Elektrochemie: Leclanché-Element

Computergestützte Experimente - Messung: Spannung

Elektrochemie
Leclanché-Element (Modell)

Ziel: Abhängigkeit der Entladungszeit von der Stärke des Entladestromes

Peter Keusch

Messwerterfassung mit dem Programm CHEMEX und dem Analog-Digital-Wandler CHEMBOX
IBK electronic + informatic

English version

Chemikalien:
20 %ige Ammoniumchlorid - Lösung
Braunsteinpulver
Graphitpulver

Geräte und Glaswaren:
Becherglas 100 mL
Becherglas 250 mL
Zinkblech 140 mm × 75 mm × 1 mm
Graphitstab d = 5 mm
Extraktionshülse bzw. Tonzylinder 100 mm × 30 mm
Amperemeter
Voltmeter
Schalter
Schiebewiderstand (100 W)
Verbindungsschnüre
Anschlußklemmen

Gefahren und Sicherheitsmaßnahmen:

Braunstein ist gesundheitsschädlich beim Einatmen, Verschlucken und bei Berührung mit der Haut. Reizt die Augen, Atmungsorgane und die Haut.

Schutzbrille, Schutzhandschuhe und gute Raumdurchlüftung erforderlich.

Theoretische Grundlagen (Download)

Vorbereitung:

Das Zinkblech wird so zu einem Zylinder gebogen, dass es der Innenwand eines 100 mL Becherglases anliegt. In einem 250 mL Becherglas werden 7 g Graphitpulver mit 40 g Braunsteinpulver zunächst mit einem Glasstab gut vermengt und anschließend mit 40 mL 20%iger Ammoniumchloridlösung zu einer Paste verrührt. Mit der Paste wird eine Extraktionshülse oder ein entsprechend großer Tonzylinder gefüllt. Die Extraktionshülse (bzw. der Tonzylinder) wird mit einem einfach durchbohrten Stopfen, durch den ein 5 mm dicker Graphitstab geführt ist, verschlossen und in das mit dem Zinkblech ausgekleidete Becherglas gestellt. Man füllt das Becherglas mit 20 %iger Ammoniumchloridlösung und fixiert den Graphitstab mittels eines Stativs und einer Klemme vertikal im Zentrum des Zylinders (Abb. 1).

Der Zinkzylinder wird mit der negativen, der Graphitstab mit der positiven Anschlußklemme des Eingangs Sensor 1 der CHEMBOX verbunden. Die Anpassung des Messprogramms CHEMEX erfolgt, wie im Experiment Edisonakkumulator beschrieben.

Abb. 1: Leclanché-Element     Schaltskizze für Belastung
1: Zinkzylinder     2: Ammoniumchlorid - Lösung     3: Graphistab
4 : Extraktionshülse     5: Graphit-Braunstein-Paste)

Versuchsdurchführung:

Zur Stromentnahme werden die Elektroden der Zelle über einen Schalter, einen regulierbaren Widerstand, sowie ein Amperemeter verbunden (Abb. 1). Der Widerstand wird so eingestellt, daß die gewünschte Stromstärke vorliegt. Die Spannungsänderung wird mit einem Messtakt von 2 Sekunden registriert.

Messungen:

· Unmittelbar nach dem Zusammenbau wird die Zelle zum ersten Mal entladen. Man legt den Schalter um und startet die Spannungsmessung in Chemex. Der Widerstand ist so reguliert, dass ein Strom von 20 mA fließt. Nach 8 Minuten wird der Stromfluß unterbrochen und noch 2 Minuten die Erholung des Elements verfolgt.
· mit einer 5 Tage alten Zelle
Zunächst wird 8 Minuten lang ein Strom von 10 mA entnommen, der Stromkreis unterbrochen und ebenfalls noch 2 Minuten die Erholung der Zelle gemessen. Man wartet bis die Spannung wieder auf 1.4 V gestiegen ist und belastet anschließend die Zelle jeweils mit 20 bzw. 30 mA.

Abb. 2: Messbildschirm     Belastung eines 5 Tage alten Leclanché-Elements mit 10 mA

Versuchsauswertung:

Die mit Chemex aufgenommenen Messwertpaare werden in Microsoft Excel importiert und hier ausgewertet.

Abb. 3: Belastung des Leclanché-Elements mit 20 mA
1: unmittelbar nach Zusammenbau     2: 5 Tage nach Zusammenbau

Abb. 3 zeigt, dass die Zelle bei gleicher Belastung fünf Tage nach dem Zusammenbau eine höhere Spannung halten kann, als unmittelbar nach Erstellung der Zelle. Nach Unterbrechung des äußeren Stromkreises erholen sich beide Zellen jedoch gleich schnell.

Abb. 4: Belastung des Leclanché-Elements (5 Tage alt) mit 10 (1)     20 (2)    30 mA (3)

Das Leclanché-Element weist eine anfängliche Spannung von ca 1.4 V auf. Nach Schließen des Stromkreises fällt die Spannung sofort ab und zwar umso stärker, je höher die entnommene Stromstärke ist. Nach dem abrupten Abfall hält die Zelle die Spannung bei nur leichtem Absinken. Nach 8 Minuten wird der Stromkreis unterbrochen. Die Spannung steigt in der Erholungsphase zunächst sprunghaft an (Abb. 4), wobei sich die Zelle umso schneller erholt, je niedriger die Stärke des entnommenen Stroms ist. Das Leclanché - Element erweist sich als eine wenig konstante Batterie.

Abb. 5: Auftragung der Belastungsstärke gegen die nach 8 Minuten gemessene Spannung der Zelle

Bei einer Stromentnahme von 10 mA besitzt das Leclanché-Element nach 8 Minuten eine doppelt so hohe Spannung, wie bei der Belastung mit 20 mA und eine dreimal so hohe Spannung wie bei der Belastung mit 30 mA (Abb. 5).

Liste der Chembox-Experimente