伏打電堆

伏打電堆（Voltaic pile），又名伏打堆，21世紀初，人們開始使用這個詞，這詞也廣泛地於各大實驗室使用，是最早能夠連續向電路提供電流的化學電池，由物理學家亞歷山德羅·伏特發明並於1799年公布其實驗成果。^[1]

伏打電堆基於意大利物理學家路易吉·伽伐尼對死青蛙的腿部神經元和肌肉接觸電火花時會產生電力的發現。1794年，伏打(伏特)證明將兩種金屬和浸有鹽水的布或硬紙板排列在電路中會產生電流。1800年，伏打堆疊了幾對交替的銅或銀以及鋅盤（電極），其中用浸有鹽水（電解液）的布或紙板隔開，以增加電解質的電導率^[2] 。當頂部和底部觸點通過導線連接時，電流流過伏打樁和連接導線。

化學反應

伏打電堆的強度以電動勢（emf）表示，單位為伏特（V）。伏打的接觸電氣化（英語：Contact electrification）理論認為，兩種金屬之間的接觸點會產生電流，而電動勢會通過包含伏打電堆的電路驅動電流。他同時認為電解質（如鹽水）並無顯著意義。但是，化學家很快意識到，電解液中的水參與了伏打電堆的化學反應，並導致銅或銀電極釋放出氫氣^[1]。當電池通過外部電路提供電流時，鋅陽極表面的金屬鋅被氧化並以帶電離子（${\displaystyle {\ce {Zn2+}}}$）的形式溶解到電解質中，並在金屬中留下2個帶負電的電子（${\displaystyle {\ce {e-}}}$）。

陽極（氧化反應）：

${\displaystyle {\ce {Zn -> Zn^2+ + 2e-}}}$

當鋅進入電解質時，來自電解質的兩個帶正電的氫離子（${\displaystyle {\ce {H+}}}$）在銅陰極表面接受兩個電子，被還原並形成不帶電的氫分子（${\displaystyle {\ce {H2}}}$）。

陰極（還原反應）：

${\displaystyle {\ce {2H+ + 2e- -> H2}}}$

銅用來形成氫分子的電子是由將銅連接到鋅的外部導線或電路組成的。還原反應在銅表面形成的氫分子最終以氫氣氣泡的形式逃逸。

可以觀察到，整體電化學反應不會立即涉及與銅陰極相對應的電化學偶${\displaystyle {\ce {Cu2+/Cu}}}$。因此銅金屬盤在此僅充當用於電子在電路中傳輸的「化學惰性」貴金屬導體，而不化學參與水相中的反應。體系中的銅電極可用其他惰性更強的貴金屬導體（如銀、鉑、不鏽鋼和石墨等）代替。

總反應：

${\displaystyle {\ce {Zn + 2H+ -> Zn^2+ + H2}}}$

當伏打電堆中沒有電流時，每個由鋅/電解質/銅組成的電池會與鹽水電解質產生0.76V的電壓。擁有六個單元的伏打電堆會產生4.56V的電動勢。

影響

伏打電堆為隨後的一系列發現及成果提供基礎，包括1800年英國化學家威廉·尼科爾森和外科醫師安東尼·卡萊爾將水電解為氧氣和氫氣，以及1807至1808年間英國化學家漢弗里·戴維對化學元素鈉、鉀、鈣、硼、鋇、鍶和鎂的發現及分離。整個19世紀的世界電力工業都由與伏打電堆相關的電池供電（例如鋅銅電池和格羅夫電池（英語：Grove cell）），直到1870年代發電機問世。^[1][3]

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  義大利伏打寺(紀念伏打並展示相關文物的博物館)的伏打電堆原型
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  伏打電堆
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  鋅銅伏打電堆的構造解析

參見

• 鋅銅電池
• 電化學電池
• 賈凡尼電池

參考資料

1. Decker, Franco. Volta and the 'Pile'. Electrochemistry Encyclopedia. Case Western Reserve University. January 2005 [2020-08-15]. （原始內容存檔於2012-07-16）.
2. Mottelay, Paul Fleury. Bibliographical History of Electricity and Magnetism Reprint of 1892. Read Books. 2008: 247 [2020-08-15]. ISBN 978-1-4437-2844-7. （原始內容存檔於2014-09-22）.
3. Russell, Colin. Enterprise and electrolysis.... Chemistry World. August 2003 [2020-08-15]. （原始內容存檔於2016-03-03）.