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 .
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]
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 .
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 , 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]
или если еще учесть гидратацию полуторного оксида Mn 2 O 3 (s) в оксигидроксид Mn(III):
Альтернативно, реакция восстановления Mn(IV) может протекать дальше с образованием гидроксида Mn(II).
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).