2. «Сухой» элемент Лекланше. «Сухие» элементы новой конструкции.

Первичные источники тока – это источники одноразового действия. примером таких элементов может служить марганцово-цинковый элемент с солевым электролитом, известным под названием «сухой» элемент. Он был предложен французским химиком Лекланше в конце XIX века и почти без изменений дошел до наших дней. В марганцево-цинковом элементе активными материалами, обеспечивающими токообразующую окислительно - восстановительную реакцию, являются диоксид марганца MnO₂ и цинк. Катодом в этом элементе является МnO₂ с токоотводом из угля, так как двуоксид марганца недостаточно хорошо проводит ток. МnO₂ находится в контакте с электролитом, основным компонентом которого является влажный хлорид аммония NH₄Cl. Этот электролит достаточно вязкий, практически не текуч, поэтому элемент называют «сухим», хотя в нём конечно есть и молекулы воды, принимающие непосредственное участие в электродных процессах.

Схематически элемент можно изобразить так:

Анод Zn / NH₄Cl / MnO₂ Катод

На катоде происходит восстановление диоксида марганца:

MnO₂ + H₂O + e^- = MnOOH + OH^-

На аноде окисляется цинк: Zn – 2e^- = Zn²⁺.

Перешедшие в электролит катионы цинка образуют гидроксид:

Zn²⁺ + 2 OH^- = Zn(OH)₂.

2Zn(OH)₂ + 4 NH₄Cl = [Zn(NH₃)₄ ]Cl₂ + ZnCl₂ + 4H₂O.

Суммарный анодный процесс можно описать уравнением:

2Zn + 4 NH₄Cl + 4 OH^- = 4e^- + [Zn(NH₃)₄ ]Cl₂ + ZnCl₂.

Суммируя катодный и анодный процесс, получим уравнение токообразующей реакции:

2Zn + 4 NH₄Cl + 4 MnO₂ = 4MnOOH + [Zn(NH₃)₄ ]Cl₂ + ZnCl₂.

ЭДС элемента составляет 1,5 – 1,65 В. Это обусловлено некоторым колебанием потенциалов электродов в зависимости от рН загущенного раствора хлорида аммония.

К числу достоинств «сухого» элемента Лекланше относится его способность работать в любом положении и невосприимчивость к сотрясениям и другим не очень сильным механическим воздействиям.

В «сухих» цилиндрических элементах новой конструкции, например, «Марс» (373) в цинковый стакан вставлена свёрнутая в цилиндр картонная диафрагма, покрытая с наружной стороны электролитной пастой. Внутрь цилиндра вставлен не обёрнутый агломерат (диоксид марганца, сажа, 18% хлорид аммония), который плотно прижимает диафрагму к цинковому стаканчику. Электролит имеет следующий состав (в %): NH₄Cl (15), ZnCl₂ (4,5), CaCl₂ (4,5), HgCl₂ (0,3), MgCl₂ (3), мука (15), вода (57,5). Хлориды цинка и кальция вводят для уменьшения высыхания электролита; хлориды магния и ртути – для уменьшения скорости коррозии цинка.

«Сухие» элементы используются для питания различной бытовой и радиолюбительской аппаратуры. Они могут эксплуатироваться при температуре от -5 до +55⁰С. Однако они плохо работают при низких температурах и больших токах.

3. Щелочные (алкалические) марганцово-цинковые и медноокисные

элементы.

В настоящее время большое внимание уделяется производству алкалических марганцево-цинковых элементов. Электрохимическую схему такого элемента можно изобразить следующим образом:

А (-) Zn / KOH, K₂Zn(OH)₄ / MnO₂ (+)

Е⁰ _MnO2/Mn2+ = 0,17 В; Е⁰ _Zn/Zn2+ = - 1,22 В. ЭДС = 0,17 – ( -1,22) = 1,39 В.

По сравнению с солевыми марганцево-цинковыми элементами они имеют лучшую работоспособность при больших токах разряда, кроме того, алкалические элементы могут быть использованы при температурах от 25 до 55^оС, имеют хорошую герметичность и малый саморазряд.

Они применяются для питания при повышенных токах разряда в переносных радиоприемниках, магнитофонах, портативных телевизорах и т.д.

Схема щелочных медноокисных элементов следующая:

А(-) Zn / KOH / CuO, Cu (+) К

Анодный процесс: Zn – 2e^- + 2 KOH = K₂ZnO₂ + 2H⁺;

Катодный процесс: CuO + 2e^- + 2H⁺ = Cu + H₂O.

Суммарный процесс: Zn + CuO + 2 KOH = K₂ZnO₂ + Cu + H₂O.

В качестве положительного электрода используют CuO или (CuO+Cu) с добавкой жидкого стекла. Отрицательным электродом служит сплав цинка с ртутью, которая способствует уменьшению саморазряда. Эти элементы используются стационарно для сигнализации и связи на железнодорожном транспорте.