4. Гальванические элементы, применяемые на практике

Источники тока, получившие название гальванических элементов, позволили сделать много открытий в области физики, установить ряд основных законов электричества и магнетизма. После изобретения динамомашины в 60-х годах XIX века гальванические элементы как источники тока потеряли своё значение. Новый подъём интереса к ним начался с середины XX века в связи с развитием полупроводниковой радиотехники, микроэлектроники, космической техники.

Гальванические элементы получили широкое применение как удобные источники энергии, одним из важнейших достоинств которых является портативность и автономность. Хотя для создания гальванического элемента в принципе подходит любая окислительно-восстановительная реакция, разработка практически применимого галь­ванического элемента на основе какой-либо конкретной из таких реакций требует большой изобретательности. Обсуждавшиеся выше гальваниче­ские элементы с солевым мостиком позволяют понять принцип действия электрохи­мического элемента. Однако они неудобны для практического использования, поскольку обладают большим внутренним сопротивлением. Поэтому, если попы­таться получить с помощью такого гальванического элемента ток большой силы, его напряжение резко снизится. Помимо этого, описанным до сих пор гальваническим элементам недостаёт компактности и механической прочности, являющихся непре­менными условиями портативности.

Существующие гальванические элементы не выдерживают экономической кон­куренции с другими распространёнными источниками энергии. Стоимость электрической энергии, получаемой от обычных батарей, например, для кар­манных фонариков, приблизительно в 800 раз выше стоимости электроэнергии, вырабатываемой электростанциями.

Все источники электрической энергии, основанные на электрохимических процессах, можно разделить на 3 типа: одноразового использования (первичные элементы), многократного действия (аккумуляторы) и гальванические элементы с непрерывной подачей реагентов (топливные элементы).

Наиболее удобны сухие элементы и батареи из них.

Электрическая батарея представляет собой один или несколько гальванических элементов, последовательно соединённых друг с другом (когда положительный полюс одного элемента присоединяется к отри­цательному полюсу следующего элемента). ЭДС батареи равна сумме ЭДС от­дельных элементов.

5. Сухой элемент (элемент лекланше)

Сухие элементы используются, например, для питания электронных часов, электрических фонариков, радиоаппаратуры, игрушек.

Другое его название – элемент Лекланше. Это марганцево–цинковый гальванический элемент с солевым электролитом (рис. 4). Анод выполнен в виде цинковой цилиндрической оболочки элемента (1), контактирую­щей с прессованной активной массой – влажной пастой из MnO₂, NH₄C1, графитовой сажи (3). В пасту погружён инертный катод – графитовый стержень (2). Пространство между внутренними и наружными стенками цилиндра заполнено электролитной пастой из муки или других клееобразующих веществ, замешанных на растворе хлорида аммония и цинка (4). Снаружи су­хой элемент имеет оболочку из картона или металла, предохраняющую его от атмос­ферных воздействий.

Схематически элемент Лекланше изображается в виде:

– Zn NH₄Cl, ZnCl₂ MnO₂ , C + .

В этом гальваническом элементе протекают довольно сложные электродные процессы, причём катодная реакция зависит от скорости разрядки:

А: Zn  Zn²⁺ + 2ē;

К: 2NH₄⁺ + 2MnO₂ + 2ē  2MnOОН + 2NH₃.

Суммарная токообразующая реакция:

Zn + 2MnO₂ + 4NH₄Cl = [Zn(NH₃)₄ ]Сl₂ + 2MnOOH + 2HCl.

Из-за ограниченной подвижности реагентов в сухом элементе электрохимически ак­тивна лишь часть катодного вещества, находящаяся в непосредственной близости от электрода.

В другом варианте (щелочном) – вместо NH₄C1 используется КОН (щёлочь). Анод­ная реакция, по-прежнему, – окисление Zn, а на катоде – восстанавливается МnО₂. Сухой элемент такого типа обладает большей работоспособностью, чем кислотный, поскольку в нём не возникает коррозии цинкового анода при взаимодействии с кислым NH₄C1. Однако щелочные сухие элементы дороже. В любом ва­рианте ЭДС сухого элемента до 1,6 В.

Рис. 4. Вид сухого гальванического элемента в разрезе