La cella Daniell è una sorta di batteria rame-zinco che impiega una barriera porosa tra i due metalli. Fu inventato nel 1836 dal chimico britannico John Frederic Daniell. Un tempo ampiamente utilizzato nell’industria telegrafica europea, è stato soppiantato alla fine del XIX secolo da modelli di batterie più moderni. Oggi viene utilizzato principalmente in classe per dimostrare come funzionano le batterie.
Lo scienziato italiano Alessandro Volta ha inventato la batteria nel 1800. Il suo progetto utilizzava una colonna di dischi alternati di zinco e rame, con pezzi di cartone saturi di salamoia impilati tra ogni pezzo di metallo. Questa pila voltaica è stata utilizzata in molti esperimenti elettrici, ma con meno di un’ora di durata della batteria, non ha avuto reali applicazioni industriali. Daniell ha modificato il design di Volta per creare una batteria con una vita più lunga, consentendone l’utilizzo pratico.
Il principio alla base della batteria di Daniell e di quella di Volta è lo stesso. Un soluto liquido chiamato elettrolita – nel progetto di Volta, la salamoia tra le piastre metalliche – inizia a dissolvere lo zinco e il rame in ioni con carica positiva. Quando gli ioni lasciano il metallo, gli elettroni liberi rimangono indietro. Lo zinco si dissolve più rapidamente del rame, il che significa che lo zinco contiene presto più elettroni. Se si collegano i due pezzi di metallo con un filo, gli elettroni migreranno attraverso il filo dallo zinco al rame, creando una corrente elettrica.
Se lo zinco e il rame si dissolvono nello stesso elettrolita, come nella pila voltaica, due processi accorciano la vita della batteria. Se viene immagazzinato senza che venga prelevata elettricità, gli ioni di rame nell’elettrolita verranno attratti dal terminale di zinco caricato negativamente. Questi ioni si accoppieranno quindi con gli elettroni nello zinco, neutralizzandone la carica. Alla fine, non sarà più disponibile zinco per la dissoluzione. Questo processo è noto come riduzione.
L’altro processo di eliminazione della batteria si verifica quando viene prelevata l’elettricità. Gli ioni di zinco spingeranno l’idrogeno nell’elettrolita verso il rame, dove l’idrogeno si accumula sulla superficie e alla fine interrompe il flusso di elettricità. Questo processo è noto come polarizzazione. La cella Daniell è stata progettata in risposta ai problemi gemelli della riduzione dello zinco e della polarizzazione. Risolve questi problemi isolando lo zinco e il rame in elettroliti separati.
Per realizzare una cella Daniell, un contenitore di terracotta non smaltata può essere riempito con acido solforico e immerso in un pezzo di zinco. Il contenitore può quindi essere posto all’interno di una lattina di rame che è stata riempita con solfato di rame. La barriera di terracotta trattiene lo zinco e il rame sui lati opposti; questo impedisce agli ioni di zinco di inviare idrogeno al rame, prevenendo la polarizzazione. Inoltre mantiene gli ioni di rame lontani dallo zinco, prevenendo la riduzione dello zinco. Daniell ha definito la sua cella la batteria costante a causa della sua prevenzione della polarizzazione.
I pori della barriera consentono agli ioni solfato caricati positivamente di viaggiare dal lato rame al lato zinco. Questo bilancia il flusso di elettroni dallo zinco al rame quando il circuito è completato. La quantità di potenziale elettrico prodotta da una cella Daniell è stata chiamata volt. Il valore del volt moderno è leggermente diverso; una cella Daniell produce circa 1.1 dei volt attuali e ha una resistenza interna di circa 2 ohm.