Исследование влияния концентрации и свойств вещества на характеристики электрического тока в химических источниках питания.

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Платонов А.А. 1

---

1МОУ Быковская СОШ №14

Макаренкова Г.Ю. 1

---

1МОУ Быковская СОШ №14

Работа в формате PDF

4.4 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

1Введение.

Сегодня очень большое место в нашей жизни занимает электричество. Абсолютное большинство приборов, устройств и механизмов в той или иной степени задействуют электричество для своей работы. Я уже четвертый год занимаюсь в инженерном кружке, в частности электроникой и электрическими цепями и меня очень занимают вопросы получения эклектического тока. На занятиях кружка мы проводили эксперимент с медно-цинковым источником тока. Меня очень удивило, что от разных пластинок и уксуса зажегся светодиод.

Два года назад я делал проект, посвященный использованию альтернативных источников энергии и проводил сравнение разных методов получения электроэнергии, которые можно применять в домашних условиях. Я экспериментировал с солнечными батареями, ветрогенератором и химическим источником тока. В этом проекте в химическом источнике тока в качестве электролита я использовал столовый уксус – 9% раствор уксусной кислоты. Тогда же у меня возник вопрос – подходят ли еще какие-нибудь вещества для получения электрической энергии? И зависит ли вырабатываемый ток от вида электролита и концентрации электролитического вещества?

Цели проекта:

изучить характеристики электрического тока, который можно получить при использовании различных электролитов;

изучить характеристики электрического тока, который можно получить при использовании различных концентраций этих электролитов;

создать источник света (фонарик), который может достаточно долго работать автономно и безопасно, например, в условиях похода или при отключении электроэнергии.

Задачи:

провести анализ информации о химических источниках тока и веществах, способных давать электрический ток;

изучить принцип работы химических источников тока;

выбрать вещества и их концентрации, которые дали бы наилучшие результаты;

сконструировать установку, с помощью которой можно получать электрический ток, а также выбрать измерительные приборы, с помощью которых можно осуществлять замеры в различных растворах электролитов;

провести измерения в растворах различных электролитов и при различных концентрациях;

на основе измерений и расчетов выявить самый эффективное вещество и его концентрацию, дающую наибольшее количество энергии для работы двух или трех светодиодов;

сконструировать цепь, включающую источник энергии и светодиоды, питающийся от этого источника энергии, заключить их в оболочку, выполненную на 3D принтере для удобства использования (фонарик), который можно использовать при отсутствии электричества (например, в походе или при перебоях в электроснабжении).

Объект исследования – химический способ выработки электричества.

Предмет исследования – определение наиболее эффективного (дающего больше энергии) вещества и его концентрации в качестве альтернативного источника энергии.

2Краткие теоретические сведения о химических источниках тока.

В повседневной жизни можно часто встретить источники тока, которые так или иначе связаны с химическими реакциями. Начиная от недолговечных батареек АА в игрушках, пультах дистанционного управления телевизоров и так далее и до литий-ионных аккумуляторов в смартфонах. Также в продаже имеются многочисленные наборы для опытов – «Электрический ток из фруктов», «Соляная батарейка» и прочее. Все они преобразуют энергию химических реакций в электрическую энергию и являются химическими источниками тока.

Первый химический источник тока был изобретён итальянским учёным Алессандро Вольта в 1800 году. Это был сосуд с серной кислотой, туда были опущены цинковая и медная пластинки, с проволочными электродами, по которым выводился электрический ток. Но от одного сосуда электрический ток был довольно слабым. Поэтому учёный собрал батарею из этих элементов, которая впоследствии была названа «вольтовым столбом». Это изобретение использовали и другие учёные в своих исследованиях. Так, например, в 1802 году русский академик В.В. Петров сконструировал вольтов столб из 2100 элементов для получения электрической дуги.

В 1859 году французский физик Гастон Плантэ изобрёл свинцово-кислотный аккумулятор, поместив скрученную в рулон тонкую свинцовую пластину в серную кислоту. Этот тип элемента и по сей день используется в автомобильных аккумуляторах.

В 1865 году французский химик Ж. Лекланше предложил свой гальванический элемент, состоявший из цинкового стаканчика, заполненного водным раствором хлористого аммония или другой хлористой соли, в который был помещён агломерат из оксида марганца (IV) MnO₂ в качестве деполяризатора с угольным токоотводом. Модификация этой конструкции используется до сих пор в солевых батарейках для различных бытовых устройств.

Самый старый, поныне работающий гальванический элемент — серебряно-цинковая батарея, изготовленная в Лондоне в 1840 году. Подключенный к двум таким последовательно соединенным батареям звонок работает и по сей день в Кларендонской лаборатории Оксфорда.

Принцип действия

Во всех химических источниках тока имеются два электрода: КАТОД – положительно заряженный электрод и АНОД – отрицательно заряженный электрод. Эти электроды расположены в среде, которая называется электролит. Между электродами устанавливается разность потенциалов — электродвижущая сила. На аноде вещество окисляется, образующиеся свободные электроны переходят по внешней цепи к катоду, создавая электрический ток. Таким образом, поток отрицательно заряженных электронов по цепи идет от анода к катоду, то есть от отрицательного электрода (отрицательного полюса химического источника тока) к положительному. Это соответствует протеканию электрического тока в направлении от положительного полюса к отрицательному, так как направление тока совпадает с направлением движения положительных зарядов в проводнике.

В современных химических источниках тока используются:

в качестве материала анода — свинец Pb, кадмий Cd, цинк Zn и другие активные металлы;

в качестве материала катода — медь Cu и другие менее активные металлы; оксид свинца(IV) PbO₂, оксид марганца (IV) MnO₂ и другие;

в качестве электролита — растворы щелочей, кислот или солей.

В моем проекте я буду рассматривать самый доступный медно-цинковый элемент, состоящий из медной и цинковой пластин, погруженных в электролит. Схема такого элемента изображена на рисунке 1. В качестве катода в этом химическом элементе выступает медь, а в качестве анода – цинк.

Рисунок 1. Медно-цинковый гальванический элемент (катод – медная пластина, а в качестве анода – цинковая пластина.)

3Краткие теоретические сведения о процессах, происходящих в растворах электролитов.

Электролит — это вещество, расплав или раствор которого проводит электрический ток. Примерами электролитов могут служить кислоты, соли и основания (гидроксиды) и некоторые кристаллы (например, иодид серебра, диоксид циркония). Большинство органических соединений не проводят электрический ток и являются неэлектролитами.

Для объяснения свойств растворов электролитов шведским ученым С. Аррениусом в 1887 г была предложена теория электролитической диссоциации. Молекулы растворителя, в частности молекулы воды, полярны, то есть имеют на противоположных концах положительный и отрицательный полюса. При попадании вещества-электролита в окружение данных молекул, между ними и молекулами воды возникает слабое притяжение и молекулы воды как бы «отрывают» атомы или группы атомов. При этом в толще растворителя образовываются положительно и отрицательно заряженные ионы. Именно за счет движения таких ионов в среде электролита возникает электрический ток. Такие проводники относятся к проводникам второго рода.

Само данное явление распада вещества на ионы под воздействием растворителя называется электролитической диссоциацией.

При этом не все молекулы вещества могут распадаться на ионы. И даже при распаде на ионы параллельно в растворе могут идти процессы соединения противоположно заряженных ионов с образованием нейтральных молекул, которые не будут участвовать в образовании электрического тока. Поэтому, в зависимости от числа распавшихся ионов, электролиты подразделяются на сильные, слабые и средней силы.

Процесс электролитической диссоциации схематично представлен на рисунке 2.

Рисунок 2. Механизм процесса диссоциации.

Сильные электролиты — это электролиты, которые диссоциируют полностью. Их сила не зависит от концентрации раствора. Сюда относятся подавляющее большинство неорганических растворимых солей, щелочи, а также некоторые сильные кислоты, такие как соляная HCl, азотная HNO₃, серная H₂SO₄.

Слабые электролиты — это электролиты, которые диссоциируют не полностью. Количество образованных ионов в растворах таких электролитов сильно уменьшается с ростом концентрации. То есть, чем больше концентрация раствора – тем меньше ионов будет образовываться. К ним относят воду, ряд слабых кислот, таких как плавиковая HF, органические кислоты (уксусная, лимонная и т.д.).

4Проведение экспериментальной части.

Для того чтобы проанализировать характеристики получаемого электрического тока при использовании различных растворов электролитов, я воспользовался Электронным конструктором «ЗНАТОК» с приложением «Альтернативные источники энергии» (рисунок 3). Содержащиеся в этом наборе детали позволяли собрать гальванический элемент на 4 емкости.

Рис. 3. Электронный конструктор «ЗНАТОК» с приложением «Альтернативные источники энергии».

Таким образом, первоначально моя установка химического источника тока включала:

4 емкости для электролита;

по 4 пластины – медных и цинковых;

бельевые прищепки для обеспечения контакта пластин;

2 провода с зажимами типа «крокодил» для соединения концевых пластин с потребителем электрического тока;

потребитель тока – светодиод или часы.

Но такая установка давала слишком мало энергии даже для работы одного светодиода, поэтому я увеличил установку до 8 емкостей и соответственно 8 пар медно-цинковых пластин. Конструкция установки собрана из подручных материалов. Первоначальная установка представлена на рисунке 4, установка с 8 емкостями представлена на рисунке 5.

Рис. 4. Первоначальная установка гальванического элемента с 4 емкостями.

Рис. 5. Установка гальванического элемента с 8 емкостями.

Для проведения исследования мною были выбраны следующие вещества:

уксусная кислота;

лимонная кислота;

серная кислота H₂SO₄;

поваренная соль NaCl;

карбонат калия K₂CO₃;

калиевая щелочь KOH;

сахар (для подтверждения того, что это вещество не является электролитом).

Для выявления значимых различий в характеристиках электрического тока я проверял следующие концентрации растворов (данные указаны для приготовления 100 г раствора):

20% – 20 г вещества и 80 мл воды;

10% – 10 г вещества и 90 мл воды;

5% – 5 г вещества и 95 мл воды;

1% – 1 г вещества и 99 мл воды.

В емкости заливалось суммарно примерно 800 мл раствора. Для приготовления растворов использовалась дистиллированная вода и чистые вещества, в случае с уксусной кислотой – 6% и 70% растворы.

Измерения осуществлялись:

объем жидкостей – мерный цилиндр;

масса веществ – лабораторные электронные весы Hip;

параметры тока – цифровые мультиметры DT-838 и MAS830 (один из мультиметров подключался к установке стационарно, таким образом появлялась возможность следить за изменением напряжение (В) в течение времени).

5Данные полученные при проведении исследования.

Все данные, полученные в результате исследований, представлены в таблицах 1-7. Сводные данные представлены в таблицах 8-9. Диаграммы, иллюстрирующие данные по изменению силы тока и напряжению с нагрузкой в виде светодиода представлены на рисунках 9-10.

Так как некоторые показания цифровых мультиметров изменялись с течением времени (особенно силы тока) достаточно быстро, то в таблицах указаны средние значения.

Комментарии к таблице:

Сопротивление электронных часов большое, поэтому сила тока при включении часов в цепь резко падала;

В растворах 20% и 10% лимонной кислоты светодиод и дисплей часов светились очень слабо, почти незаметно;

В 20% растворе лимонной кислоты светодиод стал светиться только после примерно 1-2 минут ожидания; показания вольтметра сразу после наполнения емкостей 0,6 В, после 2 мин ожидания 1,72 В;

В растворе сахара ни одной из концентраций светодиод так и не загорелся, все показания приборов были раны 0.

В растворе поваренной соли, карбоната калия и калиевой щелочи светодиод загорался очень ярко; по внешним признакам (состоянию дисплея) у часов был переизбыток энергии;

В растворе карбоната калия и калиевой щелочи процесс около анода шел очень бурно, выделялись пузырьки газа, в случае карбоната калия – раствор достаточно активно мутнел вследствие того, что ионы Zn²⁺ выходили в раствор, соединялись с ионами CO₃²⁺ и образовывали нерастворимое вещество (рисунок 6);

В растворе калиевой щелочи реакции шли с бурным выделением газов, которые затрудняли дыхание, поэтому эту реакцию необходимо было проводить при открытых окнах (хорошей вентиляции) (рисунок 7);

Реакция с серной кислотой, особенно 20% шла бурно, около анода бурно выделялись пузырьки газа;

После экспериментов с растворами карбоната калия, калиевой щелочи и серной кислоты цинковые пластины сильно истончились и в них появились небольшие отверстия, они стали выглядеть как решето; (рисунок 8)

Так как на протяжении всех опытов использовались одни и те же пластины, которые со временем получали новые отверстия, следовательно, уменьшалась их площадь поверхности, поэтому неизбежны погрешности моих измерений. Если провести аналогичную серию опытов, применяя каждый раз новую партию пластин, результаты будут, я думаю, немного другими;

В растворах, которые давали наибольшее количество энергии, я подсоединял 2 и 3 светодиода, все они светились нормально, что дает основания предполагать, что собранный фонарик будет работать отлично;

Емкости с 10% раствором уксусной кислоты я оставлял с нагрузкой в виде одного светодиода на сутки – напряжение при этом снижалось незначительно на 0,01-0,02 В и также незначительно изменялась сила тока; при этом светодиод продолжал светится. Следовательно, у собранного автономного фонарика может быть достаточно большой ресурс.

Рисунок 6. Помутнение раствора карбоната калия.

Рисунок 7. Бурная реакция цинковой пластины с калиевой щелочью.

Рисунок 8. Внешний вид цинковой пластины после проведения исследований (пластина на просвет окна – фотография слева, внешний вид пластины – фотография справа.)

Таблица 1. Данные полученные при исследовании уксусной кислоты.

Таблица 2. Данные полученные при исследовании лимонной кислоты.

Таблица 3. Данные полученные при исследовании серной кислоты, H₂SO₄.

Таблица 4. Данные полученные при исследовании поваренной соли, NaCl.

Таблица 5. Данные полученные при исследовании карбоната калия, K₂CO₃.

Таблица 6. Данные полученные при исследовании калиевой щелочи, KOH.

Таблица 7. Данные полученные при исследовании сахара, (С₆H₁₂O₆)₂.

Таблица 8. Сравнительные данные напряжения (В) с включенным в цепь светодиодом при исследовании различных электролитов в зависимости от концентрации растворов.

Рисунок 9. Диаграмма зависимости величины напряжения (В), от концентрации различных электролитов (с включенным светодиодом).

Таблица 9. Сравнительные данные силы тока (мА) с включенным в цепь светодиодом при исследовании различных электролитов в зависимости от концентрации растворов.

Рисунок 10. Диаграмма зависимости величины силы тока (мА), от концентрации различных электролитов (с включенным светодиодом).

6Выводы.

В результате моих исследований я получил следующую информацию:

Характеристики получаемого электрического тока в гальванических элементах напрямую зависят от используемых в качестве электролитов веществ и их концентрации;

Характеристики электрического тока, получаемого в результате химической реакции напрямую зависит от количества емкостей и электродов. Поэтому для эффективного использования энергии химической реакции необходимо большое количество раствора электролита и большое количество соединенных емкостей.

В случае применения слабых электролитов, таких как уксусная и лимонная кислоты, наиболее эффективным являются концентрации 10% и 5% - большие и меньшие концентрации дают меньшее напряжение и меньшую силу тока;

В случае применения сильных электролитов, таких как растворы сильных кислот, солей и щелочей, также наиболее эффективным являются концентрации 10% и 5% - большие концентрации дают бурную реакцию и очень быстро растворяют материал анода, что сильно ограничивает срок службы батарейки;

В процессе получения электрической энергии в результате химической реакции вещества (как электролит, так и материалы электродов необратимо расходуются (особенно вещества электродов), поэтому у данного источника энергии есть ограниченный ресурс;

Слабые электролиты способны в концентрациях 10% выдавать небольшое, но достаточно постоянное количество энергии в течение длительного времени.

7Конструкция фонарика, имеющего автономное питание.

На основании всех полученных данных я сконструировал фонарик, имеющий автономное питание. Схема его представлена на рисунке 11, а внешний вид 3D модели на рисунках 12 - 14.

Фонарик включает в себя:

3 светодиода белого цвета;

корпус, распечатанный на 3D принтере;

соединительные провода;

емкость для электролита с 8 ячейками.

В качестве источника питания я использовал гальванический элемент, включающий 8 емкостей. В качестве электролита я использовал раствор поваренной соли в концентрации 5% или 10%.

Преимущества данного электролита:

поваренная соль достаточно сильный электролит, чтобы дать энергию фонарику с тремя светодиодами;

в отличие от карбоната калия и калийной щелочи, поваренная соль не дает бурной реакции и газообразования, следовательно, этот электролит будет безопасен для применения в походе, а также материал пластин будет расходоваться меньше, батарейка прослужит дольше;

даже в том случае, если раствор поваренной соли прольется, он безопаснее, чем растворы кислот и щелочи, которые являются едкими веществами;

в случае если фонарик пригодится в походе, удобно взять с собой сухую соль (в сухом виде поваренная соль также не представляет опасности) и пластиковую мерную емкость. В случае необходимости раствор электролита можно приготовить из любой питьевой или кипяченой воды.

Рисунок 11. Схема фонарика

Рисунок 12. Внешний вид 3D модели фонарика.

Рисунок 13. Внешний вид собранного фонарика.

Рисунок 14. Подключенный фонарик.

8Заключение.

Жизнь современного общества невозможно представить без использования химических источников энергии. Они нашли широчайшее применение как автономные источники электроэнергии для питания всевозможной электронной аппаратуры, компьютеров, радиотелефонов, часов и многого другого.

Это устройства, в котором химическая энергия НЕПОСРЕДСТВЕННО превращается в электрическую. Все другие устройства предполагают ОПОСРЕДОВАННОЕ превращение. Например, топливо сжигается, его химическая энергия превращается в тепло, за счет которого вода превращается в водяной пар, поток пара вращает турбину, которая генерирует электроэнергию. На всех этапах передачи энергия теряется, поэтому КПД таких устройств невелико.

Из всех альтернативных источников энергии химический — самый простой в осуществлении. Его преимущества следующие:

в гальваническом элементе химическая энергия непосредственно превращается в электрическую – чем меньше звеньев, тем больше КПД;

к химическому источнику тока не нужен контроллер и дополнительные подустройства – его сборка и эксплуатация очень проста;

если грамотно подобрать электролит и пластины, то этот источник тока может работать очень и очень долго (пример: серебряно-цинковая батарея, изготовленная в Лондоне в 1840 году функционирует до сих пор);

данный источник электрического тока может быть дешевым, для его устройства не нужны ценные или уникальные материалы.

Все это делает электрохимические источники тока очень важным изобретением, которым пользуются вот уже двести лет.

В своем проекте я исследовал занимавший меня вопрос зависимости характеристик электрического тока от различных электролитов и их концентраций. Я убедился, что природа вещества оказывает решающую роль в протекающих химических процессах. Было очень интересно наблюдать разнообразные реакции в растворах и убедиться, что гальванические элементы работают достаточно эффективно.

Единственный вопрос, который остался не выясненным мной до конца – влияет ли на параметры электрического тока: температура, количество электролита и площадь поверхности пластин? Если да, то насколько велика разница при изменении данных параметров?

Проанализировав данные, полученные в результате этого проекта, я создал модель фонарика, который можно безопасно использовать в отсутствии других источников электроэнергии (например: в походе или при перебоях с электроснабжением).

9Список использованной литературы.

Даль, Эйвинд Нидал. Электроника для детей. Собираем простые схемы, экспериментируем с электричеством. / пер. с англ. И.Е. Сацевича – М.: Манн, Иванов и Фербер, 2017. – 288 с.

Чуриков А.В., проф., д.х.н., Казаринов И.А., проф.. Электронный вариант курса лекций «Современные химические источники тока» - Саратовский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского, 2008. – 49 с.

https://ru.wikipedia.org/Химические источники тока

ЛЕКЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ по курсу «Общая и неорганическая химия». Тема №10 «Растворы электролитов», г. Ставрополь, 2017

Материалы учебной платформы Фоксфорд по теме электролиты

https://elektrik-a.su/teoriya/himicheskie-istochniki-toka-1132 Химические источники тока – где применяются, и каков принцип действия