Leclanché-Zelle – Wikipedia

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Eine Illustration einer Leclanché-Zelle von 1919

Das Leclanché-Zelle ist eine Batterie, die 1866 vom französischen Wissenschaftler Georges Leclanché erfunden und patentiert wurde.[1][2][3] Die Batterie enthielt eine leitende Lösung (Elektrolyt) von Ammoniumchlorid, eine Kathode (positiver Anschluss) aus Kohlenstoff, einen Depolarisator aus Mangandioxid (Oxidationsmittel) und eine Anode (negativer Anschluss) aus Zink (Reduktionsmittel).[4][5] Die Chemie dieser Zelle wurde später erfolgreich angepasst, um eine Trockenzelle herzustellen.

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Table of Contents

Geschichte[edit]

1866 erfand Georges Leclanché eine Batterie, die aus einer Zinkanode und einer Mangandioxidkathode bestand, die in ein poröses Material eingewickelt und in ein Gefäß mit Ammoniumchloridlösung getaucht waren. In die Mangandioxidkathode war ebenfalls etwas Kohlenstoff eingemischt, was die Leitfähigkeit und Absorption verbesserte.[6] Es lieferte eine Spannung von 1,4 Volt.[7] Diese Zelle erzielte sehr schnelle Erfolge bei Telegraphie, Signalisierung und elektrischer 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 wird der Akku leer und das Gespräch unhörbar.[8] Dies liegt daran, dass bestimmte chemische Reaktionen in der Zelle den Innenwiderstand erhöhen und somit die Spannung senken. Diese Reaktionen kehren sich um, wenn die Batterie im Leerlauf bleibt, sodass sie nur für den intermittierenden Gebrauch geeignet ist.[9]

Konstruktion[edit]

Die ursprüngliche Form der Zelle verwendete einen porösen Topf. Dies gab ihm einen relativ hohen Innenwiderstand und es wurden verschiedene Modifikationen vorgenommen, um ihn zu reduzieren. Dazu gehörten die “Agglomeratblockzelle” und die “Sackzelle”. Leclanché zuerst und Carl Gassner später bemühten sich beide, die ursprüngliche Nasszelle in eine tragbarere und effizientere Trockenzelle umzuwandeln.

Poröse Topfzelle
In Leclanchés ursprünglicher Zelle wird der Depolarisator (tatsächlich 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 Ammoniumchloridlösung getaucht. Die flüssige Lösung wirkt als Elektrolyt und durchdringt den porösen Topf, um Kontakt mit der Kathode herzustellen.
Agglomeratblockzelle
1871 verzichtete Leclanché auf den porösen Topf und ersetzte ihn durch ein Paar “Agglomeratblöcke”, die mit Gummibändern an der Kohleplatte befestigt waren. Diese Blöcke wurden hergestellt, indem das Mangandioxid mit Bindemitteln gemischt und die Mischung in Formen gepresst wurde.
Sackzelle
In dieser Zelle wird der poröse Topf durch eine Umhüllung aus Segeltuch oder Sack ersetzt. Zusätzlich wird der Zinkstab durch einen Zinkzylinder ersetzt, um eine größere Oberfläche zu erhalten. Es hat einen geringeren Innenwiderstand als eines der oben genannten (porös und agglomeriert).
Stärkezusatz
1876 ​​fügte Georges Leclanché dem Ammoniumchlorid-Elektrolyten Stärke hinzu, um ihn besser zu gelieren.
Verbesserte Trockenzelle
1888 verbesserte der deutsche Arzt Carl Gassner den Gelierprozess und stellte eine tragbarere Trockenzelle her, indem er Gips und hydrophile Chemikalien mit dem Ammoniumchlorid-Elektrolyten mischte.

Chemie[edit]

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

– Anode (Oxidation von Zn): Zn → Zn2+ + 2e– –
– Kathode (Reduktion von Mn (IV)): 2 MnO2 + 2NH4+ + 2e– – → 2 MnO (OH) + 2 NH3

Der chemische Prozess, der in einer Leclanché-Zelle Elektrizität erzeugt, beginnt, wenn Zinkatome auf der Oberfläche der Anode oxidieren, dh sie geben beide Valenzelektronen auf, um positiv geladenes Zn zu werden2+Ionen. Wie das Zn2+ Ionen bewegen sich von der Anode weg und lassen ihre Elektronen auf ihrer Oberfläche. Die Anode wird negativer geladen als die Kathode. Wenn die Zelle in einem 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.

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Wenn der Strom durch die Schaltung fließt und sich die Elektronen in der Kathode (Kohlenstoffstab) befinden, verbinden sie sich mit Mangandioxid (MnO)2) und Wasser (H.2O), die miteinander unter Bildung von Manganoxid (Mn2Ö3) und negativ geladene Hydroxidionen. Dies geht mit einer sekundären Säure-Base-Reaktion einher, bei der die Hydroxidionen (OH– –) akzeptiere ein Proton (H.+) aus den im Ammoniumchlorid-Elektrolyten vorhandenen Ammoniumionen zur Erzeugung von Ammoniak- und Wassermolekülen.[10]

Zn (s) + 2 MnO2(s) + 2 NH4Cl (aq) → ZnCl2(aq) + Mn2Ö3(s) + 2 NH3(aq) + H.2O (l),

oder wenn man auch die Hydratation des Mn berücksichtigt2Ö3(s) Sesquioxid in Mn (III) -oxyhydroxid:

Zn (s) + 2 MnO2(s) + 2 NH4Cl (aq) → ZnCl2(aq) + 2 MnO (OH) (s) + 2 NH3(aq)

Alternativ kann die Reduktionsreaktion von Mn (IV) weiter ablaufen und Mn (II) -hydroxid bilden.

Zn (s) + MnO2(s) + 2 NH4Cl (aq) → ZnCl2(aq) + Mn (OH)2(s) + 2 NH3(aq)

Die von einer Leclanche-Zelle erzeugte elektromotorische Kraft (EMK) beträgt 1,4 Volt bei einem Widerstand von mehreren Ohm, wenn ein poröser Topf verwendet wird.[7] Es wurde in großem Umfang in der Telegraphie, Signalgebung, bei elektrischen Glocken und ähnlichen Anwendungen eingesetzt, bei denen intermittierender Strom erforderlich war und es wünschenswert war, dass eine Batterie nur wenig Wartung benötigt.

Die Leclanché-Batterie-Nasszelle war der Vorläufer der modernen Zink-Kohlenstoff-Batterie (eine Trockenzelle). Die Zugabe von Zinkchlorid zu der Elektrolytpaste erhöht die EMK auf 1,5 Volt. Spätere Entwicklungen verzichteten vollständig auf Ammoniumchlorid, wodurch eine Zelle entstand, die eine nachhaltigere Entladung aushalten kann, ohne dass ihr Innenwiderstand so schnell ansteigt (die Zinkchloridzelle).

Siehe auch[edit]

Verweise[edit]

  1. ^ Leclanché, “une Haufen à Oxyd unlöslich“” [an insoluble oxide battery]Französisches Patent Nr. 71.865 (ausgegeben: 8. Juni 1866) in: Französisches Ministerium für Landwirtschaft und Handel (1881). Beschreibung der Maschinen und Prozesse für die Erfindung der Brevets d’invention ont été pris… [Descriptions of machines and procedures for which patents have been taken …] (auf Französisch). vol. 98. Paris, Frankreich: Imprimerie Nationale. S. 33–34.
  2. ^ Leclanché, Georges (1868). “Quelques Beobachtungen sur l’emploi des piles électriques. Pile constante au peroxyde de manganèse à un seul liquide”. Les Mondes. 16: 532.
  3. ^ Jensen, William B. (Januar 2014). “The Leclanché Cell. Museumsnotizen, Oesper-Sammlungen”. hdl:2374.UC / 731246.
  4. ^ Leclanché, Georges (1867). Anmerkungen zu den Plektren électriques en télégraphie, Pile constante au peroxyde de manganèse à un seul liquide. Paris: Impr. de Hennuyer et fils.
  5. ^ Leclanché, Georges (1869). Hinweis auf den Stapel Leclanché: Précédée de quelques considérations sur l’emploi des piles électriques en télégraphie. Paris: Jamin, Bailly et cie, Burndy Library.
  6. ^ Zink-Kohlenstoff-Batterien, molekulare Ausdrücke. magnet.fsu.edu
  7. ^ ein b Simms, JW (1965) Der junge Elektriker MIEE p. 61
  8. ^ Batterie Fakten. “Leclanché Cell”. Abgerufen 2007-01-09.
  9. ^ Calvert, James B. “Der elektromagnetische Telegraph”. du.edu. Abgerufen 2007-01-12.
  10. ^ “Kommerzielle galvanische Zellen: Leclanché Dry Cell”. Abgerufen 2017-12-26.

Literaturverzeichnis[edit]

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


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