Bartosz Puchalski

Ćwiczenie nr 4

Wykonanie ogniwa pierwotnego typoszeregu (R)

1. Wstęp teoretyczny.

Ogniwo galwaniczne jest to ogniwo, w którym źródłem prądu są reakcje chemiczne zachodzące między elektrodą, a elektrolitem. Dwie elektrody zanurzone w elektrolicie (półogniwa) tworzą ogniwo galwaniczne. Różnica potencjałów elektrod to siła elektromotoryczna ogniwa (SEM). Istnieje także pojęcie ogniwa pasożytniczego, a więc ogniwa pojawiającego się samoistnie w niezamierzonym miejscu i powodującego niekorzystne skutki np.:

• korozja metali - pasożytnicze ogniwo pojawia się np. na zanieczyszczonych i wilgotnych połączeniach dwóch różnych metali lub pomiędzy kadłubem statku zanurzonego w elektrolicie jakim jest woda morska, a elementami wykonanymi z innych metali,

• szumy elektryczne - mikroogniwa na zabrudzonych stykach,

• ogniska zapalne - ogniwa tworzące się na implantach wewnątrz organizmu.

Ogniwa galwaniczne dzieli się na:

• ogniwa pierwotne - działają jednorazowo, do momentu wyczerpania;

• ogniwa wtórne - zbudowane z odtwarzalnych materiałów elektrodowych;

• ogniwa paliwowe - pracują tak długo, jak z zewnątrz dostarczane jest paliwo i utleniacz

Przykładem ogniwa pierwotnego jest ogniwo manganowo-cynkowe, zwane ogniwem Leclanchégo. Pierwotnie pręt węglowy umieszczano w porowatym naczyniu napełnionym rozdrobnionym węglem i brausztynem. Składniki te starannie mieszano, a następnie prasowano w celu uzyskania bardzo dobrego kontaktu pomiędzy poszczególnymi ziarnami. W późniejszych wersjach mieszaninie brausztynu i węgla nadawano za pomocą spoiwa kształt walca w środku którego umieszczano elektrodę cynkową. Elektrolitem był roztwór NH₄Cl, najczęściej 20 %.

Ogniwo to było dość kłopotliwe w użytkowaniu z powodu rozlewania się ciekłego elektrolitu. W oparciu o ogniwo Leclanchégo zbudowano więc tak zwane ogniwo suche. Suche ogniwo zbudowane przez Gassnera składało się z cynkowego naczynia stanowiącego jednocześnie anodę i obudowę ogniwa, z pręta węglowego otoczonego mieszaniną depolaryzacyjną, umieszczoną w tkaninie oraz z elektrolitu w postaci galarety. W nowocześniejszych ogniwach suchych elektrolit zawarty jest w absorbencie jakim jest masa węglowa, który zapobiega wylewaniu się. Ogniwo to jednak nie może być zupełnie suche cały czas musi być wilgotne by działać.

Schemat ogniwa Leclanchégo przedstawia się następująco:

(Utl.) Zn (-)  NH₄Cl_(aq)  MnO₂  C (+) (Red.)

Zn Zn²⁺, NH₄Cl, H₂O  MnO₂, C

Zn  NH₄Cl, ZnCl₂  MnO₂, C

Na anodzie zachodzą procesy rozpuszczania cynku:

Zn → Zn²⁺ + 2ē

Na katodzie zachodzi najprawdopodobniej reakcja:

2MnO₂ + 2H+ + 2ē → Mn₂O₃ + H₂O

Sumaryczna reakcja wygląda następująco:

Zn + 2MnO₂ + H₂O → ZnO + 2MnO(OH)

lub

Zn + 2MnO₂ + 2H₂O → Zn(OH)₂ + 2MnO(OH)

Schemat budowy ogniwa:

;gdzie:

1 - kapturek mosiężny,

2 - pręt grafitowy,

3 - masa węglowa nasycona elektrolitem,

4 - przegroda papierowa,

5 - kubek cynkowy,

6 - masa uszczelniająca.

Podstawową metodą produkcji ogniw suchych. W pierwszej dno i ściany boczne naczynia cynkowego wykłada się tekturą z celulozy siarczynowej i masy drzewnej, a wokół centralnie umieszczonej elektrody węglowej ubija się mieszaninę MnO₂-NH₄Cl-ZnCl₂. U góry tekturę zagina się tak, że pokrywa ona masę depolaryzującą i ogniwo uszczelnia się przez zalanie odpowiednią substancją.

W wyniku reakcji zachodzących na katodzie i anodzie elektrody uzyskują potencjał elektrostatyczny. Różnica potencjałów między elektrodami w stanie równowagi układu to siła elektromotoryczna. SEM ogniwa galwanicznego można sumować łącząc szeregowo lub równolegle zespół ogniw w baterie. Szeregowe połączenie kilku ogniw powoduje wzrost napięcia, natomiast połączenie równoległe zwiększa pojemność elektryczną.

2. Wykonanie ćwiczenia.

• Przygotowanie mieszaniny depolaryzacyjnej: Do 20g brausztynu chińskiego (belgijskiego) dodano 4g drobno zmielonego ZnCl₂, 4g sadzy acetylenowej i 8ml elektrolitu (20% wag. ZnCl₂, 20% wag. NH₄Cl i 60% wag. H₂O). Całość mieszano do czasu otrzymania jednolitej masy.

• Wykonanie ogniwa Leclanche'go: Sporządzoną mieszaninę depolaryzatora umieszczono w kubku cynkowym (R14), którego ścianki wyłożono wcześniej papierem nasyconym elektrolitem „Krafta” a dno izolacją denną (tekturową). Wzdłuż osi kubka umieszczono pręt grafitowy, na który następnie nałożono krążek separacyjny. Wystające brzegi separatora zawinięto do wnętrza kubka i nałożono wzmacniający krążek z PE. Na górze grafitowego pręta umieszczono mosiężny kapturek.

3. Wyniki eksperymentalne.

Dokonano pomiary siły elektromotorycznej z zbudowanych ogniw:

• dla ogniwa zawierającego brausztyn chiński SEM = 1,8433 V

• dla ogniwa zawierającego brausztyn belgijski SEM = 1,6497 V

4. Wnioski.

Na podstawie pomiarów siły elektromotorycznej ogniw widać, że depolaryzator zawierający brausztyn chiński ma większą wartość SEM niż depolaryzator zawierający brausztyn belgijski. Większa wartość SEM brausztynu chińskiego jest spowodowana większą czystością i większym rozdrobnieniem, a co za tym idzie większymi zdolnościami depolaryzacyjnymi.

---