stringtranslate.com

Клетка Лекланше

Иллюстрация ячейки Лекланше, 1919 год.

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 полюс) углерода , деполяризатор из диоксида марганца (окислитель) и анод (отрицательный вывод) из цинка (восстановитель). [4] [5] Химия этого элемента позже была успешно адаптирована для производства сухих элементов .

История

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 могли 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

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 его желировать .
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

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

– анод (окисление Zn): Zn → Zn 2+ + 2e − | Е 0 = −0,76 вольт
– катод (восстановление Mn(IV)): 2 MnO 2 + 2NH 4 + + 2e − → 2 MnO(OH) + 2 NH 3 | Е 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 , превращаясь в положительно заряженные ионы Zn 2+ . По мере того как ионы Zn 2+ 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 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 гидроксид-ионы (OH – ) принимают протон (H + ) от ионов аммония , присутствующих в электролите хлорида аммония , 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 еще учесть гидратацию полуторного оксида Mn 2 O 3 (s) в оксигидроксид Mn(III):

Zn(s) + 2 MnO 2 (т.) + 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

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.

Мокрый элемент батареи Leclanché 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).

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Leclanché, « une Pile à Oxide Insolved » [нерастворимая оксидная батарея], французский патент №. 71 865 (выпущено: 8 июня 1866 г.) в: Министерстве сельского хозяйства и торговли Франции (1881 г.). Описание машин и процессов, на которые получены патенты… ] (на французском языке). Том. 98. Париж, Франция: Imprimerie Nationale. стр. 33–34.
  2. ^ Лекланше, Жорж (1868). «Какие наблюдения за работой электрических свай. Постоянная куча перекиси марганца в собственной жидкости». Ле Монд . 16 :532.
  3. ^ Дженсен, Уильям Б. (январь 2014 г.). «Клетка Лекланше. Музейные заметки, коллекции Эспера». hdl :2374.UC/731246.
  4. ^ Лекланше, Жорж (1867). Примечания к работе с электрическими сваями на телеграфе: постоянная куча перекиси марганца в собственной жидкости . Париж: Отпечаток. де Хеннуйер и др.
  5. ^ Лекланше, Жорж (1869). Обратите внимание на сваю Leclanché: предыдущие соображения по использованию электрических свай в телеграфии . Париж: Жамин, Байи и другие, Библиотека Бернди.
  6. ^ Цинк-углеродные батареи, молекулярные выражения. Magnetic.fsu.edu
  7. ^ аб Морган, Альфред П. (1913). Мальчик-электрик. Бостон: Лотроп, Ли и Сепард Ко. с. 58.
  8. ^ Факты о батарее. «Ячейка Лекланше» . Проверено 9 января 2007 г.
  9. ^ Калверт, Джеймс Б. (7 апреля 2000 г.). «Электромагнитный телеграф». du.edu . Архивировано из оригинала 12 января 2007 г. Проверено 12 января 2007 г.
  10. ^ «Коммерческие гальванические элементы: Сухая ячейка Лекланше» . 26 ноября 2013 года . Проверено 26 декабря 2017 г.

Библиография