Ćwiczenie nr 4.

Wykonanie ogniwa pierwotnego typoszeregu (R)

1. Wstęp teoretyczny.

[Ogniwa chemiczne (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. Oba składniki 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, zazwyczaj 20 %.]

Ogniwo omówione powyżej było dość kłopotliwe z powodu rozlewania się ciekłego elektrolitu. Zbudowano więc w oparciu o ogniwo Leclanchégo, tak zwane ogniwo suche. Pierwszy tej modyfikacji dokonał w 1888 roku Gassner. [Suche ogniwo 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 (masa węglowa), który zapobiega wylewaniu się. ]Ciekawostką jest to, że ogniwo nie może być zupełnie suche, powinno być zawsze dostatecznie wilgotne.

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 elektrodzie cynkowej zachodzą procesy:

Zn → Zn²⁺ + 2ē

W półogniwie prawym (Red.) zachodzi najprawdopodobniej reakcja:

2MnO₂ + 2H+ + 2ē → Mn₂O₃ + H₂O

Sumarycznie:

Zn + 2MnO₂ + H₂O → ZnO + 2MnO(OH)

lub

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

Schemat budowy takiego ogniwa (bateryjki) przedstawia poniższy rysunek:

1 - kapturek mosiężny; 2 - pręt grafitowy; 3 - masa węglowa nasycona elektrolitem; 4 - przegroda papierowa; 5 - kubek cynkowy; 6 - masa uszczelniająca.

Istnieją dwie podstawowe metody 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.

Metoda druga polega na tym, że pręt węglowy oraz otaczającą go mieszaninę elektrolitu i depolaryzatora owija się muślinem i obwiązuje sznurkiem. Całość umieszcza się w cynkowym naczyniu, pozostawiając między ścianą naczynia miejsce na elektrolit. Roztwór salmiaku i ZnCl₂ zagęszcza się za pomocą mąki lub innych materiałów żelujących (skrobia).

2. Literatura.

• W. Libuś, Z. Libuś; "Elektrochemia"; PWN 1987; Rozdział 1.; str.: 21-22.

• C.L. Mantell; "Elektrochemia przemysłowa"; tłumaczenie zbiorowe; WN-t 1960; Rozdział 23.; str.: 608-619.

3. Karty charakterystyk BHP.

Chlorek amonu: NH₄Cl.

1. Podstawowe właściwości fizykochemiczne:

• bezbarwny krystaliczny proszek;

• gęstość 1,53g/cm³;

• rozpuszczalny w wodzie, alkoholu i amoniaku.

2. Właściwości toksyczne:

• zatrucie zachodzi drogą doustną po zażyciu 20-30g.;

• powoduje wymioty, biegunkę i drgawki.

3. Ochrona przed właściwościami toksycznymi:

• w pracy należy przesypywać ostrożnie, nie pylić;

• po pracy myć dokładnie ręce.

4. Zasady udzielania pierwszej pomocy w nagłych wypadkach:

• w wypadku połknięcia, należy wywołać wymioty lub przeprowadzić płukanie żołądka.

4. Oświadczenie.

Oświadczam, że zapoznałem się z kartą charakterystyki wyżej wymienionej substancji i znane mi są właściwości, sposoby bezpiecznego postępowania z tą substancją oraz zasady udzielania pierwszej pomocy w nagłych wypadkach.

5. Cel wykonania ćwiczenia.

Zapoznanie się z budową, sposobem działania i technicznym montażem ogniwa pierwotnego na podstawie ogniwa Leclanchégo.

6. Opis wykonania ćwiczenia.

Do zlewki na 150 ml odważyłem kolejno:

• 20 g. brausztynu "chińskiego",

• 4 g. drobno zmielonego ZnCl₂,

• 4 g. sadzy acetylenowej.

Następnie do całości wlałem 8 cm³ elektrolitu o składzie:

• 20 % wag. ZnCl₂,

• 20 % wag. NH₄Cl,

• 60 % wag. H₂O.

Wszystko wymieszałem, aż utworzyła się jednolita masa.

Tak utworzony depolaryzator, przeniosłem (20 g) do kubka cynowego R-14. Ścianki i dno kubka wcześniej wyłożyłem separatorem nasyconym elektrolitem. Następnie centralnie w kubku umieściłem węgielek i krążek separacyjny. Brzegi separatora zagiąłem do wewnątrz i zamocowałem plastikowy krążek wzmacniający. Na górę węgielka umieściłem mosiężną końcówkę.

Analogicznie wykonałem drugą bateryjkę z brausztynem "belgijskim".

Po skonstruowaniu baterii, zmierzyłem woltomierzem wytwarzane przez nie napięcie elektryczne i umieściłem w zamkniętym słoiku.

7. Zestawienie wyników i wnioski.

Wytwarzane napięcie prądu elektrycznego [V] przez bateryjkę
z brausztynem "chińskim"	z brausztynem "belgijskim"
1,850	1,650

Pomiar napięcia tuż po złożeniu baterii świadczy o tym, że lepszym składnikiem depolaryzatora jest brausztyn "chiński". Brausztyn "chiński" najprawdopodobniej jest czystszy (zawiera więcej MnO₂) od brausztynu "belgijskiego", a także może być bardziej rozdrobniony, co by powodowało większą powierzchnię czynną i w efekcie większą różnicę potencjałów (wzrost napięcia).

Michał Szałkowski

Para nr V.

Ćwiczenie nr 4

.

4

Data wykonania ćwiczenia: 22.11.2002r.

Michał Szałkowski

Para nr V.

1

---