Клетка 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 (положительная клемма) из углерода , деполяризатор из диоксида марганца (окислитель) и анод (отрицательная клемма) из цинка (восстановитель). [4] [5] Химия этой ячейки позже была успешно адаптирована для производства сухой батареи .
История
[ редактировать ]В 1866 году Жорж Лекланше изобрел батарею, состоящую из цинкового анода и катода из диоксида марганца , обернутых пористым материалом и погруженных в банку с раствором хлорида аммония . В катод из диоксида марганца также было добавлено немного углерода, что улучшало проводимость и поглощение. [6] Он обеспечивал напряжение 1,4 вольта. [7] Эта ячейка очень быстро добилась успехов в телеграфии, сигнализации и работе с электрическими звонками.
Форма сухих ячеек использовалась для питания первых телефонов - обычно от 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, и разговор был не слышен. [8] Это связано с тем, что определенные химические реакции в ячейке увеличивают ее внутреннее сопротивление и, таким образом, снижают ее напряжение. Эти реакции меняются, когда батарея остается бездействующей, что делает ее пригодной для многих коротких периодов использования с перерывами между ними, но не для длительных периодов использования. [9]
Строительство
[ редактировать ]В оригинальной форме клетки использовался пористый горшок. Это придало ему относительно высокое внутреннее сопротивление, и для его уменьшения были внесены различные модификации. К ним относятся «блочная ячейка агломерата» и «ячейка мешка». Сначала Лекланше, а затем Карл Гасснер стремились превратить первоначальную влажную камеру в более портативную и более эффективную сухую камеру .
- Пористая ячейка горшка
- В оригинальной ячейке Лекланше деполяризатор (фактически окислитель в ячейке), состоящий из измельченного диоксида марганца , упакован в котел, а в него вставлен угольный стержень, выполняющий роль 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 пористую ванну и вступая в контакт с катодом.
- Агломератная блочная ячейка
- В 1871 году Лекланше отказался от пористого горшка и заменил его парой «блоков агломерата», прикрепленных к углеродной пластине резиновыми лентами. Эти блоки были изготовлены путем смешивания диоксида марганца со связующими веществами и прессования смеси в формы.
- Мешочная клетка
- В этой камере пористый горшок заменяется брезентом или мешковиной. Кроме того, цинковый стержень заменяется цинковым цилиндром, чтобы обеспечить большую площадь поверхности. Он имеет более низкое внутреннее сопротивление, чем любой из вышеперечисленных (пористый и агломератный).
- Добавление крахмала
- В 1876 году Жорж Лекланше добавил крахмал в электролит хлорида аммония , чтобы лучше желировать . его
- Улучшенная сухая камера
- В 1888 году немецкий врач Карл Гасснер усовершенствовал процесс гелеобразования и создал более портативный сухой элемент , смешав гипс и гидрофильные химикаты с электролитом из хлорида аммония.
Химия
[ редактировать ]Окислительно-восстановительная реакция в ячейке Лекланше включает две следующие полуреакции:
- – анод (окисление Zn): Zn → Zn 2+ + 2е − | И 0 = −0,76 вольт
- – катод (восстановление Mn(IV)): 2 MnO 2 + 2NH 4 + + 2е − → 2 MnO(OH) + 2 NH 3 | Э 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 заряженным Zn. 2+ ионы . Как Zn 2+ ионы отходят 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 перетекают через цепь к углеродному стержню, движение электронов образует электрический ток . Разность потенциалов заряда на аноде и катоде равна разнице двух потенциалов полуреакции, создавая теоретическое напряжение потенциальной энергии 1,99 В на клеммах. Различные факторы, такие как внутреннее сопротивление , снижают это выходное значение до 1,4 В, измеренного на практике от этих элементов.
По мере прохождения тока по цепи, когда электроны попадают на катод (углеродный стержень), они соединяются с диоксидом марганца (MnO 2 ) и водой (H 2 O), которые реагируют друг с другом с образованием оксида марганца (Mn 2 O 3 ) и отрицательно заряженные гидроксид-ионы . Это сопровождается вторичной кислотно-основной реакцией, в которой ионы гидроксида (OH – ) принять протон (H + ) из ионов аммония , присутствующих в хлорида аммония, электролите с образованием молекул аммиака и воды. [10]
- Zn(тв) + 2 MnO 2 (тв) + 2 NH 4 Cl(водн.) → ZnCl 2 (водн.) + Mn 2 O 3 (тв) + 2 NH 3 (водн.) + H 2 O(ж),
или если также учесть гидратацию Mn 2 O 3 (s) полуторного оксида в оксигидроксид Mn(III):
- Zn(тв) + 2 MnO 2 (тв) + 2 NH 4 Cl(водн.) → ZnCl 2 (водн.) + 2 MnO(OH)(тв) + 2 NH 3 (водн.)
Альтернативно, реакция восстановления Mn(IV) может протекать дальше с образованием гидроксида Mn(II).
- Zn(s) + MnO 2 (т.) + 2 NH 4 Cl(водн.) → ZnCl 2 (водн.) + Mn(OH) 2 (тв) + 2 NH 3 (водн.)
Использование
[ редактировать ]Электродвижущая сила (ЭДС), создаваемая элементом Лекланша, составляет 1,4 вольта при сопротивлении в 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 требовала минимального обслуживания.
батареи Leclanché Мокрый элемент был предшественником современной углеродно-цинковой батареи ( сухой элемент ). Добавление хлорида цинка в электролитную пасту повышает ЭДС до 1,5 вольт. Более поздние разработки полностью отказались от хлорида аммония, создав элемент, который может выдерживать более продолжительный разряд без столь быстрого повышения внутреннего сопротивления (элемент с хлоридом цинка).
См. также
[ редактировать ]- Список типов батарей
- История аккумулятора
- Щелочная батарея — аналогичный элемент, в котором электролит NH 4 Cl заменен на КОН. Этот улучшенный тип батареи с гораздо более высокой плотностью заряда (5×) был коммерциализирован гораздо позже (1960/70).
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Leclanché, « une Pile à Oxide Insolved » [нерастворимая оксидная батарея], французский патент №. 71 865 (выпущено: 8 июня 1866 г.) в: Министерство сельского хозяйства и торговли Франции (1881 г.). Описание машин и процессов, на которые получены патенты… [ Описания машин и процедур, на которые получены патенты… ] (на французском языке). Полет. 98. Париж, Франция: Imprimerie Nationale. стр. 33–34.
- ^ Лекланше, Жорж (1868). «Некоторые наблюдения по использованию электрических батарей. Постоянная одножидкостная пероксид марганцевая батарея» . Миры . 16 :532.
- ^ Дженсен, Уильям Б. (январь 2014 г.). «Клетка Лекланше. Музейные заметки, коллекции Эспера» . hdl : 2374.UC/731246 .
- ^ Лекланше, Жорж (1867). Заметки о применении электрических батарей в телеграфии, постоянной одножидкостной марганцевой батареи . Париж: Печать. Хеннуйер и др.
- ^ Лекланше, Жорж (1869). Примечание о батарее Лекланше: предшествуют некоторые соображения по использованию электрических батарей в телеграфии . Париж: Жамин, Байи и другие, Библиотека Бернди.
- ^ Цинк-углеродные батареи, молекулярные выражения . Magnetic.fsu.edu
- ^ Перейти обратно: а б Морган, Альфред П. (1913). Мальчик-электрик . Бостон: Лотроп, Ли и Сепард Ко. с. 58.
- ^ Факты о батареях. «Ячейка Лекланше» . Проверено 9 января 2007 г.
- ^ Калверт, Джеймс Б. (7 апреля 2000 г.). «Электромагнитный телеграф» . du.edu . Архивировано из оригинала 12 января 2007 г. Проверено 12 января 2007 г.
- ^ «Коммерческие гальванические элементы: сухие элементы Leclanché» . 26 ноября 2013 года . Проверено 26 декабря 2017 г.
Библиография
[ редактировать ]- «Практическое электричество» У.Э. Айртона и Т. Мэзера, опубликованное Cassell and Company, Лондон, 1911, стр. 188–193.
