element Leclanche berkhidmat untuk masa yang lama, tidak memerlukan penjagaan dan dapat memberikan arus yang cukup besar.Cuba untuk menjadikannya lebih mudah, Leclanche memutuskan untuk menebal elektrolit dengan pes. Ini merevolusikan keadaan: unsur-unsur Leclanchet tidak lagi takut tipping secara tidak sengaja, mereka boleh digunakan dalam sebarang kedudukan. Penciptaan Leclanche segera memperoleh kejayaan komersil, dan pencipta, setelah meninggalkan profesi utamanya, membuka sebuah pabrik untuk menghasilkan unsur-unsur. Unsur mangan-zink Leclanche adalah murah dan dihasilkan dalam kuantiti yang banyak. Walau bagaimanapun, memanggil mereka "kering" tidak cukup betul: elektrolit di dalamnya adalah "separa cecair", dan dalam sel kering sebenar ia mestilah pepejal. Leclanche meninggal dunia pada usia 43 tahun, sebelum penciptaan unsur-unsur tersebut.

Dzamboniyev Post (di sebelah kiri dandi tengah) dan panggilan kekal dari Oxford (di sebelah kanan)

Dari 1802 hingga 1812, beberapa bateri kering telah direka, yang paling terkenal ialah zamboniyev yang dipanggil, atau tiang dzamboniyev (lihat Kimia dan Kehidupan, No. 6, 2007). Ahli fizik dan paderi Itali Giuseppe Zamboni (1776-1846) pada tahun 1812 memasang lajur beberapa ratus lingkaran kertas, di sebelahnya adalah lapisan zink yang tipis, dan yang lain campuran campuran mangan dan dioksida.Elektrolit adalah kelembapan kertas. Tiang sedemikian memberikan voltan tinggi, tetapi hanya arus yang sangat kecil. Ia adalah pilar Zamboni yang telah membolehkan hampir dua abad untuk jingle cawan dalam loceng di makmal Clarendon di Oxford. Walau bagaimanapun, untuk tujuan praktikal, bateri ini tidak sesuai.

Unsur garam lama dan moden

Sel galvanik kering pertama yang boleh dipraktikkan dipatenkan pada tahun 1886 oleh jurutera Jerman Karl Gassner (1855-1942). Reaksi kimia yang berlaku di dalamnya adalah sama dengan pembinaan sebelumnya: Zn + 2MnO2 + 2NH4Cl → 2MnO (OH) + [Zn (NH3)2Cl2. Dalam kes ini, elektrod zink serentak berfungsi sebagai bekas luar. Elektrolit adalah campuran tepung dan gipsum, larutan ammonium klorida dan zink diserap ke atasnya (gipsum kemudian digantikan dengan kanji). Penambahan zink klorida ke elektrolit dapat mengurangkan hakisan elektrod zink dan memperluaskan kehidupan rak elemen. Batang karbon, yang mengelilingi jisim mangan dioksida dan karbon hitam dalam beg kertas, berfungsi sebagai elektrod positif. Elemen teratas dimeterai dengan bitumen. Kapasiti unsur-unsur ini dikompensasikan dengan saiz mereka.Unsur garam Gassner secara umumnya selamat hingga sekarang dan dihasilkan dalam jumlah berbilion-bilion buah dalam setahun. Tetapi pada abad ke-20, unsur alkali, yang kadang-kadang tersilap disebut "alkali", membentuk persaingan untuk mereka;

Sebagai kesimpulan, kita perhatikan bahawa bateri galvanik reka bentuk tertentu adalah sumber utama elektrik, sehingga penciptaan dinamo.


* Kuasa elektromotif. – "Elemen".


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: