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 .
Окислительно-восстановительная реакция в ячейке Лекланше включает две следующие полуреакции:
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 проходит 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]
или если также рассмотреть гидратацию полуторного оксида Mn 2 O 3 (s) в оксигидроксид Mn(III):
Альтернативно, реакция восстановления Mn(IV) может протекать дальше, образуя гидроксид Mn(II).
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).