Батарейный мир — часть 2

Предыдущий выпуск был посвящен предыстории элементов питания, а также «игрушечным» батарейкам, не имеющим практического применения. Оказалось, что ячейки можно сделать практически из ничего — нужна пара разных пластин или проводов, токопроводящий раствор и готово. На этот раз ссылки настоящие.

Хотя создание элемента тривиально и трудно даже сосчитать, сколько существует возможных комбинаций металлов и электролитов, практическое значение получили лишь несколько моделей. Интересно, что многим из тех, что используются сегодня, уже более ста лет.

Венок и куча

Первые батареи практического значения, которые сегодня уже не используются, были построены на рубеже 1-го века (XNUMX). итальянский физик Алессандро Вольта (от его имени происходит название единицы напряжения) построена система, аналогичная.

1. Герои этого эпизода (слева направо): Алессандро Вольта (1745-1827), Джон Даниэль (1790-1845), Жорж Лекланше (1839-1982).

Налил в стеклянную посуду раствор серной кислоты (VI) Н.₂SO₄а затем погружали в них соединенные серебряные и цинковые пластины так, чтобы серебро было в одной чаше, а цинк в другой.

Вся батарея располагалась по кругу, в результате чего один серебряный и цинковый электроды располагались рядом друг с другом. Венок из кубков (так называлась конструкция) позволяла проводить многие пионерские опыты, но была не очень удобна: был риск пролить раствор, а после выполнения работы приходилось вынимать электроды из блюда, потому что цинк реагировал с кислотой.

Модификация не заставила себя долго ждать. Вольта сложил стопку из цинковых пластин и серебряных монет, а пары разных металлов разделил войлочными прокладками, смоченными морской водой (оригинальная конструкция) или другим раствором электролита. Во время презентации изобретения конструктор обложил аккумулятор кожей электрического угря.

Вероятно, у вас недостаточно серебряных монет, чтобы построить точную копию. Вольта стек. Вместо этого используйте медные, цинковые или алюминиевые пластины. Очистите металлические поверхности и расположите пластины, как показано на рисунке (2). В качестве разделителей используйте сложенную папиросную бумагу или более грубую хлопчатобумажную ткань, смоченную раствором соли или пищевой соды (на разделители не должен капать раствор, достаточно, чтобы они были только влажными). Стабилизируйте ламели, чтобы ворс не развалился и слегка вдавите его (из реек можно соорудить каркас). Измерьте напряжение между крайними пластинами и попробуйте запитать светодиод. В стеке может быть еще одна походная батарея.

2. Построение стека Вольта.

Сконструированные в начале девятнадцатого века, батареи давали напряжение в сотни вольт и давали возможность английскому химику Дэвьему получение ряда новых элементов (включая натрий и калий). Однако клетка, построенная итальянским физиком, как и аналогичные сооружения того периода, имела серьезные недостатки.

После окончания использования систему пришлось разобрать, так как цинковая пластина вступила в реакцию с раствором электролита, что привело к разрушению конструкции. Вторым недостатком была поляризация медного электрода. Этот термин охватывает выделение пузырьков газа, которые прилипают к поверхности металла и со временем изолируют электрод от раствора (что приводит к разрыву цепи).

На службе у телеграфа

Звено, получившее в свое время большое применение, было построено английским химиком и физиком Джон Даниэль, изготовленный в 1836 г. Система представляла собой медную пластину, погруженную в раствор сульфата меди (II) CuSO (VI)₄ и цинковая пластина, погруженная в раствор сульфата цинка ZnSO.₄. Оба раствора находились в одном сосуде. В сосуде также была пористая перегородка, препятствовавшая смешиванию двух растворов, но допускавшая электрический контакт между ними (мизерные количества жидкости проникали в обоих направлениях, обеспечивая транспорт ионов и замыкая цепь). Поскольку раствор кислоты не использовался, был устранен недостаток ячейки Вольта, заключающийся в растворении цинка в неработающей системе. Кроме того, на медном электроде не выделялся водород, что препятствовало его поляризации.

Сделайте реплику прямо сейчас клетки Даниэллы. Поместите кусок картона, соответствующий его размеру, в стакан. Соединение стен и перегородки заделайте пластилином или санитарным силиконом. Налейте раствор CuSO в одну часть сосуда.₄и к другому ZnSO₄. Подождите немного, пока жидкости проникнут в картон, и погрузите медные и цинковые пластины в солевые растворы. Измерьте напряжение между электродами — оно должно быть 0,9-1,1 В.

Можно провести эксперимент и другим способом. Налейте раствор CuSO в один стакан.₄ и погрузить в него медную пластину, а в другом месте раствор ZnSO₄ вместе с цинковой пластиной.

Измерение напряжения между электродами покажет ноль – вы не замкнули цепь. Вам понадобится электролитический ключ, который обеспечивает контакт между растворами, но предотвращает их смешивание. Под этим названием имеется просто сложенная в несколько раз полоска папиросной бумаги, концы которой вы опустите в обе мензурки.

Растворы проникают в бумагу и обеспечивают транспорт ионов в обоих направлениях. Использовать электролитический ключ (профессиональные модели, конечно, сложнее) имеет много преимуществ: не нужна диафрагма, растворы практически не смешиваются, удаление ключа разрывает цепь (3).

3. Ячейка Даниэллы: слева — вариант с диафрагмой (положительный электрод — медь, отрицательный электрод — цинк), справа — с электролитическим ключом.

Ячейка Даниэллы использовалась для питания электрического телеграфа, построенного в то же время. Структура клетки подвергалась изменениям. В некоторых моделях повторно использовался раствор серной кислоты вместо раствора ZnSO.₄, что повышало КПД системы (конечно, после окончания работы цинковый электрод приходилось снимать, чтобы предотвратить его разрушение).

Телеграф заставляет меняться

Сотовая связь Даниэллы питала телеграфы по всему миру, но у нее все же был существенный недостаток — необходимость обрабатывать решения, которые всегда могли вылиться наружу. Спрос со стороны телеграфных компаний заставил физиков и химиков усердно работать над созданием новых батарей.

4. Конструкция современного варианта ячейки Лекланше: 1. Герметизация ячейки (электродный изолятор); 2. Графитовый стержень (катод); 3. Массовое заполнение ссылки; 4. Корпус из цинкового стакана (анода).

Прорывом стала ссылка, которую он построил в 1866 году. Жорж Лекланш. Первоначальная конструкция имела главный недостаток элементов Вольта и Даниэля — в них по-прежнему использовался жидкий электролит. Ячейка состояла из сосуда, в который вставлялся цинковый электрод, и сосуда из пористого материала (например, непокрытого фарфора). В контейнер насыпали влажный порошок диоксида марганца MnO.₂ смешивали с графитовой пылью и помещали в нее графитовый стержень (графит подходит для электрода, так как проводит электричество). Внешний сосуд заполняли концентрированным водным раствором хлорида аммония NH.₄Cl.

клетки Лекланше с рабочим напряжением около 1,5 В он использовался для питания телеграфов, электрических звонков и даже первых телефонов. Удобство использования было повышено за счет конструкции «сухого» варианта ячейки.

В 1887 году немецкий изобретатель Карл Гасснер заменили жидкий электролит смесью хлористого аммония с влажной гипсовой пылью (в настоящее время для этой цели обычно используют крахмальную кашицу или силикагель). Угроза разлива жидкости наконец-то прекратилась. Несмотря на использование названия «сухой элемент», он не совсем без воды — иначе он не смог бы функционировать. О блестящей идее французского инженера и немецкого изобретателя свидетельствует тот факт, что конструкция до сих пор широко используется для питания мелкой аппаратуры, например, портативных радиоприемников, пультов дистанционного управления телевизорами, фонариков, фотоаппаратов (4).

Сотовый раздел

Использованная ячейка Лекланше — очень ценный актив для вашей домашней лаборатории. Выполнение его «раздела» позволит вам получить некоторые полезные ресурсы. Во-первых, убедитесь, что вы действительно имеете дело с классическим цинко-графитовым элементом, иначе от «лабораторной утилизации» ничего не выйдет. Подсказкой является маркировка на корпусе. Если вы заметили код R03, R6, R14, R20, приступайте к работе (подробнее о маркировке ячеек в следующем эпизоде).

Сначала подготовьте рабочее место. Вам понадобится поднос (все не испачкаете) и защитные перчатки (не порежетесь). Используйте плоскогубцы или ножницы по металлу, чтобы демонтировать звено. После снятия защитного покрытия из листовой стали с выбитой на нем информацией вы увидите цинковую чашку. Используя щипцы, осторожно вытащите графитовый стержень, который можно использовать в качестве электрода. Не снимайте латунный колпачок с кончика стержня, так как вы легко припаяете к нему провод. Разрежьте цинковую чашку и выньте ее содержимое. Начиночная масса имеет консистенцию густого теста, а часть ее у вытащенного электрода черного цвета и содержит двуокись марганца вместе с графитовой пылью. Чашка закрывается пластиковым диском или слоем дегтя, что предотвращает высыхание содержимого. Выпрямите цинковую пластину и тщательно очистите ее. Смешайте темную массу с водой, а после того, как осадок осядет на дно, слейте ее и высушите. Таким образом вы получите диоксид марганца (добавление графита не мешает большинству применений MnO).₂) (5).

5. Ячейка Лекланше «срез».

Отнесите остатки в пункт сбора использованных батареек. Надеюсь, вы всегда так делаете, и не выбрасываете ненужные химические источники питания (это опасные отходы, загрязняющие окружающую среду) в контейнеры с обычным бытовым мусором. Не оставляйте использованные элементы Лекланше в включенном устройстве.

6. Так происходит коррозия клеток.

Агрессивная внутренняя среда разрушает покрытие до полного его «съедания», а утечка электролита может, в свою очередь, привести к выходу из строя электронного оборудования (6). Также помните, что одноразовые элементы нельзя регенерировать и ни в коем случае нельзя их заряжать — выделяющиеся газообразные продукты могут разорвать корпус.

Персональный вольтметр

Сегодня мы используем вольтметр для измерения напряжения, но ученые смогли обойтись и без него. Роль меры играл… язык экспериментатора! Невероятный? Проверьте самостоятельно. Достаточно батарейки с напряжением 4,5 или 9 В. Прикосновение языком к латунным пластинам вызовет отчетливое пощипывание. Можно только представить (ни в коем случае не использовать для тестирования источник более высокого напряжения!) опыт исследователей, испытывающих аккумуляторы, состоящие из множества металлических пластин. В этом убедился и сам Наполеон Бонапарт. В начале девятнадцатого века Франция соперничала с Англией во всех областях, а не только на полях сражений. Когда сэр Гемфри Дэви получил некоторые новые элементы с помощью электролиза, император французов (оценивший важность науки и техники) основал батарею с напряжением, превышающим 200 В, для парижских ученых, чтобы они тоже могли проводить свои исследования. . Однажды он посетил Сорбонну, чтобы посмотреть, как работает новый источник энергии. Прежде чем кто-либо успел среагировать, Наполеон приложил язык к электродам…