La celda Leclanché es una batería inventada y patentada por el científico francés Georges Leclanché en 1866. [1] [2] [3] La batería contenía una solución conductora ( electrolito ) de cloruro de amonio , un cátodo (terminal positivo) de carbono , un despolarizador de dióxido de manganeso (oxidante) y un ánodo (terminal negativo) de zinc (reductor). [4] [5] La química de esta celda se adaptó posteriormente con éxito para fabricar una celda seca .
En 1866, Georges Leclanché inventó una pila que consistía en un ánodo de cinc y un cátodo de dióxido de manganeso envuelto en un material poroso, sumergido en un recipiente con solución de cloruro de amonio . El cátodo de dióxido de manganeso también tenía un poco de carbono mezclado, lo que mejoraba la conductividad y la absorción. [6] Proporcionaba un voltaje de 1,4 voltios. [7] Esta pila alcanzó un éxito muy rápido en telegrafía, señalización y trabajo con campanas eléctricas.
La pila seca se utilizaba para alimentar los primeros teléfonos (normalmente desde una caja de madera adyacente fijada a la pared) antes de que los teléfonos pudieran obtener energía de la propia línea telefónica. La pila Leclanché no podía proporcionar una corriente sostenida durante mucho tiempo; en conversaciones prolongadas, la batería se agotaba, lo que hacía que la conversación fuera inaudible. [8] Esto se debe a que ciertas reacciones químicas en la pila aumentan su resistencia interna y, por lo tanto, reducen su voltaje. Estas reacciones se revierten cuando la batería se deja inactiva, lo que la hace buena para muchos períodos cortos de uso con tiempo de inactividad entre ellos, pero no para períodos largos de uso. [9]
La forma original de la celda utilizaba un recipiente poroso, lo que le otorgaba una resistencia interna relativamente alta, y se realizaron varias modificaciones para reducir la resistencia, entre ellas la "celda de bloque aglomerado" y la "celda de saco". Leclanché primero y Carl Gassner después, ambos se esforzaron por transformar la celda húmeda original en una celda seca más portátil y eficiente .
La reacción redox en una celda de Leclanché implica las dos semirreacciones siguientes:
El proceso químico que produce electricidad en una celda Leclanché comienza cuando los átomos de zinc en la superficie del ánodo se oxidan , es decir, ceden sus dos electrones de valencia para convertirse en iones Zn 2+ con carga positiva . A medida que los iones Zn 2+ se alejan del ánodo, dejando sus electrones en su superficie, el ánodo se carga más negativamente que el cátodo. Cuando la celda está conectada a un circuito eléctrico externo , los electrones sobrantes en el ánodo de zinc fluyen a través del circuito hacia la varilla de carbono , y el movimiento de electrones forma una corriente eléctrica . La diferencia de potencial de carga sobre el ánodo y el cátodo es igual a la diferencia de los dos potenciales de semirreacción, lo que produce un voltaje teórico de 1,99 V de energía potencial a través de los terminales. Una variedad de factores, como la resistencia interna , reducen este valor de salida a los 1,4 voltios medidos en estas celdas en la práctica.
A medida que la corriente viaja por el circuito, cuando los electrones entran en el cátodo (barra de carbono), se combinan con dióxido de manganeso (MnO 2 ) y agua (H 2 O), que reaccionan entre sí para producir óxido de manganeso (Mn 2 O 3 ) e iones hidróxido con carga negativa . Esto va acompañado de una reacción ácido-base secundaria en la que los iones hidróxido (OH – ) aceptan un protón (H + ) de los iones amonio presentes en el electrolito de cloruro de amonio para producir moléculas de amoníaco y agua. [10]
o si también se considera la hidratación del sesquióxido de Mn 2 O 3 (s) en oxihidróxido de Mn (III):
Alternativamente, la reacción de reducción de Mn(IV) puede continuar, formando hidróxido de Mn(II).
La fuerza electromotriz (fem) producida por una celda Leclanche es de 1,4 voltios , con una resistencia de varios ohmios donde se utiliza un recipiente poroso. [7] Se usó ampliamente en telegrafía , señalización , timbres eléctricos y aplicaciones similares donde se requería corriente intermitente y era deseable que una batería requiriera poco mantenimiento.
La pila húmeda de Leclanché fue la precursora de la moderna pila de zinc-carbono ( pila seca ). La adición de cloruro de zinc a la pasta electrolítica eleva la fem a 1,5 voltios. Los desarrollos posteriores prescindieron por completo del cloruro de amonio, dando lugar a una pila que puede soportar una descarga más sostenida sin que su resistencia interna aumente tan rápidamente (la pila de cloruro de zinc).