Проект "Влияние физико-химических факторов на работу элемента Калло" 8 класс


1
Влияние физико-химических факторов на работу элемента Калло
(Сл 1) Электрическая энергия одна из основ современной цивилизации. Любой
бытовой прибор, на современном этапе, работает благодаря электрической энергии.
Можно сказать, что она является не только источником, но и товаром.
Не смотря на кажущееся разнообразие источников получения электрической энергии,
все они, фактически, сводятся к двум основным типам: индукционным и химическим.
(Сл. 2) Электрохимические источники энергии включают в себя разнообразные модели
гальванических элементов.
К сожалению, изготовление гальванических элементов, на современном этапе,
требуют компоненты, запасы которых ограничены. Тем самым повышая себестоимость
батарейки. К таким, к примеру, относят марганцевые руды, которые начинают добывать
со дна мирового океана.
Немаловажным фактором является экологический вред, который способны нанести
отработанные гальванические элементы. Например, выброшенная круглая батарейка от
кварцевых часов может отравить до 15м
2
почвы.
(Сл. 3) По этой причине нами и была предпринята попытка собрать источник тока из
максимально доступных материалов. За основу мы выбрали гальванический элемент
Калло. Принципиальным отличием собранного нами элемента явилась замена
классического, цинкового анода, на алюминиевый анод. Алюминий - гораздо менее
токсичен, чем цинка и более доступен.
В процессе работы нам пришлось решить следующие задачи:
Изучить литературу по гальваническим элементам.
Изучить устройство гальванического элемента Калло.
Собрать и подготовить реактивы, материалы и оборудование, необходимые для
создания действующей модели гальванического элемента.
Произвести экспериментальный подбор материалов, дающих оптимальный
результат при изготовлении катода и анода гальванического элемента.
Подобрать оптимальный состав электролита, позволяющий добиться
максимальной разницы потенциала в гальваническом элементе.
Собрать рабочую модель гальванического элемента, используя полученные
2
результаты.
Собрать батарею, с использованием разработанного гальванического элемента.
Оформить презентации, как форму отчёта о проделанной работе.
Основой любого химического источника тока являются: анод, катод и электролит.
Самым фундаментальным недостатком любого химического источника тока, является
эффект саморазрядки материал анода расходуется вне зависимости от нагрузки
элемента.
(Сл. 4) Объектом нашего исследования была рабочая модель гальванического
элемента.
Предметом исследования мы выбрали подбор материалов, используемых при
изготовлении электродов рабочей модели. Выбор материала основывался на следующих
показателях:
1. Экологическая безопасность.
2. Высокая доступность.
3. Низкая стоимость.
4. Простота в работе.
(Сл. 5) Литературные источники позволили нам выдвинуть ряд теоретических
предположений, использованных нами в дальнейшем для создания оригинального
гальванического элемента.
1. Алюминий или магний более активный металл, чем цинк, теоретическая разность
потенциалов выше. Гипотеза: алюминиевый или магниевый анод должен выдавать более
высокое выходное напряжение, чем цинковый.
2. Более доступным металлом является алюминий. Гипотеза: в качестве анода можно
использовать любое тело из алюминия, даже алюминиевую фольгу.
Изначально был собран описанный в литературе гальванический элемент Калло: анод
цинк, катод медь. С помощью вольтметра была измерена полученная разница
потенциалов, она составила 1 Вольт.
3
(Сл. 6) Все эксперименты проводились при постоянной концентрации электролита
поваренной соли и материала катода – медная проволока. Переменными были:
1. Материал анода (цинк, алюминий, свиней).
2. Форма и площадь анода (проволока, пластина, фольга, гранулы)
3. Диаметр катода (от 1 мм, 1,5 мм, 2мм)
4. Количество расходного электролита - деполяризатора
медный купорос (0,1г, 0,5г, 1г, 1,5 г).
Алюминиевый анод достаточно успешно проявил себя в независимости от выбранной
формы. Гальванический элемент стабильно работал как с анодом в форме отрезка
алюминиевой проволоки, так и с анодом в форме пластины или фольги.
(Сл. 7) В результате прохождения окислительно-восстановительной реакции
гальванической пары на аноде выделялся водород и металлическая медь. Анод
растворялся, переходя в раствор в виде иона. Катод не изменялся.
1. Схема гальванического элемента:
А (-) |Al | CuSO
4
| Cu| K(+);
2. Параллельные реакции:
А (-) | 2 Н
2
О + 2ē → Н
2
+ 2 ОН
-
А (-)|Al-3ē → Al
3+
Al
3+
+ 3ОН
-
Al(ОН)
3
2Al
3+
+ 3SO
4
2-
Al
2
(SO
4
)
3
А (-)|Cu
2+
+ 2ē → Cu
3. Суммарно:
6 Н
2
О +2Al→ 2Al(ОН)
3
+ 3Н
2
3CuSO
4
+ Al = Al
2
(SO4)
3
+ 3Cu
(Сл. 8) Эффективность работа гальванического элемента определялась с помощью
вольтметра. Время работы ограничивалось скоростью расходования медного купороса и
растворением анода. При контроле над расходными материалами гальванический
элемент способен работать сколь угодно долго без заметной потери мощности. В
процессе эксперимента был отмечен следующий факт: не смотря на большую разницу в
стандартном электродном потенциале между медью и алюминием, выходное напряжение
электрического тока ниже, чем у пары цинк медь. Таким образом, для увеличения
4
значения электрического напряжения в собранном гальваническом элементе алюминий –
медь, необходимо увеличение площади электродов, что приведёт, в свою очередь, к
увеличению размера и массы элемента.
(Сл. 9-10) Для сравнения полученных данных, нами была поставлена серия
экспериментов:
Целью первых поставленных экспериментов являлось установление зависимости
выходного напряжения, от материала и формы анода. Для экспериментов были взяты:
Отрезок проволоки диаметром 2мм в качестве катода.
Электролит– 10%раствор поваренной соли.
Анод цинк, алюминий, свинец
Деполяризатор – 0,1грамм медного купороса;
Катод – отрезки медной проволоки диаметром 2мм.
Электролит – 10% раствор поваренной соли.
Форма анод – цинк – гранулы по 1-2мм 5штук и цинковая пластина шириной 2-
3мм. Анод – алюминиевая пластина шириной 2-3мм, отрезок алюминиевой
проволоки диаметром 2мм.
(Сл. 11)
Вторая серия опытов была поставлена с целью установить зависимость величины
выходного напряжение от диаметра катода:
Катод отрезки медной проволоки диаметром 2мм, 1,5мм, 1мм.
Электролит– 10% раствор поваренной соли.
Анод – отрезок алюминиевой проволоки диаметром 2мм.
Деполяризатор – 0,1грамм медного купороса.
(Сл. 12)
Третья серия поставленных экспериментов устанавливала зависимости выходного
напряжения от концентрации деполяризатора – медного купороса:
Катод – отрезки медной проволоки диаметром 2мм.
Электролит – 10% раствор поваренной соли.
Анод – отрезок алюминиевой проволоки диаметром 2мм.
Деполяризатор 0,1г, 0,5г, , 1,5 г медного купороса, соответственно.
(Сл. 13-14)
5
Четвёртая серия экспериментов была проведена с целью определения изменения
мощности гальванического элемента, используя последовательное и параллельное
соединение гальванических элементов в батарее:
Катод отрезок медной проволоки диаметром 2мм
Электролит– 10% раствор поваренной соли.
Анод – цинк – гранулы по 1-2мм 5штук.
Деполяризатор 5%раствор медного купороса.
Полученные данные позволили сделать следующие выводы:
Выходное напряжение гальванического элемента типа Калло зависит от природы
анода, площади или диаметра катода.
Выходное напряжение повышается при последовательном соединении
гальванических элементов в батарею по формуле U·n. Где n количество
подсоединённых гальванических элементов, а U выходное напряжение одного
гальванического элемента.
Выходное напряжение не изменяется при параллельном соединении гальванических
элементов в батарею.
(Сл. 15) Анализируя проведённую экспериментальную работу можно выявить
следующие закономерности и предложить гипотезы:
1. Увеличение площади катода способствует увеличению мощности гальванического
элемента.
2. Форма анода разрабатывается исходя из компактности химического источника
тока.
3. Подбор анодно-катодной пары следует проводить эмпирически.
4. Возможно, изменение химического состава соли меди, используемого в качестве
деполяризатора, может оказать влияние на величину напряжения, вырабатываемого
гальваническим элементом.
(Сл. 16) Заключение.
6
Собранная нами модель гальванического элемента Калло, так и не выдала
величину электрического напряжения, заявленного в литературных источниках 1,1
Вольт. Полученный нами результат ниже описанного в литературе на 0,1 Вольта. Нам не
удалось выяснить, явилось ли это результатом погрешности проведённых измерений,
либо следствием недостаточной чистоты используемых в работе исходных материалов.
Использование алюминиевого анода в гальваническом элементе Калло понижает
величину напряжения электрического тока, вырабатываемого данным гальваническим
элементом на 0,3 Вольта, вопреки тому факту, что согласно электрохимическому ряду
напряжений металлов, алюминиевый анод должен быть намного эффективней, нежели
цинковый. Теоретические расчёты позволяли предположить величину вырабатываемого
гальваническим элементом электрического тока в пределах 2 Вольт.
По всей видимости, свою роль играет плёнка оксида алюминия, покрывающая
анод. Установить справедливость данного предположения можно путём
амальгамирования анода, что является недопустимым в условиях средней школы.
Сборка электрической батареи путём последовательного соединения
гальванических элементов реальный способ повышения эффективности её работы.