Элемент Лекланше

Элемент Лекланше — это электрохимический гальванический элемент, в котором в качестве анода используется цинк, в качестве катода — диоксид марганца (пиролюзит), а в качестве электролита — водный раствор хлорида аммония. Данный тип элемента является предшественником современной марганцево-цинковой («солевой») батарейки и широко применялся в XIX — первой половине XX века для питания электрических звонков, телеграфных аппаратов и других устройств, не требующих длительного непрерывного разряда.

История создания

Элемент был изобретён французским инженером-химиком Жоржем Лекланше (Georges Leclanché) в 1866 году. К тому времени уже существовали гальванические элементы Даниэля и Грене, однако они имели существенные недостатки: использование жидких электролитов (растворов серной кислоты или медного купороса) делало их неудобными в транспортировке и эксплуатации, а также требовало частого обслуживания.

Лекланше поставил задачу создать элемент с твёрдым или пастообразным электролитом, который был бы безопаснее и проще в обращении. В 1866 году он запатентовал конструкцию, в которой цинковый анод погружался в раствор хлорида аммония, а катод представлял собой пористый угольный стержень, заполненный смесью диоксида марганца и угольного порошка. Для предотвращения высыхания электролита элемент помещали в стеклянный сосуд.

В 1868 году Лекланше усовершенствовал конструкцию, заменив жидкий электролит на пастообразный, что позволило сделать элемент герметичным и пригодным для переноски. Этот вариант получил название «сухой элемент Лекланше» и стал прообразом современных солевых батареек.

Устройство и принцип действия

Элемент Лекланше состоит из следующих основных частей:

• Анод — цинковый стержень или пластина. Цинк выполняет роль отрицательного электрода и окисляется в процессе работы.
• Катод — пористый угольный стержень, окружённый смесью диоксида марганца (MnO₂) и угольного порошка. Диоксид марганца служит деполяризатором, предотвращая накопление водорода на катоде.
• Электролит — водный раствор хлорида аммония (NH₄Cl), часто с добавлением хлорида цинка (ZnCl₂) для улучшения проводимости и замедления коррозии цинка. В «сухих» элементах электролит загущается крахмалом или другим гелеобразователем.
• Корпус — в ранних моделях стеклянный сосуд, в более поздних — цинковый стакан, который одновременно служит анодом.

Электрохимические реакции

При замыкании внешней цепи на аноде происходит окисление цинка:

\[ \text{Zn} \rightarrow \text{Zn}^{2+} + 2e^- \]

На катоде диоксид марганца восстанавливается, взаимодействуя с ионами аммония из электролита:

\[ 2\text{MnO}_2 + 2\text{NH}_4^+ + 2e^- \rightarrow \text{Mn}_2\text{O}_3 + 2\text{NH}_3 + \text{H}_2\text{O} \]

Образующийся аммиак (NH₃) связывается с ионами цинка, образуя комплексные соединения, что предотвращает его выделение в газообразном виде. Суммарная реакция:

\[ \text{Zn} + 2\text{MnO}_2 + 2\text{NH}_4\text{Cl} \rightarrow \text{ZnCl}_2 + \text{Mn}_2\text{O}_3 + 2\text{NH}_3 + \text{H}_2\text{O} \]

Электродвижущая сила (ЭДС) элемента Лекланше составляет около 1,5 В, что близко к напряжению современных солевых батареек.

Классификация и разновидности

Элементы Лекланше классифицируются по типу электролита и конструктивному исполнению:

• Элементы с жидким электролитом — ранние модели, использовавшиеся в стационарных установках (телеграф, сигнализация). Требовали регулярной доливки воды.
• Сухие элементы — электролит в виде пасты, заключённой в цинковый стакан. Наиболее распространённая форма, выпускавшаяся вплоть до середины XX века.
• Элементы с «загущённым» электролитом — промежуточный вариант, где электролит смешивался с опилками или гипсом для уменьшения текучести.

По назначению выделялись:

• Звонковые элементы — для питания электрических звонков и дверных сигнализаций.
• Телеграфные элементы — для работы телеграфных аппаратов, где требовалась стабильность напряжения при кратковременных нагрузках.
• Анодные батареи — последовательное соединение нескольких элементов для получения более высокого напряжения (например, 45–90 В для питания радиоламп).

Применение

Элемент Лекланше получил широкое распространение в конце XIX — начале XX века благодаря своей простоте, дешевизне и безопасности по сравнению с кислотными элементами. Основные области применения:

• Электрические звонки и сигнализация — наиболее массовое применение в быту и на предприятиях.
• Телеграфия — питание телеграфных аппаратов, особенно в сельской местности, где не было централизованного электроснабжения.
• Телефония — ранние телефонные аппараты использовали элементы Лекланше для питания микрофона.
• Освещение — карманные фонари с лампами накаливания (до появления более ёмких щелочных элементов).
• Радиоаппаратура — в 1920–1930-х годах сухие элементы Лекланше применялись в анодных цепях радиоприёмников.

С 1950-х годов элемент Лекланше начал вытесняться более совершенными марганцево-цинковыми элементами с щелочным электролитом (щелочные батарейки), которые обладают большей ёмкостью и стабильностью работы. Однако вплоть до конца XX века «солевые» батарейки, являющиеся прямыми потомками элемента Лекланше, оставались самыми дешёвыми и доступными источниками питания.

Достоинства и недостатки

Достоинства

• Простота конструкции и низкая стоимость производства.
• Безопасность — отсутствие агрессивных кислот или щелочей.
• Возможность изготовления в герметичном исполнении (сухие элементы).
• Достаточно высокая ЭДС (1,5 В) для питания низковольтных устройств.

Недостатки

• Низкая удельная ёмкость по сравнению с щелочными элементами.
• Быстрое падение напряжения при длительной нагрузке — элемент не подходит для устройств, требующих стабильного тока.
• Саморазряд — цинковый анод постепенно корродирует даже при отсутствии нагрузки, что ограничивает срок хранения (обычно 1–2 года).
• Выделение аммиака при работе в негерметичных конструкциях, что может вызывать коррозию контактов.

Интересные факты

• Жорж Лекланше первоначально предлагал использовать в качестве деполяризатора не диоксид марганца, а смесь оксидов меди и железа, но впоследствии остановился на пиролюзите.
• В 1888 году немецкий учёный Карл Гасснер (Carl Gassner) усовершенствовал элемент Лекланше, заменив жидкий электролит на пасту с гипсом, что позволило создать первый по-настоящему «сухой» элемент, пригодный для массового производства.
• Элементы Лекланше использовались в первых электрических автомобилях конца XIX века, хотя их ёмкость была недостаточной для длительной езды.
• В СССР элементы Лекланше выпускались под названиями «Марс», «Сатурн», «Крона» (последнее — для батарей с напряжением 9 В) и широко применялись в бытовой технике до 1990-х годов.

Источники

• Лекланше, Жорж // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890–1907.
• Батарейки и аккумуляторы: история и современность / Под ред. В. С. Багоцкого. — М.: Энергия, 1975.
• Химические источники тока / Под ред. Н. В. Коровин. — М.: Высшая школа, 1983.
• Патент Франции № 71 865 (1866) на имя Georges Leclanché.
• Справочник по электрохимии / Под ред. А. М. Скундина. — Л.: Химия, 1981.