Ячейка Лекланше

Элемент Лекланше — это батарея, изобретенная и запатентованная французским ученым Жоржем Лекланше в 1866 году. ^{[1] [2] [3]} Батарея содержала проводящий раствор ( электролит ) хлорида аммония , катод (положительный вывод) из углерода , деполяризатор из диоксида марганца (окислитель) и анод (отрицательный вывод) из цинка (восстановитель). ^{[4] [5]} Химия этой ячейки позже была успешно адаптирована для производства сухой ячейки .

В 1866 году Жорж Лекланше изобрел батарею, состоящую из цинкового анода и катода из диоксида марганца, обернутого в пористый материал, погруженного в банку с раствором хлорида аммония . Катод из диоксида марганца также имел немного углерода, что улучшало проводимость и поглощение. ^[6] Он обеспечивал напряжение 1,4 вольта. ^[7] Эта ячейка добилась очень быстрого успеха в телеграфии, сигнализации и работе электрических звонков.

Форма сухой ячейки использовалась для питания ранних телефонов — обычно из соседнего деревянного ящика, прикрепленного к стене — до того, как телефоны смогли получать питание от самой телефонной линии. Ячейка Лекланше не могла обеспечивать постоянный ток в течение длительного времени; при длительных разговорах батарея разряжалась, делая разговор неслышным. ^[8] Это происходит потому, что определенные химические реакции в ячейке увеличивают ее внутреннее сопротивление и, таким образом, снижают ее напряжение. Эти реакции меняются местами, когда батарея остается бездействующей, что делает ее пригодной для многих коротких периодов использования с периодами простоя между ними, но не для длительных периодов использования. ^[9]

Первоначальная форма ячейки использовала пористый горшок. Это давало ей относительно высокое внутреннее сопротивление, и для его снижения были сделаны различные модификации. Они включали «ячейку с агломератным блоком» и «ячейку с мешком». Сначала Лекланше, а позже Карл Гасснер , оба стремились преобразовать исходную мокрую ячейку в более портативную и более эффективную сухую ячейку .

Пористый горшок

В оригинальной ячейке Лекланше деполяризатор (фактически, окислитель в ячейке), состоящий из измельченного диоксида марганца , упакован в горшок, а угольный стержень вставлен в качестве катода (реакция восстановления). Анод (реакция окисления), представляющий собой цинковый стержень, затем погружается вместе с горшком в раствор хлорида аммония . Жидкий раствор действует как электролит , проникая через пористый горшок, чтобы войти в контакт с катодом.

Агломератный блок ячейки

В 1871 году Лекланше отказался от пористого горшка и заменил его парой «агломератных блоков», прикрепленных к углеродной пластине резиновыми лентами. Эти блоки изготавливались путем смешивания диоксида марганца со связующими веществами и прессования смеси в формы.

Мешочек-ячейка

В этой ячейке пористый горшок заменяется оберткой из холста или мешковины. Кроме того, цинковый стержень заменяется цинковым цилиндром, чтобы получить большую площадь поверхности. Он имеет более низкое внутреннее сопротивление, чем любой из вышеперечисленных (пористый и агломерированный).

Добавление крахмала

В 1876 году Жорж Лекланше добавил крахмал в электролит хлорида аммония , чтобы улучшить его желирование .

Улучшенный сухой элемент

В 1888 году немецкий врач Карл Гасснер усовершенствовал процесс гелеобразования и создал более портативный сухой элемент , смешав гипс и гидрофильные химикаты с электролитом хлоридом аммония.

Окислительно-восстановительная реакция в ячейке Лекланше включает две следующие полуреакции:

– анод (окисление Zn): Zn → Zn ²⁺ + 2e ⁻ | E ⁰ = −0,76 вольт

– катод (восстановление Mn(IV)): 2 MnO ₂ + 2NH ₄ ⁺ + 2e ⁻ → 2 MnO(OH) + 2 NH ₃ | E ⁰ = 1,23 вольта

Химический процесс, который производит электричество в ячейке Лекланше, начинается, когда атомы цинка на поверхности анода окисляются , т. е. они отдают оба своих валентных электрона, чтобы стать положительно заряженными ионами Zn2 ⁺ . По мере того, как ионы Zn2 ⁺ удаляются от анода, оставляя свои электроны на его поверхности, анод становится более отрицательно заряженным, чем катод. Когда ячейка подключена к внешней электрической цепи , избыточные электроны на цинковом аноде текут через цепь к углеродному стержню, движение электронов образует электрический ток . Разность потенциалов в заряде на аноде и катоде равна разности двух потенциалов полуреакции, создавая теоретическое напряжение 1,99 В потенциальной энергии на клеммах. Различные факторы, такие как внутреннее сопротивление , снижают это выходное значение до 1,4 вольт, измеренных на этих ячейках на практике.

По мере того, как ток движется по цепи, когда электроны попадают в катод (угольный стержень), они соединяются с диоксидом марганца (MnO ₂ ) и водой (H ₂ O), которые реагируют друг с другом, образуя оксид марганца (Mn ₂ O ₃ ) и отрицательно заряженные гидроксид-ионы . Это сопровождается вторичной кислотно-щелочной реакцией, в которой гидроксид-ионы (OH ^– ) принимают протон (H ⁺ ) от ионов аммония, присутствующих в электролите хлорида аммония, образуя молекулы аммиака и воды. ^[10]

_{Zn( тв} ) + 2 MnO2 ₍ тв) + 2 NH4Cl ₍ водн) → ZnCl2 ₍ водн) + Mn2O3 _{( тв} ) + 2 NH3 (водн) + _H2O ( ж),

или если также рассмотреть гидратацию полуторного оксида Mn ₂ O ₃ (s) в оксигидроксид Mn(III):

Zn(тв) + 2 MnO2 ₍ тв) + 2 NH4Cl ₍ водн) → ZnCl2 ₍ водн) + 2 MnO(OH)(тв) + 2 NH3 ₍ водн)

Альтернативно, реакция восстановления Mn(IV) может протекать дальше, образуя гидроксид Mn(II).

Zn(тв) + MnO2 ₍ тв) + 2NH4Cl ₍ водн) → ZnCl2 ₍ водн) + Mn(OH) ₂ (тв) + 2NH3 ₍ водн)

Электродвижущая сила (ЭДС), создаваемая элементом Лекланше, составляет 1,4 вольта , а сопротивление — несколько Ом при использовании пористого горшка. ^[7] Он широко использовался в телеграфии , сигнализации , электрических звонках и подобных приложениях, где требовался прерывистый ток и было желательно, чтобы батарея не требовала особого обслуживания.

Аккумулятор Leclanché с жидким электролитом был предшественником современной цинково-угольной батареи ( сухой батареи ). Добавление хлорида цинка в электролитную пасту повышает ЭДС до 1,5 вольт. Более поздние разработки полностью отказались от хлорида аммония, что дало ячейку, которая может выдерживать более длительную разрядку без быстрого роста внутреннего сопротивления (ячейка с хлоридом цинка).

• Список типов батарей
• История батареи
• Щелочная батарея , аналогичная ячейка, в которой электролит _NH4Cl был заменен на KOH. Этот улучшенный тип батареи с гораздо более высокой плотностью заряда (5×) был коммерциализирован гораздо позже (1960/70).

• «Практическое электричество» У. Э. Айртона и Т. Мазера, опубликовано Cassell and Company, Лондон, 1911, стр. 188–193