TROCKENZELLE: STRUKTUR UND FUNKTION - CHEMIE - 2025

Eine Trockenzelle ist eine Batterie, deren Elektrolytmedium aus einer Paste und nicht aus einer Lösung besteht. Diese Paste hat jedoch eine bestimmte Luftfeuchtigkeit und ist aus diesen Gründen nicht streng trocken.

Die geringe Menge Wasser reicht aus, damit sich die Ionen bewegen und folglich die Elektronen in der Zelle fließen.

Quelle: Emilian Robert Vicol über Flickr.

Der enorme Vorteil gegenüber den ersten nassen Batterien besteht darin, dass der Inhalt nicht verschüttet werden kann, da es sich um eine Elektrolytpaste handelt. Dies war der Fall bei nassen Batterien, die gefährlicher und empfindlicher waren als ihre trockenen Gegenstücke. Angesichts der Unmöglichkeit des Verschüttens findet die Trockenzelle Verwendung in vielen tragbaren und mobilen Geräten.

Im oberen Bild befindet sich eine trockene Zink-Kohlenstoff-Batterie. Genauer gesagt handelt es sich um eine moderne Version des Georges Leclanché-Stapels. Von allen ist es das häufigste und vielleicht das einfachste.

Diese Geräte stellen eine energetische Annehmlichkeit dar, da sie chemische Energie in der Tasche haben, die in Elektrizität umgewandelt werden kann. und auf diese Weise nicht abhängig von Steckdosen oder der Energieversorgung großer Kraftwerke und ihres riesigen Netzwerks von Türmen und Kabeln.

Trockenzellstruktur

Wie ist eine Trockenzelle aufgebaut? Auf dem Bild sehen Sie die Abdeckung, die nichts weiter als eine Polymerfolie, Stahl und die beiden Anschlüsse ist, deren Isolierscheiben von vorne herausragen.

Dies ist jedoch nur sein äußeres Erscheinungsbild; Im Inneren liegen die wichtigsten Teile, die das ordnungsgemäße Funktionieren gewährleisten.

Jede Trockenzelle hat ihre eigenen Eigenschaften, es wird jedoch nur die Zink-Kohlenstoff-Zelle berücksichtigt, von der eine allgemeine Struktur für alle anderen Batterien skizziert werden kann.

Unter einer Batterie wird die Vereinigung von zwei oder mehr Batterien verstanden, und letztere sind Voltaikzellen, wie in einem zukünftigen Abschnitt erläutert wird.

Elektroden

Quelle: Wikipedia

Das obere Bild zeigt die innere Struktur einer Zink-Kohlenstoff-Batterie. Unabhängig von der Voltaikzelle sollten (normalerweise) immer zwei Elektroden vorhanden sein: eine, von der Elektronen abgegeben werden, und die andere, die sie empfängt.

Elektroden sind elektrisch leitende Materialien, und damit Strom vorhanden ist, müssen beide unterschiedliche Elektronegativitäten aufweisen.

Zum Beispiel ist Zink, ein weißes Zinn, das die Batterie umschließt, der Ort, an dem die Elektronen zum Stromkreis (Gerät) gelangen, an den sie angeschlossen sind.

Andererseits ist im gesamten Medium die graphitische Kohlenstoffelektrode; auch eingetaucht in eine Paste aus NH ₄ Cl, ZnCl ₂ und MnO ₂ .

Diese Elektrode empfängt die Elektronen und hat das Symbol '+', was bedeutet, dass es sich um den Pluspol der Batterie handelt.

Terminals

Wie über dem Graphitstab im Bild zu sehen ist, befindet sich der positive elektrische Anschluss; und darunter die innere Zinkdose, aus der Elektronen fließen, der negative Anschluss.

Aus diesem Grund sind die Batterien mit '+' oder '-' gekennzeichnet, um die richtige Art und Weise anzuzeigen, wie sie an das Gerät angeschlossen und somit eingeschaltet werden.

Sand und Wachs

Obwohl nicht gezeigt, ist die Paste durch einen Polstersand und eine Wachssiegelung geschützt, die verhindert, dass sie unter geringfügigen mechanischen Stößen oder Bewegung verschüttet wird oder mit dem Stahl in Kontakt kommt.

Funktion

Wie funktioniert eine Trockenzelle? Zunächst handelt es sich um eine Voltaikzelle, dh sie erzeugt Elektrizität aus chemischen Reaktionen. Daher treten in Zellen Redoxreaktionen auf, bei denen die Spezies Elektronen gewinnen oder verlieren.

Die Elektroden dienen als Oberfläche, die die Entwicklung dieser Reaktionen erleichtert und ermöglicht. Abhängig von ihren Ladungen kann es zu einer Oxidation oder Reduktion der Spezies kommen.

Um dies besser zu verstehen, werden nur die chemischen Aspekte der Zink-Kohlenstoff-Batterie erläutert.

Oxidation der Zinkelektrode

Sobald das elektronische Gerät eingeschaltet ist, setzt die Batterie durch Oxidation der Zinkelektrode Elektronen frei. Dies kann durch die folgende chemische Gleichung dargestellt werden:

Zn => Zn ²⁺ + 2e ^-

Wenn viel Zn ²⁺ das Metall umgibt, tritt eine positive Ladungsvorspannung auf, so dass keine weitere Oxidation stattfindet. Daher muss das Zn ²⁺ durch die Paste zur Kathode diffundieren, wo die Elektronen zurücktreten.

Sobald die Elektronen das Artefakt aktiviert haben, kehren sie zur anderen Elektrode zurück: der Graphitelektrode, um einige chemische Spezies zu finden, die darauf „warten“.

Ammoniumchloridreduktion

Wie bereits erwähnt, enthält die Pasta NH ₄ Cl und MnO ₂ , Substanzen, die den pH-Wert sauer machen. Sobald die Elektronen eintreten, treten folgende Reaktionen auf:

2NH ₄ ⁺ + 2e ^- => 2NH ₃ + H ₂

Die beiden Produkte Ammoniak und molekularer Wasserstoff, NH ₃ und H ₂ , sind Gase und können daher die Batterie "quellen", wenn sie keine anderen Umwandlungen erfahren. wie die folgenden zwei:

Zn ²⁺ + 4NH ₃ => ²⁺

H ₂ + ₂ MnO ₂ => ₂ MnO (OH)

Es ist zu beachten, dass das Ammoniak reduziert wurde (gewonnene Elektronen), um NH _{3 zu werden} . Diese Gase wurden dann durch die anderen Komponenten der Paste neutralisiert.

Der ²⁺ -Komplex erleichtert die Diffusion der Zn ²⁺ -Ionen zur Kathode und verhindert so, dass die Zelle „blockiert“.

Der externe Stromkreis des Geräts fungiert als Brücke für die Elektronen; Andernfalls würde es niemals eine direkte Verbindung zwischen der Zinkdose und der Graphitelektrode geben. Im Bild der Struktur würde diese Schaltung das schwarze Kabel darstellen.

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Trockenzellen gibt es in vielen Varianten, Größen und Arbeitsspannungen. Einige von ihnen sind nicht wiederaufladbar (primäre Voltaikzellen), während andere (sekundäre Voltaikzellen) sind.

Die Zink-Kohle-Batterie hat eine Arbeitsspannung von 1,5V. Ihre Formen ändern sich aufgrund ihrer Elektroden und der Zusammensetzung ihrer Elektrolyte.

Es wird einen Punkt geben, an dem der gesamte Elektrolyt reagiert hat, und egal wie stark das Zink oxidiert, es wird keine Spezies geben, die die Elektronen aufnehmen und ihre Freisetzung fördern.

Darüber hinaus kann es vorkommen, dass die gebildeten Gase nicht mehr neutralisiert werden und Druck in den Zellen ausüben.

Zink-Kohlenstoff-Batterien und andere Batterien, die nicht wiederaufladbar sind, müssen recycelt werden. da seine Bestandteile, insbesondere Nickel-Cadmium-Bestandteile, durch Verschmutzung von Böden und Gewässern umweltschädlich sind.

Verweise

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