Альтернативные энергосберегающие технологии

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы

Кривощеков К.Д. 1

---

1МАОУ СОШ №3, 10А класс

Порошина М.В. 1

---

1МАОУ ОСШ №3

Работа в формате PDF

831.8 KB

Введение

Энергетика зародилась много миллионов лет назад, когда люди научились добывать огонь: они охотились с помощью огня, получали свет и тепло. В наше время людям требуется много электроэнергии, поскольку создаются новые изобретения, для которых требуется энергия.

Я решил узнать о природном электричестве, раскрыть возможности природного электричества, найти альтернативные источники энергии.

Тема исследования: альтернативные энергосберегающие технологии.

Цель работы: выявить различные способы получения электроэнергии
и экспериментально подтвердить некоторые из них.

Методы исследования: изучение литературы, эксперимент, анализ полученных результатов.

Актуальность работы: сохранение энергии, её производство без использования ТЭС, АЭС, ГЭС.

Задачи:

• узнать, что такое природное электричество и механизм его формирования;

• рассмотреть связь электричества с энергетиком обменов, происходящим в живых организмах;

• изучить правила безопасности, связанные с использованием электричества;

• провести эксперимент по получению электричества из овощей и фруктов
в домашних условиях.

Гипотеза:

Я считаю, что выработка электрического тока возможна не только с помощью электрических приборов.

Клеточный сок овощей и фруктов содержит большое количество соединений, поэтому при применении металлических пластин происходит электролитическая диссоциация, то есть образование катионов и анионов, и это доказывает, что органические соединения являются электролитами и в совокупности с металлическими пластинами могут образовывать гальванические элементы.

Экологические чистые источники энергии - это источники, которые не наносят вред окружающей среде. Единственным источником энергии на Земле является Солнце. К ним относятся источники с использованием солнечной энергии, энергии ветра, воды, земли гейзеров, поэтому использование энергии Солнца, ветра, воды наиболее целесообразно. Основным энергоносителем XIX века являлся уголь, сжигание которого приводило к росту выбросов дыма, сажи, золы и вредных газов. Развитие научно-технического прогресса привело к изменению источников энергии для промышленности, сельского хозяйства, населенных пунктов и других нужд человечества. Возросла доля таких энергоносителей, как нефть и газ, экологически более чистых, чем уголь. Нефть и газ являются исчерпаемыми природными ископаемыми, поэтому появилась потребность в поиске новых альтернативных источников энергии.

К альтернативным источникам энергии можно отнести использование силы ветра, энергии морских волн, использование тепловых электростанций и подземных горячих источников.

Основная часть

1 Теоретический раздел

1.1 Электричество

Электрический ток – упорядоченное движение заряженных частиц (ионов). Электричество – вид энергии, которая переносится электронами. Электричество может преобразовываться в другие виды энергии: световую и тепловую. Его можно без труда передавать по проводникам. Благодаря этому свойству мы можем запустить механизмы различных приборов. Электричество приносит нам тепло и свет, на нем работают разнообразные машины, в том числе компьютеры и планшеты.

Промышленное электричество и для бытовых нужд вырабатывается на электростанциях. Помимо электростанций, электричество можно получать, в том числе при протекании химических реакций. Оно может возникать из солнечной энергии, падающей воды, специальных устройств – генераторов.

1.2 Электричество в природе

Какое-то время считалось, что электричество в природе не существует. Однако после того как Бенджамин Франклин установил, что молнии имеют электрическую природу возникновения, это мнение перестало существовать. После изобретения гальванического элемента Эдисоном стало возможным применение электричества для нужд человека.

Так как известно, что человек получает энергию из продуктов питания, а конкретно из органических соединений, таких как белки, углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты и др., мне стало интересно, смогу ли я получить электрический ток, например из овощей и фруктов. Я стал глубже изучать эту тему.

Из курса физики мы знаем, что электрический заряд может возникнуть путем погружения пары (или пар) электродов, состоящих из цинковых и медных пластин, в водную среду. Под действием воды происходит гидролиз химических соединений и образуются заряженные частицы. Сок овощей и фруктов подвергается гидролизу и образует свободные ионы. Чем больше сока в овоще или фрукте, тем больше электричества из них можно получить. Для получения электричества, лучше всего использовать медные и цинковые пластины, так как эти металлы обладают высокой электропроводностью.

Цинковая пластина – отрицательно заряженный электрод; медная пластина – положительно заряженный электрод. Когда металлы погружаются в электролит (сок мякоти фруктов или овощей), происходит химическая реакция. Кислота электролита нарушает атомарную структуру меди и цинка, в результате чего отдельные электроны освобождаются. В этом химическом процессе цинк – более реакционно-способный металл по сравнению с медью. В этом химическом процессе цинк поставляет больше электронов, чем медь. Избыточные электроны направляются от цинковой пластины к медной. Поток электронов от более реакционно-способного металла к менее реакционно-способному создает электрический ток, достаточный для работы маленькой лампочки.

1.3 Обмен веществ

АТФ (аденозинтрифосфорная кислота)

• Является универсальным источником энергии.

• Почти все процессы жизнедеятельности, требующие энергии, протекают с использованием энергии АТФ.

• АТФ состоит из аденина, рибозы, трех остатков фосфорной кислоты.

• Между фосфатами макроэргические связи.

• При разрушении макроэргической связи выделяется большое количество энергии.

АТФ = АДФ (аденозинДИфосфат) + Ф + 40 кДж

АДФ = АМФ (аденозинМОНОфосфат) + Ф + 40 кДж

(Для сравнения: при разрыве обычных ковалентных связей высвобождается примерно 12кДж/моль).

Поставщиком энергии для синтеза АТФ в клетках служит процессы расщепления и окисления органических веществ (глюкозы, жирных кислот и др.). Фотосинтезирующие организмы для образования молекул АТФ также используют энергию света.

1.4. Этапы энергетического обмена.

1 этап. Подготовительный.

• Происходит в лизосомах или желудочно-кишечном тракте.

• Вся энергия рассеивается в виде тепла. АТФ не синтезируется.

• Полимеры расщепляются до мономеров.

2 этап. Бескислородный. Гликолиз. Анаэробное окисление.

• Гликолиз – сложная многоступенчатая каскадная ферментативная реакция.

• Происходит в цитоплазме.

• Молекула глюкозы расщепляется до 2-х молекул пировиноградной кислоты (пируват, ПВК).

• Синтезируется 2 АТФ.

Процессы гликолиза.

• Активация глюкозы 2 молекулами АТФ (тратятся 2 молекулы АТФ, глюкоза фосфорилируется, превращаясь во фруктозодифосфат).

• Фруктозодифосфат распадается на 2 молекулы триозофосфата (глицеролфосфат).

• Триозы окисляются. Восстановление двух молекул НАД⁺: 2НАД⁺ + 2Н⁺ → 2НАД • Н + Н⁺.

• В ходе нескольких реакций образуется 2 молекулы ПВК (пировиноградной кислоты) и синтезируется 4 АТФ.

При гликолизе высвобождается лишь около 5% энергии, заключенной в химических связях молекул глюкозы. Далее продукты ее расщепления поступают в митохондрии, где осуществляется заключительный этап дыхания – кислородный.

У анаэробных организмов нет кислородного этапа. Бескислородный этап завершается брожением.

Брожение – процесс бескислородного расщепления органических веществ, преимущественно углеводов, происходящий под действием ферментов.

Молочнокислое брожение.

Протекает в 2 этапа.

1. С₆Н₁₂О₆ + 2НАД⁺ + 2 АДФ + 2Н₃РО₄→ 2С₃Н₄О₃ + 2НАД • Н +Н⁺ 2АТФ (гликолиз).

2. На втором этапе ПВК восстанавливается за счет НАД • Н +Н⁺ до молочной кислоты С₃Н₆О₃, АТФ при этом не синтезируется: 2 С3Н4О3 + 2НАД • Н +Н⁺ →
   2 С₃Н₆О₃ + 2НАД⁺.

ИТОГО: С₆Н₁₂О₆ + 2 АДФ + 2Н₃РО₄→ 2С₃Н₆О₃ + 2АТФ.

Молочнокислое брожение происходит:

• у молочнокислых бактерий;

• в мышечных клетках человека и животных при недостатке кислорода.

Накопление молочной кислоты является одной из причин развития утомления мышц.

Молочная кислота, образовавшаяся в мышцах, с током крови поступает в печень, где подвергается ферментативному окислению до ПВК. При наличии кислорода ПВК может вступать в кислородный этап клеточного дыхания. Кроме того, в клетках печени под действием ферментов ПВК может превращаться в глюкозу, которая запасается в виде гликогена или снова поступает в мышцы.

Спиртовое брожение.

Спиртовое брожение осуществляют дрожжи и некоторые бактерии. Протекает в 3 этапа.

1. С₆Н₁₂О₆ + 2 НАД⁺ + 2 АДФ + 2СН4О3 +2НАД • Н⁺ +2АТФ.

2. ПВК расщепляется с образованием уксусного альдегида (ацетальдегида) и углекислого газа.

3. Восстановление ацетальдегида до этилового спирта (этанола) при помощи 2НАД • Н+Н⁺.

ИТОГО: С₆Н₁₂О₆ + 2 АДФ + 2Н₃РО₄ → 2С₂Н₅ОН + 2СО₂ + 2 АТФ.

Помимо молочнокислого и спиртового, известны и другие виды брожения – пропионовокислое, маслянокислое, муравьинокислое, ацетоно-бутиловое и т.д.

Брожение как способ получения энергии возникло на Земле, когда в атмосфере еще не было кислорода. Брожение – малоэффективный способ энергетического обмена (синтезируется всего 2 АТФ). В дальнейшем появились более эффективные способы поучения энергии с использованием кислорода. Однако брожение по-прежнему используется рядом организмов, так как позволяет существовать им в условиях дефицита или отсутствия кислорода.

3 этап. Кислородный. Аэробное окисление.

• Происходит в митохондриях.

• Подразделяется на окислительное декарбоксилироване, цикл Кребса (цикл трикарбоновых кислот), окислительное фосфорилирование.

• Происходит полное расщепление ПВК до СО₂ и Н₂О.

• Синтезируется 30-32 АТФ.

Окислительное декарбоксилирование.

• ПВК поступает в матрикс митохондрий из цитоплазмы.

• От ПВК отщепляется СО₂, образовавшийся двухуглеродный остаток, радикал уксусной кислоты (ацетил-радикал) – присоединяется к молекуле универсального переносчика углеродных радикалов, кофермента А (КоА).

• Образуется ацетил-КоА.

• В результате этой реакции НАД⁺ восстанавливается до НАДН.

Цикл Кребса или цикл трикарбоновых кислот (в матриксе митохондрий).

• Ацетил-КоА вступает в цикл Кребса, в ходе которого полностью расщепляется до СО₂ и высвобождаются атомы водорода, которые связываются с НАД⁺ и ФАД.

• На 2 молекулы ПВК (в расчете на 1 молекулу глюкозы) синтезируется 2 АТФ.

• СО₂ выходит из клетки как побочный продукт. НАДН + Н⁺ и ФАД^*Н₂ идут к электрон-транспортной цепи (ЭТЦ).

Окислительное фосфорилирование.

• Во внутренней мембране митохондрий содержатся белковые комплексы, образующие цепь переноса электронов, или электрон-транспортную цепь (ЭТЦ), в ее состав входят цитохромы (белки-переносчики) и некоторые другие белки. Восстановленные коферменты НАД •Н + Н⁺ и ФАД • Н₂ отдают атомы водорода переносчикам ЭТЦ, переходя при этом в окисленную форму.

• В результате функционирования компонентов ЭТЦ атомы водорода, полученные от НАД и ФАД, разделяются на протоны (Н⁺) и электроны(е^-). Протоны переносятся через внутреннюю мембрану митохондрий и накапливаются в межмембранном пространстве. Электроны передаются от одного переносчика к другому и в итоге доставляются на внутреннюю сторону мембраны. Здесь их принимает конечный акцептор – кислород. При этом образуются анионы кислорода: О₂+4е^- →2О^2-.

• Синтез АТФ. Во внутренней мембране митохондрий есть ферменты АТФ-синтетазы. Накопление протонов в межмембранном пространстве приводит к возникновению электрохимического потенциала на внутренней мембране митохондрий. При достижении определенной концентрации протоны начинают перемещаться из межмембранного пространства в матрикс, проходя через каналы АТФ-синтетазы. Энергия движения протонов используется для синтеза молекул АТФ. В расчете на 1 молекулу глюкозы синтезируется 26-28 АТФ в зависимости от переносчика, который доставляет электроны. Достигнув матрикса, протоны соединяются с анионами кислорода и образуется вода: 2Н⁺+О₂→ Н₂О.

Итого: С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ + 30(32)АДФ + 30(32)Н₂РО₄→6СО₂+6Н₂О+30(32)АТФ.

Горение органических веществ также сопровождается их расщеплением, окислением и выделением энергии. Однако при горении органические соединения разрушаются быстро, с бурным высвобождением энергии, причем почти вся она выделяется в виде теплоты.

В ходе энергетического обмена, наоборот, расщепление и окисление органических веществ происходит ступенчато, при участии ряда ферментов. Поэтому энергия высвобождается поэтапно, небольшими порциями. При этом около 50% выделившейся энергии постепенно рассеиваются в виде тепла. Остальные 50% используются клетками для образования молекул АТФ.

Теперь, когда мы узнали принцип действия, перейдем к проведению эксперимента.

ПРАКТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ

Эксперимент № 1 «Электрокартофель»

Оборудование: 2 картофелины, провода, медные электроды
2 шт., цинковые электроды 2 шт., светодиод (лампочка).

Ход эксперимента:

1. Разложить всё, что нам понадобится.

2. Далее соединить цинковые и медные электроды проводами.

3. Вставить медные и цинковые электроды в картофель, и лампочка загорится.

Вывод: я погрузил пары соединенных проводами цинковых и медных пластин в среду, содержащую воду – картофель (электролит). Произошла химическая реакция – разрушение атомной структуры меди и цинка, и это привело к появлению свободных электронов. Этот поток электронов образовал небольшой электрический ток, которого оказалось достаточно для питания небольшой лампочки.

Эксперимент № 2 «Электрояблоко»

Оборудование: 2 яблока, провода, медные электроды 2 шт., цинковые электроды 2 шт., светодиод (лампочка).

Ход эксперимента:

1. Разложить всё, что нам понадобится.

2. Далее соединить цинковые и медные электроды проводами.

3. После этого, воткнуть медные и цинковые электроды в яблоки, и лампочка загорится.

Вывод: я погрузил пары соединенных проводами цинковых и медных пластин в среду, содержащую воду – яблоко (электролит). Произошла химическая реакция – разрушение атомной структуры меди и цинка, и это привело к появлению свободных электронов. Этот поток электронов образовал небольшой электрический ток, которого оказалось достаточно для питания небольшой лампочки.

Эксперимент № 3 «Электролимон»

Оборудование: лимон, провода, медные электроды 2 шт., цинковые электроды 2 шт., светодиод (лампочка).

Ход эксперимента:

4. Разложить всё, что нам понадобится.

5. Далее соединить цинковые и медные электроды проводами.

После этого, воткнуть медные и цинковые электроды в лимон, и лампочка загорится.

Вывод: я погрузил пары соединенных проводами цинковых и медных пластин в среду, содержащую воду – лимон (электролит). Произошла химическая реакция – разрушение атомной структуры меди и цинка, и это привело к появлению свободных электронов. Этот поток электронов образовал небольшой электрический ток, которого оказалось достаточно для питания небольшой лампочки.

Эксперимент № 4 «Музыкальная земля».

Оборудование: звуковой чип, бумажный стаканчик, 2 стакана земли из сада, соединительные провода, медные электроды 2 шт., цинковые электроды 2 шт., клейкая лента.

Ход эксперимента:

1. Разложить всё, что нам понадобится.

2. Убедиться, что земля в горшочках влажная.

3. Подключить звуковой чип к медной и цинковой пластинам.

4. Собрать «соединительную пару», соединив другую медную и цинковую пластину соединительным проводом.

5. Воткнуть пластины в землю.

6. Положить звуковой чип вы бумажный стаканчик.

Вывод: я погрузил пары соединенных проводами цинковых и медных пластин в среду, содержащую воду – влажную землю (электролит). Произошла химическая реакция – разрушение атомной структуры меди и цинка, и это привело к появлению свободных электронов. Этот поток электронов образовал небольшой электрический ток, которого оказалось достаточно для питания звукового чипа.

Эксперимент № 5 «Водная батарейка».

Оборудование: световая башня со светодиодной лампой, соединительные провода, медные электроды 3 шт., цинковые электроды 3 шт., клейкая лента, емкости с водой 3 шт., уксус.

Ход эксперимента:

1. Разложить всё, что нам понадобится.

2. Наполнить емкости водой.

3. Подключить световую башню к медной и цинковой пластинам.

4. Собрать 2 «соединительные» пары, соединив друг с другом 2 пары медных и цинковых пластин соединительным проводом.

5. Установить цинковые и медные пластины в емкости. Следить, чтобы пластины не касались друг друга, иначе это приведет к короткому замыканию, и светодиодная лампочка не загорится.

6. Добавить в воду уксус.

Вывод: вода не является кислотой – она химически нейтральна. А металлы хорошо отдают электроны в кислых растворах – не зря в качестве электролита в обычных батарейках используются сильные кислоты. Поэтому ток стал сильнее, когда я добавил в воду уксус, лампочка загорелась ярче.

Общий вывод: из проделанных опытов мы видим, что картофель, яблоко и лимон можно использовать как гальванический элемент (батарейка), медный электрод - положительный (+), а цинковый электрод – отрицательный (-).

Фрукты и овощи, как и другие продукты питания, являются энергоносителями. В картофеле и яблоке содержатся кислоты, благодаря которым образуются заряженные частицы. Соединив цинковые электроды с кислотой, выделяемой картофелем, яблоком и лимоном лампочка загорается. Из проделанного опыта мы наблюдаем процессы гидролиза, электролиза и преобразования энергии. Благодаря проведенным экспериментам мы можем запитать бытовые приборы, не требующие большого количества электричества.

Звук – это упругие колебания, распространяющиеся в какой-либо среде (например, воздухе).

Предмет звучит, когда он колеблется. Эти колебания создают особые потоки энергии – звуковые волны. Эти волны распространяются вокруг по воздуху и предметам. Наше ухо улавливает их,
и мы слышим звук. Звук способен отражаться. В нашем эксперименте мы слышим звук чипа из стакана громче, потому что, во-первых, в твердых телах и жидкостях звук распространяется намного лучше, чем в воздухе. А во-вторых, стенки стакана отражают звуковые волны, усиливая их. Именно поэтому звуковой чип, положенный в стакан, будет звучать громче.

Вода не является кислотой – она химически нейтральна. А металлы хорошо отдают электроны в кислых растворах – не зря в качестве электролита в обычных батарейках используются сильные кислоты. Поэтому ток будет сильнее, если добавить в воду уксус или другую кислоту. Также можно использовать в качестве электролита фруктовый сок или соленую воду.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 

Приходя в мир, человек получает бесплатно в наследство бесценные дары: землю и воду, богатство недр, энергетические ресурсы, большие и малые реки, горы и бескрайние равнины, неповторимые ландшафты, леса, цветы, щедрые плоды земли, кормящие нас. Все это принадлежит людям. Все это наш с вами дом.

Сохранить и правильно воспользоваться энергией – это главная задача для всего человечества.

Для ученых всего мира первостепенной задачей является проблема энергосбережения и использования энергосберегающих технологий. Для России эта проблема также является актуальной, так как природные ресурсы страны исчерпаемы, поэтому необходима разработка и применение энергосберегающих технологий, в том числе и альтернативных.

Список использованных материалов 

1. Учебное пособие по биохимии Уральского федерального университета имени первого Президента России Б.Н.Ельцина химико-технологический институт. Авторы: В.В. Емельянов,
Н.Е. Максимова, Н.Н. Мочульская. Издательство Уральского университета, 2016 год. 130с.

2. Что такое энергия? /Земцова Т. Перевод Гришин А. – Издательство Махаон, 2014 г 32с.

3. Макаллан К. Я люблю читать-4 уровень Энергия/Макаллан К. - Издательство Махаон, 2008 г. 32с.