Leclanché-Zelle - Leclanché cell

Eine 1919-Abbildung einer Leclanché-Zelle

Die Leclanché Zelle ist eine Batterie vom Französisch Wissenschaftler erfunden und patentiert Georges Leclanché in 1866. Die Batterie enthielt eine leitende Lösung ( Elektrolyt ) von Ammoniumchlorid , eine Kathode (positive Klemme) von Kohlenstoff , einem Depolarisator von Mangandioxid (Oxidationsmittel) und eine Anode (Minuspol) aus Zink (Reduktionsmittel). Die Chemie dieser Zelle wurde später erfolgreich angepasst, um eine Trockenzelle herzustellen .

Geschichte

1866 erfand Georges Leclanché eine Batterie, die aus einer Zinkanode und einer Mangandioxidkathode bestand, die in ein poröses Material eingehüllt und in ein Gefäß mit Ammoniumchloridlösung getaucht wurde. In die Mangandioxid-Kathode war ebenfalls etwas Kohlenstoff eingemischt, was die Leitfähigkeit und Absorption verbesserte. Es lieferte eine Spannung von 1,4 Volt. Diese Zelle erzielte sehr schnelle Erfolge in der Telegrafie, Signalisierung und elektrischen Klingelarbeit.

Die Trockenzellenform wurde verwendet, um frühe Telefone mit Strom zu versorgen – normalerweise aus einer angrenzenden Holzkiste, die an der Wand befestigt war – bevor Telefone Strom aus der Telefonleitung selbst beziehen konnten. Die Leclanché-Zelle konnte nicht sehr lange einen anhaltenden Strom liefern. Bei längeren Gesprächen würde der Akku leer laufen und das Gespräch unhörbar werden. Denn bestimmte chemische Reaktionen in der Zelle erhöhen den Innenwiderstand und senken damit die Spannung. Diese Reaktionen kehren sich um, wenn der Akku im Leerlauf gelassen wird, sodass er nur für den zeitweiligen Gebrauch geeignet ist.

Konstruktion

Die ursprüngliche Form der Zelle verwendete einen porösen Topf. Dies gab ihm einen relativ hohen Innenwiderstand und verschiedene Modifikationen wurden vorgenommen, um ihn zu reduzieren. Dazu gehörten die „Agglomerat-Blockzelle“ und die „Sackzelle“. Leclanché und später Carl Gassner strebten danach, die ursprüngliche Nasszelle in eine tragbarere und effizientere Trockenzelle umzuwandeln .

Poröse Topfzelle
In der ursprünglichen Zelle von Leclanché wird der Depolarisator (eigentlich das Oxidationsmittel in der Zelle), der aus zerkleinertem Mangandioxid besteht , in einen Topf gepackt und ein Kohlenstoffstab als Kathode eingesetzt (Reduktionsreaktion). Die Anode (Oxidationsreaktion), bei der es sich um einen Zinkstab handelt, wird dann zusammen mit dem Topf in eine Lösung von Ammoniumchlorid getaucht . Die flüssige Lösung wirkt als Elektrolyt und durchdringt den porösen Topf, um mit der Kathode in Kontakt zu treten.
Agglomerat-Blockzelle
1871 verzichtete Leclanché auf den porösen Topf und ersetzte ihn durch ein Paar "Agglomeratblöcke", die mit Gummibändern an der Karbonplatte befestigt waren. Diese Blöcke wurden durch Mischen des Mangandioxids mit Bindemitteln und Pressen der Mischung in Formen hergestellt.
Sackzelle
In dieser Zelle wird der poröse Topf durch eine Umhüllung aus Segeltuch oder Sackleinen ersetzt. Außerdem wird der Zinkstab durch einen Zinkzylinder ersetzt, um eine größere Oberfläche zu erhalten. Es hat einen geringeren Innenwiderstand als die oben genannten (porös und agglomeriert).
Stärkezugabe
1876 fügte Georges Leclanché dem Ammoniumchlorid- Elektrolyten Stärke hinzu , um es besser zu gelieren .
Verbesserte Trockenzelle
1888 verbesserte ein deutscher Arzt, Carl Gassner, den Gelierungsprozess und stellte eine tragbarere Trockenzelle her, indem er Gips und hydrophile Chemikalien mit dem Ammoniumchlorid-Elektrolyt mischte .

Chemie

Die Redoxreaktion in einer Leclanché-Zelle umfasst die beiden folgenden Halbreaktionen:

– Anode (Oxidation von Zn): Zn → Zn 2+ + 2e −
– Kathode (Reduktion von Mn(IV)): 2 MnO 2 + 2NH 4 + + 2e − → 2 MnO(OH) + 2 NH 3

Der chemische Prozess der Stromerzeugung in einer Leclanché-Zelle beginnt, wenn Zinkatome an der Oberfläche der Anode oxidieren , dh sie geben ihre beiden Valenzelektronen ab und werden zu positiv geladenen Zn 2+ -Ionen . Wenn sich die Zn 2+ -Ionen von der Anode entfernen und ihre Elektronen auf ihrer Oberfläche zurücklassen, wird die Anode negativer geladen als die Kathode. Wenn die Zelle an einen externen Stromkreis angeschlossen ist , fließen die überschüssigen Elektronen an der Zinkanode durch den Stromkreis zum Kohlenstoffstab , wobei die Bewegung der Elektronen einen elektrischen Strom bildet .

Wenn der Strom durch den Stromkreis fließt, verbinden sich die Elektronen beim Eintritt in die Kathode (Kohlenstoffstab) mit Mangandioxid (MnO 2 ) und Wasser (H 2 O), die miteinander reagieren, um Manganoxid (Mn 2 O 3 ) und negativ geladene Hydroxidionen . Dies wird durch eine sekundäre Säure-Base - Reaktion begleitet , in dem die Hydroxid - Ionen (OH - ) , einen Proton (H annehmen + ) aus den Ammoniumionen in den Ammoniumchloridelektrolyten zu produzieren Moleküle Ammoniak und Wasser.

Zn(s) + 2 MnO 2 (s) + 2 NH 4 Cl(wässrig) → ZnCl 2 ( wässrig ) + Mn 2 O 3 (s) + 2 NH 3 (wässrig) + H 2 O(l),

oder wenn man noch die Hydratation des Mn 2 O 3 (s) -Sesquioxids zu Mn(III)-Oxy-Hydroxid berücksichtigt :

Zn(s) + 2 MnO 2 (s) + 2 NH 4 Cl(wässrig) → ZnCl 2 ( wässrig ) + 2 MnO(OH)(s) + 2 NH 3 (wässrig)


Alternativ kann die Reduktionsreaktion von Mn(IV) weiter ablaufen, wobei Mn(II)-Hydroxid gebildet wird.

Zn(s) + MnO 2 (s) + 2 NH 4 Cl(wässrig) → ZnCl 2 ( wässrig ) + Mn(OH) 2 (s) + 2 NH 3 (wässrig)

Verwendet

Die von einer Leclanche-Zelle erzeugte elektromotorische Kraft (EMK) beträgt 1,4 Volt mit einem Widerstand von mehreren Ohm, wenn ein poröser Topf verwendet wird. Es wurde in großem Umfang in der Telegrafie , Signaltechnik , elektrischen Klingeln und ähnlichen Anwendungen verwendet, bei denen intermittierender Strom erforderlich war und es wünschenswert war, dass eine Batterie wenig Wartung erforderte.

Die Nasszelle der Leclanché-Batterie war der Vorläufer der modernen Zink-Kohle-Batterie (eine Trockenzelle ). Die Zugabe von Zinkchlorid zur Elektrolytpaste erhöht die EMK auf 1,5 Volt. Spätere Entwicklungen verzichteten vollständig auf Ammoniumchlorid, wodurch eine Zelle erhalten wurde, die länger anhaltende Entladungen aushält, ohne dass ihr Innenwiderstand so schnell ansteigt (die Zinkchlorid-Zelle).

Siehe auch

Verweise

Literaturverzeichnis

  • Praktische Elektrizität von WE Ayrton und T. Mather, herausgegeben von Cassell and Company, London, 1911, S. 188–193