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) из углерода , деполяризатор из диоксида марганца (окислитель), и анод (отрицательный вывод) цинка (восстановитель). [4] [5] Химия этой клетки позже была успешно адаптирована для производства сухой клетки .
История
В 1866 году Жорж Лекланше изобрел батарею, состоящую из цинкового анода и катода из диоксида марганца, обернутых пористым материалом, погруженных в банку с раствором хлорида аммония . Катод из диоксида марганца также содержал небольшое количество углерода, которое улучшало проводимость и поглощение. [6] Он обеспечивал напряжение 1,4 вольта. [7] Эта ячейка очень быстро достигла успехов в телеграфии, сигнализации и работе электрического звонка.
Сухой элемент форма используется для питания ранних телефонов, как правило , из соседнего деревянного ящика , прикрепленного к стене, перед тем телефоном может 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 неслышным. [8] Это связано с тем, что определенные химические реакции в ячейке увеличивают внутреннее сопротивление и, таким образом, снижают напряжение. Эти реакции меняются на противоположные, когда аккумулятор не используется, поэтому он подходит только для периодического использования. [9]
Строительство
Первоначальная форма клетки использовала пористый горшок. Это дало ему относительно высокое внутреннее сопротивление, и для его уменьшения были сделаны различные модификации. К ним относятся «ячейка блока агломерата» и «ячейка мешка». Сначала Лекланше, а позже Карл Гасснер стремились превратить исходную влажную ячейку в более портативную и более эффективную сухую ячейку .
- Пористая горшечная ячейка
- В исходной ячейке Лекланше деполяризатор (фактически, окислитель в ячейке), который состоит из измельченного диоксида марганца , помещен в емкость, в которую вставлен углеродный стержень, который действует как катод (реакция восстановления). Анод (реакция окисления), представляющий собой цинковый стержень, затем погружают вместе с сосудом в раствор хлорида аммония . Жидкий раствор действует как электролит , проникая через пористую емкость и контактируя с катодом.
- Агломератная блочная ячейка
- В 1871 году Лекланше отказался от пористого горшка и заменил его парой «агломератных блоков», прикрепленных к угольной пластине с помощью резиновых лент. Эти блоки были изготовлены путем смешивания диоксида марганца со связующими веществами и прессования смеси в формы.
- Мешковая камера
- В этой камере пористый горшок заменяется оберткой из холста или мешковины. Кроме того, цинковый стержень заменен цинковым цилиндром, чтобы получить 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 хлористого аммония, чтобы улучшить его желирование .
- Улучшенная сухая ячейка
- В 1888 году немецкий врач Карл Гасснер усовершенствовал процесс желирования и создал более портативную сухую ячейку , смешав гипс и гидрофильные химические вещества с электролитом хлористого аммония.
Химия
Окислительно-восстановительная реакция в ячейке Лекланше включает две следующие полуреакции:
- - анод (окисление Zn): Zn → Zn 2+ + 2e -
- - катод (восстановление Mn (IV)): 2 MnO 2 + 2NH 4 + + 2e - → 2 MnO (OH) + 2 NH 3
Химический процесс, который производит электричество в ячейке Лекланше, начинается, когда атомы цинка на поверхности анода окисляются , то есть они отдают оба своих валентных электрона, чтобы стать положительно заряженными ионами Zn 2+ . Когда 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 проходят через цепь к углеродному стержню, движение электронов образует электрический ток .
Когда ток проходит по цепи, когда электроны входят в катод (углеродный стержень), они соединяются с диоксидом марганца (MnO 2 ) и водой (H 2 O), которые взаимодействуют друг с другом с образованием оксида марганца (Mn 2 O 3 ) и отрицательно заряженные гидроксид-ионы . Это сопровождается вторичной кислотно-щелочной реакцией, в которой ионы гидроксида (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 (водный раствор) → ZnCl 2 (водный раствор) + Mn 2 O 3 (тв) + 2 NH 3 (водный раствор) + H 2 O (l),
или если один также считает гидратацию Mn 2 O 3 (с) полуторным в Mn (III) окси-гидроксид:
- Zn (тв) + 2 MnO 2 (тв) + 2 NH 4 Cl (водн.) → ZnCl 2 (водн.) + 2 MnO (OH) (тв.) + 2 NH 3 (водн.)
С другой стороны, реакция восстановления Mn (IV) может протекать дальше, образуя гидроксид Mn (II).
- Zn (тв) + MnO 2 (тв) + 2 NH 4 Cl (водн.) → ZnCl 2 (водн.) + Mn (OH) 2 (тв) + 2 NH 3 (водн.)
Использует
Электродвижущая сила (ЭДС) , полученный с помощью клетки Leclanché составляет 1,4 вольт , с сопротивлением нескольких Ом , где используется пористый горшок. [7] Он широко использовался в телеграфии , сигнализации , электрических звонках и подобных приложениях, где требовался прерывистый ток и было желательно, чтобы батарея не требовала минимального обслуживания.
Аккумуляторная батарея Leclanché с мокрым аккумулятором была предшественницей современной угольно-цинковой батареи ( сухой элемент ). Добавление хлорида цинка в электролитную пасту повышает ЭДС до 1,5 вольт. Более поздние разработки полностью отказались от хлорида аммония, дав элемент, способный выдерживать более продолжительный разряд без столь быстрого увеличения внутреннего сопротивления (элемент с хлоридом цинка).
Смотрите также
- Список типов батарей
- История батареи
- Щелочная батарея , аналогичный элемент, в котором электролит NH 4 Cl заменен на KOH. Этот улучшенный тип батареи с гораздо более высокой плотностью заряда (5 ×) был коммерциализирован намного позже (1960/70).
Рекомендации
- Не ^ Leclanché, « ипа груда à Оксид нерастворимы » [нерастворимый оксид батарея], патент Франции нет. 71865 (выпущено: 8 июня 1866 г.) в: Министерство сельского хозяйства и торговли Франции (1881 г.). Description des machines et procédés pour lesquels des brevets d'invention ont été pris… [ Описание машин и процедур, на которые были получены патенты… ] (на французском языке). т. 98. Париж, Франция: Imprimerie Nationale. С. 33–34.
|volume=
имеет дополнительный текст ( справка ) - ^ Лекланше, Жорж (1868). "Quelques наблюдения sur l'emploi des piles électriques. Pile constante au peroxyde de manganèse à un seul liquidide" . Les Mondes . 16 : 532.
- ^ Дженсен, Уильям Б. (январь 2014 г.). "Келья Лекланше. Музейные записки, коллекции Эспера". hdl : 2374.UC / 731246 . Цитировать журнал требует
|journal=
( помощь ) - ^ Лекланше, Жорж (1867). Notes sur l'emploi des piles électriques en télégraphie, pile constante au peroxyde de manganèse à un seul liquide . Париж: показ. de Hennuyer et fils.
- ^ Лекланше, Жорж (1869). Notice sur la pile Leclanché: précédée de quelques considérations sur l'emploi des piles électriques en télégraphie . Париж: Жамин, Байи и др., Библиотека Бернди.
- ^ Цинк-угольные батареи, молекулярные выражения . magnet.fsu.edu
- ^ a b Simms, JW (1965) Мальчик-электрик, MIEE, стр. 61
- ^ Факты об аккумуляторах. «Клетка Лекланше» . Проверено 9 января 2007 .
- ^ Калверт, Джеймс Б. "Электромагнитный телеграф" . du.edu . Проверено 12 января 2007 .
- ^ «Коммерческие гальванические элементы: сухой элемент Лекланше» . Проверено 26 декабря 2017 .
Библиография
- Практическое электричество WE Ayrton и T. Mather, опубликовано Cassell and Company, Лондон, 1911, стр. 188–193.