La celda de Daniell es un tipo de celda electroquímica inventada en 1836 por John Frederic Daniell , químico y meteorólogo británico , y consiste en una olla de cobre llena de una solución de sulfato de cobre (II) , en la que se sumerge un recipiente de barro sin vidriar lleno de sulfúrico. ácido y un electrodo de zinc. Estaba buscando una manera de eliminar el problema de las burbujas de hidrógeno que se encuentran en la pila voltaica , y su solución fue utilizar un segundo electrolito para consumir el hidrógeno producido por el primero. Se puede sustituir el ácido sulfúrico por sulfato de zinc . La celda Daniell supuso una gran mejora con respecto a la tecnología existente utilizada en los primeros días del desarrollo de baterías . Una variante posterior de la celda de Daniell llamada celda de gravedad o celda de pata de gallo fue inventada en la década de 1860 por un francés llamado Callaud y se convirtió en una opción popular para la telegrafía eléctrica .
La celda de Daniell es también la base histórica para la definición contemporánea del voltio , que es la unidad de fuerza electromotriz en el Sistema Internacional de Unidades . Las definiciones de unidades eléctricas que se propusieron en la Conferencia Internacional de Electricistas de 1881 se diseñaron de modo que la fuerza electromotriz de la celda Daniell fuera de aproximadamente 1,0 voltios. [1] [2] Con las definiciones contemporáneas, el potencial estándar de la celda Daniell a 25 °C es en realidad 1,10 V. [3]
En la celda Daniell, los electrodos de cobre y zinc se sumergen en una solución de sulfato de cobre (II) y sulfato de zinc , respectivamente.
En el ánodo (electrodo negativo), el zinc se oxida según la siguiente media reacción:
En el cátodo (electrodo positivo), el cobre se reduce según la siguiente reacción:
Tenga en cuenta que los iones de cobre cargados positivamente se mueven hacia el electrodo positivo, impulsados por una reducción de la energía química.
La reacción total es:
Estos procesos dan como resultado la acumulación de cobre sólido en el cátodo y la corrosión del electrodo de zinc en la solución como cationes de zinc.
En las demostraciones en el aula, a menudo se utiliza una forma de celda de Daniell conocida como dos medias celdas debido a su simplicidad. Cada una de las dos medias celdas soporta la mitad de las reacciones descritas anteriormente. Un cable y una bombilla pueden conectar los dos electrodos. El exceso de electrones producido por la oxidación del zinc metálico es "empujado" fuera del ánodo, que por lo tanto es el electrodo negativo, viaja a través del cable y es "jalado" hacia el cátodo de cobre, donde son consumidos por la reducción de iones de cobre. Esto proporciona una corriente eléctrica que ilumina la bombilla.
Dado que ninguna de las medias reacciones ocurrirá independientemente de la otra, las dos medias celdas deben estar conectadas de manera que permita que los iones se muevan libremente entre ellas. Se puede utilizar una barrera porosa o un disco cerámico para separar las dos soluciones permitiendo al mismo tiempo el flujo de iones sulfato. Cuando las medias celdas se colocan en dos contenedores completamente diferentes y separados, a menudo se usa un puente salino para conectar las dos celdas. El puente salino normalmente contiene una alta concentración de nitrato de potasio (una sal que no interferirá químicamente con la reacción en ninguna de las medias celdas). En la celda húmeda anterior, durante la descarga, los aniones de nitrato en el puente salino se mueven hacia la media celda de zinc para equilibrar el aumento de Zn.2+
iones. Al mismo tiempo, los iones de potasio del puente salino se mueven hacia la media celda de cobre para reemplazar el Cu.2+
Los iones se precipitan sobre el electrodo de cobre.
Si la celda está conectada a una fuente potencial (por ejemplo, un cargador de batería) de modo que la diferencia de potencial de la fuente sea ligeramente mayor que la fem de la celda (1,1 V), entonces el flujo de corriente podría invertirse y la reacción sería:
o,
Por lo tanto, la celda de Daniell es reversible si la corriente extraída (o alimentada) de ella es pequeña. La celda Daniell se puede utilizar para "generar" electricidad, consumiendo un electrodo o para almacenar electricidad.
Daniell construyó su celda por primera vez en 1836. [6] Su diseño original consistía en un cilindro de cobre de 3,5 pulgadas de diámetro. Un disco de cobre perforado con numerosos agujeros se colocó a través del cilindro empotrado desde la parte superior. Un tubo de garganta de buey colgaba de un gran agujero en el centro del disco de cobre perforado. Una varilla de zinc de 0,5 pulgadas de diámetro colgaba dentro de este tubo de garganta de buey suspendido de soportes de madera. El recipiente de cobre se llenó con una solución de ácido sulfúrico saturada con sulfato de cobre hasta por encima del nivel del disco perforado. El tubo de garganta de buey se llenó con una solución de ácido sulfúrico. Se apilaron cristales de sulfato de cobre sobre el disco de cobre perforado para mantener la solución saturada. La garganta de buey actúa como una membrana porosa que permite el paso de iones. Daniell afirma que se puede utilizar un tubo de barro poroso en lugar de la garganta de buey para mayor facilidad práctica, pero esta disposición producirá menos energía. Otra sugerencia hecha por Daniell para mejorar la celda fue reemplazar el cobre con platino y el sulfato de cobre con cloruro de platino , pero comenta que "tal disposición sería perfecta, pero demasiado costosa para aplicaciones ordinarias". [7] Es la forma de recipiente poroso de la celda la que llegó a ser ampliamente utilizada en telegrafía.
La celda de recipiente poroso consta de un ánodo central de zinc sumergido en un recipiente de barro poroso que contiene una solución de sulfato de zinc. El recipiente poroso, a su vez, se sumerge en una solución de sulfato de cobre contenida en una lata de cobre, [ es necesario aclarar ] que actúa como cátodo de la celda. El uso de una barrera porosa permite el paso de los iones pero evita que las soluciones se mezclen. Sin esta barrera, cuando no se consume corriente, los iones de cobre se desplazarán hacia el ánodo de zinc y se reducirán sin producir corriente, lo que acortará la vida útil de la batería. [8] La sustitución del ácido sulfúrico por sulfato de zinc fue una innovación de JF Fuller en 1853. Prolonga la vida útil de la celda. [9]
Con el tiempo, la acumulación de cobre bloqueará los poros de la barrera de barro y acortará la vida útil de la batería. Sin embargo, la celda Daniell proporciona una corriente más larga y confiable que la pila voltaica porque el electrolito depositó cobre, que es un conductor , en lugar de hidrógeno, que es un aislante , en el cátodo. También es más seguro y menos corrosivo. Con un voltaje de funcionamiento de aproximadamente 1,1 voltios, tuvo un uso generalizado en las redes telegráficas hasta que fue suplantada por la celda de Leclanché a finales de la década de 1860. [10]
En algún momento durante la década de 1860, un francés llamado Callaud inventó una variante de la celda Daniell que prescindía de la barrera porosa. [10] En cambio, una capa de sulfato de zinc se coloca encima de una capa de sulfato de cobre, los dos líquidos se mantienen separados por sus diferentes densidades, a menudo con una capa de aceite agregada encima para evitar la evaporación. Esto reduce la resistencia interna del sistema y, por lo tanto, la batería produce una corriente más fuerte.
Esta variante, llamada celda de gravedad, consiste en un frasco de vidrio en el que hay un cátodo de cobre en el fondo y un ánodo de zinc suspendido debajo del borde en la capa de sulfato de zinc. Se esparcen cristales de sulfato de cobre alrededor del cátodo y luego se llena el frasco con agua destilada. A medida que pasa la corriente, se forma una capa de solución de sulfato de zinc en la parte superior alrededor del ánodo. Esta capa superior se mantiene separada de la capa inferior de sulfato de cobre por su menor densidad y por la polaridad de la celda. Una desventaja de la celda de gravedad es que se debe extraer corriente continuamente para evitar que las dos soluciones se mezclen por difusión, por lo que no es adecuada para uso intermitente. Además, era vulnerable a la pérdida de integridad si se consumía demasiada corriente eléctrica , lo que también provoca que las capas se mezclen.
A veces llamada celda de pata de gallo debido a la forma distintiva de los electrodos, esta disposición es menos costosa para baterías multiceldas grandes y rápidamente se convirtió en la batería elegida por las redes telegráficas estadounidenses y británicas. Incluso después de que la mayoría de las líneas telegráficas comenzaran a funcionar con motogeneradores, la batería de gravedad continuó utilizándose en las estaciones de paso para alimentar el circuito local al menos hasta la década de 1950. [11] En la industria del telégrafo, esta batería a menudo era ensamblada en el sitio por los propios trabajadores del telégrafo, y cuando se agotaba podía renovarse reemplazando los componentes consumidos. [12] La capa de sulfato de zinc es incolora en contraste con la capa de sulfato de cobre de color azul intenso, lo que permite al técnico determinar la duración de la batería de un vistazo. Por otro lado, esta configuración significa que la batería sólo se puede utilizar en un aparato estacionario, de lo contrario las soluciones se mezclarían o se derramarían.
Una variante de la célula de Daniell fue inventada en 1837 por el médico del hospital Guy, Golding Bird , que utilizó una barrera de yeso de París para mantener las soluciones separadas. Los experimentos de Bird con esta celda fueron de cierta importancia para la nueva disciplina de la electrometalurgia , pero el propio Bird no se dedicó a este campo; su interés estaba en la electroterapia . Un resultado sorprendente de los experimentos de Bird fue la deposición de cobre sobre el yeso poroso y en las venas que lo atraviesan sin ningún contacto con los electrodos metálicos. De hecho, fue tan sorprendente que al principio los investigadores electroquímicos, incluido Michael Faraday , no lo creyeron . El propio Bird tuvo que examinar cuidadosamente su aparato en busca de contactos inadvertidos, tal vez a través del crecimiento de "bigotes" de cobre, antes de estar convencido del resultado. La deposición de cobre y otros metales se había observado anteriormente, pero siempre antes había sido metal sobre electrodo metálico. [13] [14]
John Dancer , un fabricante de instrumentos de Liverpool, fue en 1838 el primero en aprovechar comercialmente las características únicas de la celda Daniell para el revestimiento de cobre. En un proceso conocido ahora como electrotipado , descubrió que podía fabricar objetos con cualquier forma deseada utilizando la barrera porosa como molde. Muchos otros, sin embargo, habían hecho el mismo descubrimiento y en una disputa de patente con Thomas Spencer se señaló que Bird tenía prioridad sobre el principio. El mérito de la invención de la electrotipificación suele atribuirse al ruso Moritz von Jacobi . [13]
