XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Электролиз
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ГЛАВА Ⅰ. ВВЕДЕНИЕ
1.1 Тема работы и обоснование выбора темы
Выбор данной темы обусловлен тем, что электролиз активно применяется в разных сферах промышленности и является очень интересным процессом, в результате которого можно получить различные продукты реакции полезные человеку. Самое главное в нём – это относительная простота сборки установки для провидения электролиза – электролизёра. Также есть хорошие способы применения электролиза в быту, которые могут помочь в достижении определённых задач.
1.2 Актуальность
Электролиз в быту может пригодиться для решения многих задач. В лабораторных условиях электролиз является хорошим способом получения различных реактивов. Также с помощью электролиза можно покрывать поверхность электрода слоем мета, что может пригодиться в создании тонких токопроводящих дорожек для различных плат и электронных схем. Помимо этого, можно и снимать тонкие слои метала с поверхности электрода – это хороший способ аккуратно отчистить слой покрытия с метала или убрать ржавчину.
1.3 Цели исследования
Описать возможные способы применения электролиза в быту. Исследовать процессы электролиза.
1.4 Объект исследования
Электролизёр собранный в домашних условиях, раствор соды, вода
Электроды:
Медная пластина.
Свинцовая пластина.
Цинковая пластина.
1.5 Предмет исследования
Анализ физических и химических процессов электролиза.
1.6 Задачи
Собрать электролизёр в домашних условиях.
Описать процесс электролиза воды и провести ряд экспериментов.
Описать процесс снятия ржавчины с поверхности металлов.
Сделать вывод о пользе электролиза.
ГЛАВА Ⅱ. СБОРКА ЭЛЕКТРОЛИЗЁРА
2.1 Материалы
Промышленный электролизёр является сложным и точно выверенным механизмом. Для получения максимальной продуктивности и мощности не в коем случае нельзя нарушать технологический процесс. К тому же каждая отдельная модель электролизёра рассчитана для определённой реакции и не может быть использован для других целей. Но нам такая точность не нужна. Моя установка является лишь исследавательско-бытовой и не является сильно продуктивной. Для неё мне не понадобится труднодоступных или дорогих материалов.
Для сборки электролизёра нам понадобится:
Блок питания примерно 5-12 V.
Зарядный провод с USB.
2 крокодила.
2 металлические пластины.
Ёмкость (желательно из пластика или стекла).
2.2 Сборка
Рисунок 2
Рисунок 1
Для начала необходимо снять верхний слой изоляции с провода (с конца примерно 10-15 см) со стороны противоположной USB и отрезать зарядный разъём. Под верхним слоем изоляции будет 4 провода красный, чёрный, зелёный и белый (нам нужен чёрный и красный провод). Нужно оголить красный и чёрный провод на 1,5-2 см, скрутить в петлю (рисунок 1) и прикрутить к крокодилам (рисунок 2). Далее надо подключить блок питания к проводу, прикрепить крокодилы к электродам и поместить их в ёмкость с электролитом. Для запуска установки нужно вставить блок питания в розетку.
2.3 Способы оптимизации
Учитывая что электролизёр собран из подручных, материалов его можно значительно ускорит. Существует ряд факторов влияющих на его скорость работы. При их соблюдении можно значительно ускорить реакцию и повысить эффективность.
Скорость процесса зависит от нескольких факторов:
Расстояние:
Чем ближе пластины друг к другу, тем реакция идёт быстрее, и на оборот.
Природа электрода:
Материал, из которого сделаны электроды. (зависит от желаемого результата или электролита)
Площадь реакции:
Зависит от площади пластин.
ГЛАВА Ⅲ. ЭЛЕКТРОЛИЗ ВОДЫ
3.1 Понятие электролиза воды
Электролиз воды – это один из способов получения кислорода и водорода с использованием воды. Под действием электрического тока вода распадается на кислород и водород, при этом водород образуется на отрицательно заряженном проводнике – катоде, а кислород на положительно заряженном – аноде. Кислород, образованный на аноде, растворяется в воде, а водород выделяется в качестве пузырьков газа на катоде. Если огородить катод и анод друг от друга, так чтобы их воздушные пространства не пересекались, кислород и водород можно собрать в отдельные ёмкости.
Рисунок 3. Схема электролиза воды
3.2 Подбор оптимальных электродов
Я решил провести ряд экспериментов, связанных с увеличением скорости и продуктивности реакции электролиза воды, для выяснения наиболее эффективной конфигурации электролизёра при электролизе воды.
В первую очередь стоит подобрать материалы для катода и анода:
Рисунок 4
Для начала в качестве катода и анода я использовал две цинковые пластины (рисунок 4). На катоде появились пузырьки водорода, но реакция шла не сильно бурно.
Затем я взял медную пластину – катод, и цинковую пластину – анод. Реакция пошла заметно быстрее (рисунок 5).
Рисунок 6
Рисунок 5
Также я взял две свинцовые пластины (рисунок 6). В данном случае на катоде образуется водород, но на аноде, в отличии от остальных случаев, образуется странный налёт белого цвета. Спустя некоторое время данный налёт начинает оседать. Я предполагаю, что данный налёт является оксидом свинца, образующимся в результате окислительно-восстановительной реакции. Отрицательно заряженные ионы кислорода под действием магнитного поля электрического тока движутся в сторону положительно заряженного свинцового анода и вступают в реакцию с ним, в результате чего и образуется оксид свинца, постепенно опадающий на дно ёмкости.
3.3 Прочие факторы влияющие на процесс
Расстояние между электродами:
Проведя несколько опытов, я выяснил что чем ближе электроды друг к другу, тем быстрей реакция. Также исходя из этого я могу предположить, что чем ближе электроды друг к другу, тем меньше мощность, потребляемая в процессе электролиза.
Площадь реакции:
Ещё один хороший способ ускорить реакцию – это увеличение площади реакции, то есть увеличение площади самих электродов. У данного способа есть и свои недостатки одним из которых является необходимость в увеличении мощности подаваемой на установку.
3.4 Вывод
Все вышеперечисленные способы помогут собрать более продуктивную установку. Также я выяснил что в зависимости от электродов, получаются разные продукты реакции. Это стоит учитывать при проектировании электролизёра для электролиза воды. Ещё один из важнейших факторов является тот факт, что со временем любой электрод изнашивается, и скорость износа также зависит от материала электрода, и того, как он реагирует на электролит.
Электролиз воды – это один из самых простых способов получения водорода и кислорода в домашних условиях, также при помощи него можно получать оксиды некоторых металлов.
ГЛАВА Ⅳ. ОЧИЩЕНИЕ РЖАВЧИНЫ С ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛОВ
4.1 Суть процесса
Ещё один из хороших способов использования электролизёра в домашних условиях – это очищение ржавчины, используя в качестве электролита специальный раствор.
Сама по себе вода это слабый электролит, как я уже выяснил её можно использовать для получения кислорода, водорода, и некоторых оксидов метала, но если растворить в ней некоторые вещества, такие как соль или сода, электролитические свойства полученного раствора будут выше чем у воды, следственно и реакция будет идти быстрее. Из эксперимента с электролизом воды я выяснил что электроды изнашиваются, постепенно растворяясь в электролите. Что если это можно как-то использовать?
Когда электрод изнашивается на нём постепенно растворяется слой за слоем. Если на электроде растворится слой, покрытый ржавчиной, то ржавчина опадёт и электрод станет чистым, но следует учитывать, что некоторая часть электрода растворилась в электролите. Я решил проверить данный способ на практике и найти его возможное применение.
4.2 Подготовка
Для начала следует разобраться с электролитом. Найдя информацию на этот счёт в интернете, я начал готовить электролит. Для него мне понадобится сода или соль (я буду использовать соду) и вода. На 1 литр воды 5 столовых ложек соды, или же на 1 столовую ложку 200 миллилитров воды.
Рисунок 7
Далее нужно взять в качестве анода ненужную металлическую пластину, так как реакция будет идти бурно и анод сильно пострадает. На место катода нужно закрепить металлическую деталь, которую нужно отчистить (в моём случае это монета 10 рублей). Важно учесть что при закреплении детали контакт между деталью и проводом должен быть хорошим, иначе реакция может не пойти. Если реакция не идёт или идёт медленно, необходимо отчистить место контакта детали и провода.
Следующим этапом будет закрепление детали (рисунок 8), погружение анода и запуск электролизёра (рисунок 7).
Рисунок 8. До обработки
4.3 Процесс отчистки
Рисунок 9. После обработки
При запуске можно наблюдать активное выделение пузырей на электродах, при этом с монеты отпадают куски ржавчины и оседают вниз. Спустя час я достал монету и заметил, что ржавчины стало меньше. Я протёр монету сухой салфеткой, убрав слой ржавчины, который плохо держался, и снова включил электролизёр. Спустя ещё полтора часа я достал монету и снова протёр (рисунок 9). Можно обратить внимание что слой ржавчины полностью сошёл с детали, при этом полностью сохранив рельеф монеты. На месте ржавых пятин остались небольшие тёмные пятна, но их легко отчистить.
Я не могу назвать точного времени отчистки так как на это влияет огромное количество факторов таких как: материал катода и анода, качество контакта, площадь реакции, мощность установки и т.д.
4.4 Вывод
С помощью электролиза можно отчищать ржавчину используя в качестве электролита специальные растворы. При помощи данного способа можно отчищать ржавчину сильно не повреждая деталь и сохраняя мелкие детали и рельефы, именно по этому данный способ зачастую применяют для отчистки старых ржавых монет и предметов подобного характера.
Но у данного способа есть и свои минусы:
Одним из самых главных минусов можно считать очень маленькую скорость процесса.
Второй минус – это необходимость в предварительной отчистке некоторых деталей.
Также не стоит упускать из виду, что обязательным условием является то, что деталь должна проводить электрический ток.
В целом данный способ работает, хоть и является достаточно ситуативным.
ГЛАВА Ⅴ. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Собрав электролизёр и проведя несколько экспериментов с электролизом, я показал, что электролиз – это не так уж сложно и для него можно найти применения в быту, хотя бы на базовом уровне.
Электролизёр – это хорошее устройство для достижения многих целей, имеющее свои плюсы и минусы, являясь при этом довольно ситуативным устройством. Очень в редких случаях он будет использоваться на постоянной основе, но несмотря на это, является незаменимым устройством в некоторых ситуациях, что делает его достаточно полезным.
Даже если у вас нет нужды в использовании электролиза, я всё равно рекомендую вам собрать электролизёр, так как его потенциал не ограничивается вышеперечисленными мною возможностями. Существует ещё множество других способов применения электролизёра таких как гальваностегия или получение различных солей. Также с его помощью можно проводить различные эксперименты с электролитом и электродами, изучая как они взаимодействуют между собой.
За всю работу с электролизом я узнал много нового и получил бесценный опыт, который мне поможет в будущем. Этот проект помог мне по новому взглянуть на связь химии и физики, понять что химические процессы напрямую связана с физическими и перетекают друг в друга.