Voltasche Säule

Schematischer Aufbau einer Volta’schen Säule

Die Volta’sche Säule oder auch Voltasäule ist eine von Alessandro Volta 1799/1800 entwickelte und im Jahr 1800 an der Royal Society in London der Öffentlichkeit vorgestellte Anordnung, die als Vorläuferin heutiger Batterien im 19. Jahrhundert eine große Bedeutung als Stromquelle hatte. Sie besteht aus vielen übereinander geschichteten Kupfer- und Zinkplättchen, zwischen denen sich in bestimmter regelmäßiger Folge elektrolytgetränkte Papp- oder Lederstücke befinden. Statt Kupfer wurde auch Silber und statt Zink auch Zinn verwendet.

Ein einzelnes Element der Volta’schen Säule wird Voltaelement genannt. Es besteht beispielsweise aus einer Kupferfolie, einer Elektrolytschicht und einer Zinkfolie. Es liefert nur eine geringe Spannung, weshalb in der Säule viele solcher Elemente übereinander gestapelt sind. Dabei ergibt sich die Stapelfolge Kupfer, Elektrolyt, Zink, Kupfer, Elektrolyt und wieder Zink, d. h., Kupfer und Zink wechseln sich ab und der Elektrolyt befindet sich in diesem Beispiel immer zwischen Kupfer (unten) und Zink (oben).

Bedeutung

Volta’sche Säule

Datei:Die Erfindung der Batterie.webm Die Volta’sche Säule kann als eine der bedeutendsten Erfindungen eingestuft werden, da sie als erste brauchbare kontinuierliche Stromquelle die Erforschung der Elektrizität ermöglichte – lange vor der Erfindung des elektrischen Generators. Damit hat die Volta’sche Säule sowohl der Elektrotechnik als auch der Elektronik und vielen weiteren technischen Bereichen, beispielsweise der Galvanik, den Weg bereitet. Die Volta’sche Säule war die erste bedeutende Batterie und ermöglichte die Entdeckung der Elektrolyse und damit die erstmalige Darstellung vieler unedler Elemente, insbesondere der Metalle Natrium, Kalium, Barium, Strontium, Calcium und Magnesium durch Humphry Davy in den Jahren 1807 und 1808. Auch die ersten Versuche zur Nachrichtenübermittlung durch die elektrische Telegrafie wurden erst durch die Erfindung Voltas möglich.

Anwendung in der Technik

Mit Hilfe der Volta’schen Säule bzw. Nachfolgern und damit erzeugten Lichtbögen wurde eine elektrische Beleuchtung mit Bogenlampen realisiert. Bogenlampen sind die ältesten elektrischen Lichtquellen. Johann Samuel Halle (1792) und der Brite Humphry Davy (1802) haben den Effekt des Lichtbogens beobachtet und zur Beleuchtung angewendet. Es wurden Messing- bzw. Graphitelektroden eingesetzt, wobei die Graphitelektroden relativ schnell abbrannten.

Eine der ersten Anwendungen in der Schiffstechnik erfolgten durch Moritz Hermann von Jacobi, der 1839 in Sankt Petersburg mit Hilfe einer liegenden Volta’schen Säule und einem von ihm entwickelten und gebauten Elektromotor das erste Elektroboot antrieb. Die Versuche wurden auf St. Petersburger Kanälen und der Newa durchgeführt und von einer staatlichen Kommission abgenommen.

Anwendung in der Medizin

Schon ab 1801 wurde über eine Vielzahl von Versuchen berichtet, die Voltasche Säule medizinisch zu nutzen. Beispielsweise wurde vorgeschlagen, sie zur Unterscheidung von Toten und Scheintoten zu nutzen. Trotz einiger angeblichen Erfolge blieb die therapeutische Anwendung, die Galvanotherapie, damals wegen der noch weitgehend unverstandenen Wirkungen beschränkt. Die Galvanotherapie wurde später von Golding Bird und von Robert Remak weiterentwickelt.

Funktionsweise

Bei der Volta’schen Säule handelt es sich um eine Folge von in Reihe geschalteten galvanischen Zellen. Am negativen Pol, der hier Anode ist, da hier die Oxidation stattfindet, geht das unedlere Metall in Lösung: Das Zinkplättchen löst sich auf: Jedes Zinkatom, das als Zinkion in Lösung geht, gibt zwei Elektronen ab; in der Zinkelektrode entsteht so ein Elektronenüberschuss, weshalb sie den negativen Pol bildet.

Als Elektrolyt verwendete man Salzwasser, Lauge (beides testete Volta) oder Säure beziehungsweise damit getränktes Papier, Textil (Volta nennt ein Tuch) oder Leder.

An der positiven Elektrode, der Kathode, da hier die Reduktion stattfindet, sind mehrere Reaktionen möglich. Volta verwendete zunächst Silber oder auch versilbertes Kupfer. Handelt es sich um Kupferplatten, die nicht poliert werden, sind sie mit einer Oxidschicht bedeckt. Dann läuft zunächst die Reduktion ab. Diese kann auch erfolgen, wenn das Kupfer aufgrund der Anwesenheit von Luftsauerstoff in Lösung gegangen ist.

Die Volta’sche Säule funktioniert aber auch, wenn poliertes Kupfer oder Silber als Elektroden verwendet werden, wenn also gar keine Kupfer- oder Silberionen vorhanden sind. Dann wird Sauerstoff aus der Luft am Kupfer oder Silber reduziert: Verwendet man an Stelle eines neutralen Elektrolyten (z. B. Salzwasser) einen sauren (z. B. Essig oder verdünnte Schwefelsäure oder Salzsäure), so werden am Kupfer bzw. Silber Wasserstoffionen reduziert. Die Wasserstoffentwicklung erfolgt nur wenig an der Zinkelektrode, weil sie dort gehemmt ist: Wasserstoff hat an Zink eine deutlich größere Überspannung als an Kupfer oder Silber.

Ein Nachteil des Aufbaus der Volta’schen Säule ist das durch den vertikalen Aufbau bedingte Ungleichgewicht der aufeinander gestapelten Metallplatten und mit Elektrolyt getränkten weichen Papp- oder Lederstücke. Dadurch wird der Elektrolyt oben und unten verschieden gepresst und läuft eventuell außen herunter. Volta experimentierte daher auch mit einzelnen voneinander getrennten Bechern für je eine Zelle, die er in Serie schaltete. Die technische Weiterentwicklung der Volta’schen Säule aus dem Jahr 1802, die den Nachteil des Stapels vermeidet, ist zum Beispiel die Trog-Batterie von William Cruickshank. Auch heutige Batterien werden aus separaten Zellen zusammengesetzt.

Reaktionsgleichungen

Bei allen Batterien mit Zinkelektrode geht dieses bei der Entladung in Lösung:

${\rm {Zn\longrightarrow Zn^{2+}+2e^{-}}}$

Auf Kupferstücken befindet sich immer eine Schicht aus Oxidationsprodukten wie z. B. Kupferoxiden, wenn das Kupfer Luftkontakt hatte. Somit gibt es an der Oberfläche Kupferionen, die entladen werden können:

${\rm {Cu^{2+}+2e^{-}\longrightarrow Cu}}$

Im Daniell-Element laufen zwar dieselben Reaktionen ab, aber wesentlich länger, da in diesem durch Zugabe von Kupfersalzen ein sehr viel größerer Vorrat an Kupferionen vorhanden ist. In der Voltasäule sind diese bald verbraucht. Dann läuft an der Kupferelektrode vor allem die Reaktion

${\rm {2H^{+}+2e^{-}\longrightarrow H_{2}}}$

ab. Sie liefert aber eine geringere Spannung. Als Gesamtreaktion ergibt sich

${\rm {Zn+2H^{+}\longrightarrow Zn^{2+}+H_{2}}}$.

In geringerem Maße ist an der Kupferelektrode auch eine Reaktion des Luftsauerstoffs gemäß

${\rm {O_{2}+4e^{-}+2H_{2}O\longrightarrow 4OH^{-}}}$

möglich, insbesondere wenn der Elektrolyt einer frisch aufgebauten Säule mit Luft gesättigt ist. Da sich der Sauerstoff verbraucht und nur langsam ins Innere der Zelle nachdiffundiert, ist diese Reaktion bei längerem Betrieb der Zelle und größeren Strömen von untergeordneter Bedeutung. Dennoch verbraucht die Säule der Reaktionsgleichung entsprechend während des Betriebs Sauerstoff der umgebenden Luft. Sauerstoff trägt dazu bei, die Wirksamkeit der Säule zu erhöhen. Andererseits ist Sauerstoff aber zur Wirksamkeit der Säule entbehrlich, da statt der Sauerstoffreduktion auch die oben angegebene Wasserstoffentwicklung erfolgen kann. Sauerstoff kann aber auch Zink aus den Zinkelektroden durch Korrosion verbrauchen und sie so zerstören:

$\mathrm {2\ Zn+O_{2}+2\ H_{2}O\longrightarrow 2\ Zn(OH)_{2}}$

Voltas Aufbau

Voltas Originalzellen hatten am Ende jeweils eine weitere Kupfer- bzw. Zinkplatte, die im oben gezeigten schematischen Bild nicht eingezeichnet sind und die zur Spannung der Säule nicht beigetragen haben.

Weblinks

Commons: Voltasche Säule – Sammlung von Bildern

Literatur

• Bern Dibner: Alessandro Volta and the electric battery. Verlag F. Watts, 1964, LCCN 64-011915, S. 135 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche). 

Einzelnachweise

V – D

Galvanische Zellen

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