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 con éxito posteriormente para fabricar una celda seca .
En 1866, Georges Leclanché inventó una batería que constaba de un ánodo de zinc y un cátodo de dióxido de manganeso envueltos en un material poroso, sumergidos en un frasco de solución de cloruro de amonio . El cátodo de dióxido de manganeso también tenía un poco de carbono mezclado, lo que mejoró la conductividad y la absorción. [6] Proporcionó un voltaje de 1,4 voltios. [7] Esta célula logró un éxito muy rápido en telegrafía, señalización y timbres eléctricos.
La forma de celda seca se utilizó para alimentar los primeros teléfonos, generalmente desde una caja de madera adyacente fijada a la pared, antes de que los teléfonos pudieran obtener energía de la propia línea telefónica. La célula de Leclanché no pudo proporcionar una corriente sostenida por mucho tiempo; en conversaciones largas, la batería se agotaba, haciendo que la conversación fuera inaudible. [8] Esto se debe a que ciertas reacciones químicas en la celda 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 válida para muchos períodos cortos de uso con tiempo de inactividad entre ellos, pero no para períodos de uso prolongados. [9]
La forma original de la celda utilizaba una vasija porosa. Esto le dio una resistencia interna relativamente alta y se hicieron varias modificaciones para reducir la resistencia. Entre ellas se encontraban la "celda de bloques de aglomerado" y la "celda de sacos". Leclanché primero, y Carl Gassner después, se esforzaron por transformar la celda húmeda original en una celda seca más portátil y más eficiente .
La reacción redox en una celda de Leclanché implica las dos semirreacciones siguientes:
El proceso químico que produce electricidad en una pila Leclanché comienza cuando los átomos de zinc de la superficie del ánodo se oxidan , es decir, ceden sus dos electrones de valencia para convertirse en iones Zn 2+ cargados positivamente . A medida que los iones Zn 2+ se alejan del ánodo, dejando sus electrones en su superficie, el ánodo adquiere una carga más negativa que el cátodo. Cuando la celda se conecta en un circuito eléctrico externo , el exceso de electrones en el ánodo de zinc fluye a través del circuito hasta la varilla de carbono , formando el movimiento de los electrones una corriente eléctrica . La diferencia de potencial en la carga sobre el ánodo y el cátodo es igual a la diferencia de los dos potenciales de media reacción, 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 desde estas celdas en la práctica.
A medida que la corriente viaja por el circuito, cuando los electrones ingresan al 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 de hidróxido cargados negativamente . 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 cuando se utiliza un recipiente poroso. [7] Tuvo un amplio uso en telegrafía , señalización , timbres eléctricos y aplicaciones similares donde se requería corriente intermitente y era deseable que una batería requiriera poco mantenimiento.
La batería de celda húmeda Leclanché fue la precursora de la moderna batería de zinc-carbono (una celda seca ). La adición de cloruro de zinc a la pasta de electrolito eleva la fem a 1,5 voltios. Los desarrollos posteriores prescindieron por completo del cloruro de amonio, dando lugar a una celda que puede soportar una descarga más sostenida sin que su resistencia interna aumente tan rápidamente (la celda de cloruro de zinc).