Клетки, используемые сегодня

Встречи с электрохимией, часть 4

На предыдущих встречах мы обсуждали первые современные типы гальванических элементов, нашедшие практическое применение? Стопка Вольты и ячейка Даниэллы. Поэтому пришло время познакомиться с клетками, которые используются сегодня, хотя их история насчитывает много лет. Конечно (как и в случае с другими изобретениями), выпускаемые в настоящее время модели существенно отличаются от своих предшественников. Однако принцип работы остается прежним.

ссылка Лекланше В 1866 году французский инженер Жорж Лекланше (1839–1882) построил ячейку, которую мы до сих пор используем для питания небольшого оборудования, такого как портативные радиоприемники, пульты дистанционного управления телевизором, фонарики, фотоаппараты. Но не будем путать эти батареи? (как их в народе, хоть и неправильно называют) с часто используемыми аккумуляторными батареями одного размера (цена — вполне определенный критерий дифференциации?). Однако первоначальная конструкция Лекланше имела недостаток ячеек Вольта и Даниэлла? используется 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 (браунштын) смешивали с графитовой пылью и помещали в нее графитовый стержень. Внешний сосуд заполняли концентрированным водным раствором хлорида аммония NH.₄Кл. На электродах клетки протекают следующие реакции:

(-)Zn⁰ ? ЗН²⁺ + 2e^—

 (+) 2NH₄⁺   + 2e^— ? 2НХ₃+ H₂

Но это еще не все. Свободный аммиак связывается ионами цинка с комплексным катионом тетрааминоцинка, а водород реагирует с браунштейном с образованием оксигидроксида марганца (III):

 Zn²⁺ + 4НН₃ ? [Zn(NH3)]²⁺

 2MnO₂ + H₂ ? 2MnO (ОН)

Диоксид марганца играет роль так называемого деполяризатор графитового электрода, поглощающий выделяющийся водород (иначе газ, скапливающийся на поверхности угольного стержня, изолировал бы его от остального электролита и прерывал бы протекание тока). Элементы Лекланше с рабочим напряжением около 1,5 В использовались для питания телеграфов, электрических звонков и даже первых телефонов. Удобство использования было повышено за счет конструкции сухого варианта клетки. Это сделал в 1887 г. немецкий изобретатель Карл Гасснер (1855-1942), заменив жидкий раствор хлорида аммония смесью этой соли с влажной гипсовой пылью (в настоящее время обычно применяют крахмальную кашицу или силикагель). Наконец-то миновала угроза разлива жидкости! Однако клетка не совсем без воды? если бы это было так, он не смог бы функционировать. Как для мокрого, так и для сухого варианта схема строительства следующая:

(-)Zn l NH₄Cl_aq l MnO₂,С(+)

Химический раздел

Проведем разрез ячейки Лекланше и подтвердим наличие некоторых веществ (а также узнаем подробности конструкции). Мы также будем рассматривать использованные батареи как источник потенциального сырья для нашей лаборатории? мы будем осуществлять внутреннюю переработку. Проверим, действительно ли перед нами классический цинк-графитовый элемент (имеет обозначение типа: R03, R6, R14, R20, 3R12) и приступим к работе! Сначала подготовим позицию. Пригодится поднос (чтобы не испачкать все вокруг) и защитные перчатки (во избежание порезов). Чтобы разобрать звено, вам понадобятся плоскогубцы или ножницы по металлу. После снятия защитного покрытия (обычно из металла) с нанесенной информацией мы уже видим цинковую чашку. С помощью щипцов осторожно вытаскиваем графитовый стержень, чрезвычайно полезный для проведения многих экспериментов по электрохимии. Так что аккуратно зачищаем и оставляем на потом (латунную «шапочку» с кончика электрода не снимайте, к ней легко припаять провод). Теперь разрезаем чашку и достаем содержимое. Часть возле вытащенного электрода черная и содержит двуокись марганца вместе с графитовой пылью; фрагмент, расположенный у стенок цинковой чашки, имеет более светлый оттенок. Всю массу (с консистенцией густого теста) замачивают в концентрированном растворе хлористого аммония. Чашка закрывается пластиковым диском или слоем дегтя, что предотвращает высыхание содержимого. После очистки цинковый лист остается в нашей мастерской для дальнейшего использования. Смешайте содержимое внутренней части батареи с небольшим количеством воды (30-50 см³ на массу, извлеченную из одной «палочки») и нагревают несколько минут, затем фильтруют в чистую колбу. Подтвердим наличие хлорида аммония в полученном фильтрате. Мы отложили шлам для дальнейшего исследования.

Анализ состава клетки Лекланша, часть 1

Анализ состава клетки Лекланша, часть 2

Во-первых, хлорид-анион Cl^?. Для его обнаружения используют чувствительную реакцию с раствором азотнокислого серебра AgNO.₃. Разделим фильтрат на две части и в одну из них добавим немного раствора лазурита концентрацией около 5%. Сразу же образуется белый творожистый осадок хлорида серебра:

 Ag⁺ + Кл^— ? AgCl?

Осадок, оставленный на свету, через несколько минут темнеет из-за фотохимического разложения соли серебра. Дополнительным тестом для подтверждения личности вещества является раствор свежеосажденного осадка в аммиачной воде NH._3aq или в растворе тиосульфата натрия Na₂S₂O₃. В ходе реакции образуются водорастворимые комплексы серебра. Во второй порции фильтрата обнаруживают ионы NH аммония.₄⁺ чрезвычайно чувствительной реакцией Несслера? в 1856 году немецкий химик Юлиус Несслер (1827?1905) впервые применил его в анализе. Для изготовления реактива потребуются следующие растворы: калия йодида KI и ртути (II) нитрата (V) Hg (NO₃)₂ с концентрацией около 5%. Проявим необходимую осторожность при обращении с токсичными соединениями ртути! Сначала мы осаждаем оранжево-красный осадок йодида ртути (II) HgI.₂. Затем по каплям добавляют еще раствор йодида калия (до полного растворения осадка). Возникающие сложные отношения? тетрайодёркурий калия (II)? реактив Несслера:

 Hg (НЕТ₃)₂ + 2КИ? HgI₂? + 2КНО₃

 HgI₂ + 2КИ? К.₂HgI₄

Теперь полученный реагент переливаем в колбу с частью фильтрата и подщелачиваем смесь несколькими см³ раствор гидроксида натрия NaOH. Развивается желто-оранжевое окрашивание содержимого колбы или, в случае более высокой концентрации ионов аммония, образуется красно-коричневый осадок сложного соединения ртути довольно сложного строения:

 NH₄Кл + 2К₂HgI₄ + 4NaOH? [OHg₂NH₂]I + KCl + 4NaI + 3H₂O

Высокочувствительный тест Несслера обнаруживает даже следовые количества солей аммония или аммиака в воде. Очередь на диоксид марганца MnO₂. Попыткой обнаружения соединений марганца является реакция с диоксидом свинца PbO.₂ в концентрированном растворе азотной кислоты (V) HNO₃. В связи с необходимостью использования сильных окислителей мы проведем тест в микромасштабе. Добавьте щепотку PbO к небольшому количеству осадка на фильтре, помещенному в пробирку.₂ и около 1 см³ концентрированный раствор HNO₃. Осторожно подогрев до кипения, дождитесь остывания содержимого. Затем добавить по каплям немного воды. Жидкость над осадком приобретает красновато-фиолетовый цвет, напоминающий цвет раствора? Да! KMnO перманганат калия₄. Действительно, под действием окислителя более сильного, чем MnO₂ реакция дает ионы MnO₄^—:

 2MnO₂ + 3PbO₂ + 4H⁺ ? 2MnO₄^— + 3Pb²⁺ + 2H₂O

Анализ состава клетки Лекланша, часть 3

Модификации ячейки Лекланше

Ячейка Лекланше, которой почти 150 лет, до сих пор не вышла из употребления благодаря простоте конструкции и невысокой цене изделия. За время своей карьеры он претерпел множество модификаций, которые увеличили его срок службы и мощность. Одним из способов продления срока службы элемента является добавление хлорида цинка ZnCl.₂ для пасты для наполнения чашек. Ячейки этой конструкции часто называют Heavy Duty и (как следует из названия) предназначены для питания более энергоемких устройств. Хлорид аммония, соль слабого основания и сильной кислоты, гидролизуется, вызывая кислую реакцию раствора, заполняющего ячейки. Цинк в этой среде все время растворяется, даже когда мы не выводим электричество из системы. Для предотвращения неблагоприятного воздействия принимаются различные меры по ограничению расхода металла при простое электролизера. Одним из них является амальгамирование (нанесение ртутного покрытия с образованием раствора цинка). ?амальгама) внутренней поверхности цинковой чашки. Амальгама цинка практически не реагирует с кислотами, но сохраняет все электрохимические свойства чистого металла. Из-за правовых норм, касающихся защиты окружающей среды, этот метод повышения долговечности элементов используется все реже (на безртутных элементах можно встретить слова «0% ртути» или «без ртути»). Прорывом в области одноразовых батареек стала конструкция щелочного элемента в 1955 году. Изобретением мы обязаны канадскому инженеру Льюису Фредерику Урри (1927–2004), сотруднику нынешней компании Energizer. Конструкция Урри немного отличается от конструкции ячейки Лекланше. Во-первых, мы не найдем в нем ни графитового катода, ни цинковой чашки. Оба электрода в виде влажных, разделенных паст (загустители плюс реагенты: катод из смеси диоксида марганца и графита, анод из цинковой пыли, смешанной с гидроксидом калия). Только клеммы ячейки сделаны из металла. Однако реакции, происходящие на электродах, аналогичны:

(-)Zn⁰ ? ЗН²⁺ + 2e^—

 (+) 2MnO₂ + 2H₂О + 2е^— ? 2MnO(ОН) + 2ОН^—

  Затем ионы цинка реагируют с анионами гидроксида, образуя сложную связь:

 Zn²⁺ + 4ОН^— ? [Цинк (ОН)₄]^2-

Щелочные элементы характеризуются гораздо лучшими функциональными свойствами по сравнению с классическими элементами Лекланше и, прежде всего, способностью потреблять электричество с большей интенсивностью и более длительным сроком службы. Буква L присутствует в маркировке щелочных элементов (размещена на корпусе изделия), например LR6. При использовании элементов Лекланше или щелочных элементов не оставляйте их в питаемом устройстве, когда они разряжены. Агрессивная внутренняя среда неумолимо атакует оболочку, пока она не будет полностью «израсходована». Утечка электролита может повредить электронное оборудование. По тем же причинам не выбрасывайте использованные клетки в мусор, а сдавайте их в пункты сбора (возможно, вы даже найдете в своей школе специально отмеченный ящик). Также следует помнить, что одноразовые элементы нельзя регенерировать и ни в коем случае нельзя пытаться их заряжать? газообразные продукты могут разорвать корпус. Следует также иметь в виду, что проблема клеток, используемых сегодня, только намечена. Помимо вышеперечисленных существует еще целый ряд других конструкций (например, литиевые элементы), не говоря уже об аккумуляторных батареях (о них подробнее в выпуске про аккумуляторы). Во время следующей встречи мы построим несколько связей совсем другого типа.