XX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Неочевидный враг

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Кайгородов П.А. 1

---

1МОУ "СОШ №1" г.Копейск Челябинской области

Заидова М.А. 1

---

1МОУ "СОШ №1" г.Копейск Челябинской области

Работа в формате PDF

1.9 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

2023 год - век информационных технологий, высоких скоростей информации и беспроводных технологий. Что объединяет все наши устройства? Им всем нужна электроэнергия. А простейшим элементом питания является батарейка.

Батарейки бывают разные по форме, размеру, внешнему виду.

Но эти маленькие помощники после того, как отработали свой ресурс, становятся крайне опасными для окружающей среды! Если присмотреться на всех элементах питания присутствует знак перечеркнутого мусорного бака - это значит, что батарейки нельзя выкидывать как бытовой мусор, а необходимо подвергать специальной переработке, так как в них содержаться тяжёлые металлы, такие как свинец, например.

Мы заинтересовались этим вопросом и решили изучить его в школьной лаборатории.

Тема нашего исследования: Неочевидный враг.

Объект исследования: пальчиковые батарейки

Предмет исследования: характеристики солевых и щелочных батареек и их влияние на окружающую среду

Цель исследования: сравнить щелочные и солевые батарейки и оценить вред от неправильной их утилизации

Для достижения цели нам предстоит выполнить следующие задачи:

1) изучить теоретические материалы по данной теме;

2) провести эксперименты и выяснить влияние использованных батареек на окружающую среду;

3) провести акцию в школе по сбору использованных батареек с целью их правильной утилизации

Гипотеза исследования: мы предполагаем, что использованные батарейки, выброшенные на мусорные свалки, приносят вред окружающей среде и здоровью человека.

Методы исследования: эксперимент, сравнение, анализ, классификация, систематизация и обобщение.

Актуальность исследования состоит в том, что в современном обществе неуклонно растёт использование батареек и аккумуляторов. Но кроме очевидной пользы в них скрыта большая опасность для окружающей среды при условии неправильной утилизации.

Практическая значимость исследования состоит в том, данная работа может способствовать дальнейшему теоретическому осмыслению последствий неправильной утилизации батареек, формированию экологической грамотности и сознательного отношения к загрязнению окружающей среды.

Основная часть

Глава I. 1. 1. История создания батарейки

Еще в конце 17 века итальянский биолог Гальвани изучал реакции земноводных на различные типы механического воздействия. В одном из экспериментов ученый пришел к выводу, что два вида металла присоединенные в лапе лягушки проводят ток. Обосновать свой опыт Гальвани не смог, но история создания гальванического элемента навсегда закрепилась за итальянским биологом.

Но уже позже итальянский физик Вольт смог объяснить это необычное явление. Ученый объяснил, что электрический ток между металлами возникает благодаря химической реакции. В доказательство Вольт поместил в колбу с соляным раствором медную и цинковую пластины, разграничив их картонными листами. Так и появились на свет наработки для создания современной батарейки

1.2. Солевые батарейки

К наиболее распространенным химическим источникам тока относятся солевые батарейки, которые также имеют название марганцево-цинковые и угольно-цинковые. При их изготовлении используется уголь и оксид марганца (IV). 

Отличительной чертой таких батареек является состав электролита, в качестве которого применяются неорганические соли: хлорид аммония или хлорид цинка. Заявленное напряжение солевой батарейки — 1,5v (Вольта).

Корпус такого элемента питания состоит из цинка и выступает в качестве отрицательного электрода. Положительным элементом служит брикет прессованной активной массы, смоченный электролитом.

Избежать протекания электролита, коррозийных и окислительных процессов удается с помощью плотного футляра-корпуса, в который и помещаются все элементы солевой батарейки. Дополнительно корпус (стакан) снабжается этикеткой, где публикуется наиболее важная информация о химическом источнике тока

Следует отметить, что ни одна из разновидностей солевых батареек на серьёзную нагрузку не рассчитана: в фонаре их хватит на четверть часа, а в фотоаппарате может не хватить даже на выдвижение объектива. Следовательно, назначение солевых батареек – это пульты дистанционного управления, часы, электронные термометры, то есть устройства, энергопотребление которых укладывается в единицы.

1.3. Щелочные батарейки

Название этот вид батареек получил по веществу электролита – концентрированному щелочному раствору. Для производства электролита используется гидроксид калия, реже гидроксид натрия.

Сегодня щелочные батарейки часто называют алкалиновыми из-за надписи на корпусе батареек, выпущенных за рубежом “Alkaline” (щелочь). Другие участники электрохимической реакции в щелочной батарейке такие же, как и у солевой батарейки – отрицательный электрод из цинка и положительный электрод из оксида марганца (IV). Применение в качестве электролита раствора щелочи вместо раствора соли позволяет значительно улучшить эксплуатационные свойства батареек. Напряжение щелочных батареек составляет 1,5v (Вольта).

Во время электрохимической реакции электролит (щелочь) расходуется очень незначительно, поэтому его требуется меньше, чем при производстве солевой батарейки.

Отрицательный электрод представляет собой цинковый порошок, занимающий 20-30% объема, а не стакан как у солевой батарейки. Конструкция батарейки дает возможность значительно увеличить срок службы и повысить максимальный ток, отдаваемый в нагрузку.

Алкалиновые химические источники питания можно использовать для работы следующих приборов и устройств: кухонных и напольных весов, дистанционных пультов управления, часов настенных и напольных, детских игрушек, медицинских приборов (тонометров, термометров), радиоприемников, портативных колонок и многих других приборов.

1.4 Принцип работы батарейки

Принцип работы батареи довольно прост для понимания. Каждая из них имеет в своем строении несколько элементов, состоящих из:

- положительного полюса – анода (цинк);

- отрицательного полюса – катода (марганец);

- электролита – сухого или жидкого.

Вот эти три компонента батарейки и определяют ее состав.

Принцип работы батареи довольно прост для понимания. Схема образования электричества выглядит следующим образом:

цинковый стакан элемента питания в результате химической реакцииприобретает отрицательный заряд;

графитовый стержень становится положительно заряженным.

Отрицательные ионы, которые поступают на соответствующий вывод,потекут к положительному полюсу при подключении какой-либо нагрузки, например, лампочки или моторчика.

Устройство батарейки представляет собой очень простую схему, которую,при желании, можно повторить самостоятельно в домашних условиях, используя при этом вполне доступные химикаты и металлические изделия.

1.5 Влияние использованных батареек на окружающую среду и организм человека

На обычной пальчиковой батарейке изображен значок в виде перечёркнутого мусорного бака, который означает, что её нельзя выбрасывать вместе с остальными бытовыми отходами в мусорное ведро, а необходимо сдать в специализированный пункт утилизации. И этот знак на батарейке стоит неспроста!

Как правило, мы не обращаем внимания на эти обозначения и легкомысленно отправляем батарейки в мусорное ведро, а затем в контейнеры, которые вывозятся на городские свалки, где через несколько месяцев корпус батарейки разрушается, и она превращается в мину замедленного действия. Содержащиеся в батарейках щелочи, марганец, свинец, кадмий, цинк, литий, и другие опасные вещества попадают в почву. Эти отравляющие вещества проникают в грунтовые воды, реки. В результате чего зараженными оказываются растения и животные и, в конце концов, организм человека. Тяжелые металлы оказывают токсичное воздействие даже в малых концентрациях. В результате биоаккумуляции в живых организмах и природных экосистемах, они накапливаются в наших органах, сосудах, костях и приводят к тяжелым заболеваниям, когда их критическая масса в организме человека превышена.

Одна батарейка может загрязнить до 400 литров воды. Ежегодно в среднем 1 человек выбрасывает 7 батареек, т.е. все жители города Копейска – 1034642шт. ежегодно отправляют на свалки (население Копейского городского округа составляет 147 806 человек). Доля батареек в бытовом мусоре – 0.25%, а объем попадающих из них в окружающую среду токсических веществ доходит до 50%.

Взорваться батарейки могут при взаимодействии с огнем или при попытке человека зарядить не перезаряжаемую батарейку. Взорвавшись, элемент питания может вызвать пожар, а при попадании на тело человека – химический ожог. Взрываться могут литиевые батарейки, поскольку для них существуют особые условия перезарядки, которые важно аккуратно соблюдать. Опасность утечки токсичных металлов существует в батарейках, содержащих ртуть, никель, кадмий, свинец. В зависимости от стандартов страны-производителя на батарейках может быть указан химический  состав или нет. Чаще всего информация отсутствует.

Таким образом, можно сделать вывод, что одновременно с огромной пользой, которую нам приносят батарейки, они являются одним из самых опасных источников ухудшения экологической обстановки, загрязнения окружающей среды, что связано с масштабами их применения. Из всего объема производимых батареек в мире перерабатывается всего 3%, при этом прослеживается неоднородность этого показателя по странам мира.

В России процесс организации сбора отработанных батареек идет очень медленными темпами.

1.6 Утилизация батареек

В год в нашей стране продаётся миллиард батареек. Если все их правильно утилизировать, можно получить свыше 15 тысяч тонн чистого цинка, марганца, железа и графита для чёрной металлургии, машиностроения, фармацевтики, химической отрасли и промышленности. По подсчётам экологов, такого объёма вторсырья нашей стране хватит, чтобы не добывать полезные ископаемые три года.

Единственный завод по переработке батареек в нашей стране находится в Челябинске. Отработавшие своё элементы питания сюда везут со всех регионов.

На заводе путь элементов питания ко второй жизни начинается с их сортировки по типам. От содержимого батарейки будет зависеть и способ её переработки. Сортировка батареек всегда проходит вручную. В час работники «Мегаполисресурс» перебирают 60 килограммов использованных элементов питания. Процесс переработки батареек сравнивают с приготовлением пищи на кухне.

После отбора «продуктов» их «нарезают» в специальном шредере. Отделяют ценное содержимое от «шелухи». И отправляют его вариться в химическом «бульоне» для получения готового «блюда».

По транспортёрной ленте батарейки проходят через дробилку. Затем магнитный барабан улавливает металлическую оболочку. Пластиковые этикетки с неё пойдут в утиль. Это около 4% от массы батарейки. А остальная часть в будущем станет основой изделий из железа. На этом же барабане в отдельную ёмкость ссыпается «активная масса» — смесь диоксида марганца, цинка и других компонентов. Содержимое батарейки, напоминающее блестящую чёрную пыль, растворяют в серной кислоте. Так получается электролит с примесями металла. На специальные цилиндры электролизёров оседает металлическая чешуя, которую скребками снимают раз в неделю.

 Чёрная металлургия покупает графитовую водную смазку, электролиты. Готовую продукцию используют при производстве различных предметов, от карандашей до рельсов. Марганец также идёт металлургам. Цинк — предприятиям для оцинковки. Сплавы цинка с медью — это латунь, из неё делают музыкальные инструменты, кухонную утварь. По подсчётам специалистов, из графита в одной батарейке можно сделать карандаш. А железа в 90 батарейках хватит на стандартный столовый набор (приложение №5)

Глава II Экспериментальная часть.

В данной части работы отражены результаты экспериментов, доказывающих отрицательное влияние использованных солевых и щелочных батареек на окружающую среду.

Опыт №1. Влияние загрязненной воды на растения

Описание эксперимента: стаканы заполнили водопроводной водой. В каждый опустили по отростку комнатного растения. Первый стакан оставили контрольным, для сравнения результатов. Во второй и третий стаканчик погрузили очищенные от пленки батарейки – солевую и щелочную соответственно (см. приложение №1)

Результаты опыта: по окончании эксперимента нами установлено, что отростки растения, стоящего в стаканах №2 и №3 с загрязненной использованным химическими источниками тока водой, завяли. А отростки, стоящие в стакане с чистой водой, не изменились и остались в прежнем состоянии. Можно сделать вывод, что вода, загрязненная выделяющимися из батареек химическими соединениями, отрицательно влияет на растительные организмы.

Опыт №2. Влияние кислой среды на корпус батарейки

Описание эксперимента: для изучения влияния кислой среды на батарейки, мы поместили солевую и щелочную батарейки в раствор соляной кислоты (HCl). После помещения батареек в раствор наблюдали выделение газа (приложение №2).

Результаты эксперимента: в результате помещения в раствор соляной кислоты солевой и щелочной батарейки начала протекать химическая реакция замещения иона водорода (H⁺) соляной кислоты на катионы металлов, входящих в состав батареек. Образовались соли тяжелых металлов (что подтверждалось появляющейся зеленой окраской, а также образовался газ водород – Н₂.

Вывод: в естественных условиях в результате попадания батареек тока в кислую среду, образуются соли тяжелых металлов, загрязняющие почву и грунтовые воды, а также выделяется газ водород (H₂).

Опыт №3. Влияние батарейки - таблетки на организм человека

Очень часто маленькие дети проглатывают батарейки- таблетки. Чтобы убедиться в том, что это очень опасно, мы проделали следующий опыт: на кусок мяса (свинины) положили батарейку-таблетку и полили водой. На следующий день увидели, что батарейка стала окисляться, и на мясе появилось темное пятно (приложение №3).

После попадания в желудочно-кишечный тракт (ЖКТ) ребенка, металлический элемент питания начинает окисляться. Происходит это под воздействием слюны или желудочного сока. По мере разрушения корпуса из него начинает выделяться электролит, который обжигает внутренние органы малыша. При раннем извлечении тяжелых последствий удается избежать. В обратном случае высока вероятность развития язв и сквозных дыр в стенках пищевода или желудка.

Опыт № 4. Влияние батареек на почву

Для этого опыта мы посадили дома кресс- салат «Забава» с тремя видами батареек, которые используются в быту чаще всего: солевыми, щелочными и литиевыми. Причем мы взяли по две батарейки каждого вида – с не поврежденным корпусом и поврежденным (приложение №4).

Растения с батарейками взошли. Но растения с раздробленными батарейками выросли незначительно по сравнению с другими посадками и завяли быстрее.
Что касается целых батареек, то пока их внешняя оболочка не нарушена они в какой-то период времени были такими же, как растения, посаженные без батареек. Но, по прошествии времени рост растений замедлился. Более того к окончанию эксперимента, растения, посаженные с батарейками либо завяли, либо засохли.
Вывод: Аналогичные процессы происходят и на свалках бытовых отходов.Поступая в почву, земли и произрастающие на них растения подвергаютсяхимическому загрязнению

Глава III

Анкетирование

Мы предложили ребятам 9 б класса ответить на следующие вопросы: (прилож. №6)

1. Знаете ли вы, что обозначает данный значок?

2. Как, по вашему мнению, нужно утилизировать изделия, на котором имеется такой значок?

3.Какой вред наносит неправильная утилизация батареек

4. Как ваша семья утилизирует использованные батарейки

5. Знаете ли вы, куда можно сдать использованные батарейки

6. Как вы думаете, какую пользу дает переработка использованных батареек

В анкетировании приняли участие 27 человек. Результаты анкетирования мы оформили в таблицу:

Проанализировав ответы одноклассников, мы пришли к выводу, что большинство ребят знают о том, что батарейки нужно правильно утилизировать. Но, с другой стороны, они не знают, куда можно сдать использованные батарейки. Поэтому, все таки большинство выбрасывает их в мусорные баки.

Акция по сбору батареек «Маленький вклад в большое дело»

Завершить работу по данной теме мы решили акцией по сбору использованных батареек. В кабинете химии мы установили контейнер для сбора батареек, вывесили информацию в кабинете и сделали объявление в школьной группе «Переменка». Приняли участие в акции учащиеся, учителя, родители. Все собранные батарейки мы сдадим в пункт приема.

(Приложение № 7)

Заключение

Подводя итоги теоретического и экспериментального этапов исследовательской работы, мы можем утверждать, что  неправильно утилизированные батарейки действительно содержат вещества, которые отрицательно влияют на окружающую среду и на здоровье человека. Значит, мы подтвердили свою гипотезу.

Также мы выяснили, что в нашей стране существует проблема с утилизацией использованных батареек, так как работает только один завод по переработке батареек. Помните, что здоровье планеты – это дело рук каждого из нас. Давайте вместе предпринимать маленькие меры для исполнения больших планов.

На основе проведенного исследования мы предлагаем:

• собирать батарейки у себя дома (в пластиковых контейнерах), а затем сдавать их в специальные пункты приема;

• стараться выбирать технику, которая не требует использование батареек, т. е. работает от ручного завода, от сети или с использованием световой энергии;

• использовать перезаряжающиеся аккумуляторные батарейки;

Список литературы

1. http://2fixika.livejournal.com/

2. https://vtor-othod.ru/technic/pererabotka-batareek/?ysclid=le4885qa55486950280

3. www.my-zozh.ru/utilizatsiya-batareek/

4. www.powerinfo.ru/producer.php

5. www.techadviser.ru/batteries-and-accumulators/kak-vybrat-batarejku/

Влияние загрязненной воды на растения Приложение №1

Влияние кислой среды на корпус батарейки Приложение №2

Влияние батарейки - таблетки на организм человека Приложение №3

Влияние батареек на почву Приложение №4

Приложение №5

Анкетирование Приложение №6

Акция по сбору батареек «Маленький вклад в большое дело»

Приложение №7