Загальна інформація
Застосування
Батарея
Сьогодні батареї в багатьох приладах слугують джерелом напруги. Існують найрізноманітніші типи батарей. Але за принципом дії всі вони - гальванічні елементи. Так називають електрохімічну комірку, на електродах якої хімічні реакції відбуваються самочинно. При цьому хімічна енергія перетворюється на електричну. Як речовини використовують цинк і вуглець, а як електроліт - здебільшого загущений розчин їдкого калію. Дещо потужніші лужно-манганові елементи. Як дискові елементи для живлення калькуляторів, наручних годинників чи фотоапаратів сьогодні здебільшого застосовують цинк-ртутнооксидні або срібнооксидно-цинкові елементи з розчином їдкого калію як електролітом. Літієві елементи використовують, наприклад, у кардіостимуляторах.
Інша інформація (1/3)
Попередні знання
Процес електролізу має бути відомим.
Принцип
Гальванічний елемент у принципі складається з двох різних металевих електродів, занурених у водний розчин електроліту. Між електродами можна "зняти" електричну напругу, виникнення якої спрощено пояснюють тим, що позитивні йони металу переходять з поверхні електродів у розчин, а вільно рухливі електрони залишаються на електродах. Оскільки таке "залишання" електронів у різних металів відбувається різною мірою, електроди заряджаються негативно неоднаково сильно. Ця різниця зарядів і спричиняє напругу.
Інша інформація (2/3)
Навчальна мета
У цьому досліді учні знайомляться з будовою і принципом дії гальванічних елементів, які на практиці часто застосовують як батареї.
Завдання
Покажи, що між двома електродами з різних металів виникає електрична напруга, якщо вони перебувають у водному розчині електроліту.
Інша інформація (3/3)
Виміряні значення можна вважати лише орієнтовними, бо досяжні напруги сильно залежать від хімічного стану поверхні електродів. Тому передусім при використанні свинцевого електрода важливо, щоб його заздалегідь ретельно очистили.
Якщо розташувати використані електроди один за одним так, щоб метал, який стоїть ліворуч, був електрично позитивним щодо того, який стоїть праворуч, то дістанемо: .
Правила безпеки (1/2)
- Для цього досліду діють загальні правила безпечного експериментування на уроках природничих наук.
- Під час досліду всі особи, які перебувають у приміщенні, мають бути в захисних окулярах!
- Свинець і сполуки свинцю становлять дуже високу небезпеку
- При використанні свинцевого електрода діє заборона на роботу для учениць та учнів, а також обмеження на роботу для жінок дітородного віку, вагітних жінок і матерів, які годують.
- Носіть рукавички та захисні окуляри!
- Розведена сірчана кислота дуже сильно роз'їдає шкіру, очі та слизові оболонки.
Правила безпеки (2/2)
- Аерозоль подразнює органи дихання.
- Свинець шкідливий для здоров'я.
- Очищення свинцевих електродів по змозі виконуйте у витяжній шафі! Надягніть захисні рукавички!
- Після досліду ретельно вимийте руки!
- Утилізація: залишки кислоти розведіть водою, нейтралізуйте (pH 6-8) і злийте в каналізацію. Розчини або тверді залишки, що містять свинець чи йони свинцю, збирайте в позначений для цього контейнер і утилізуйте як відходи важких металів.
Теорія
Гальванічні елементи - це електрохімічні джерела напруги, у яких хімічна енергія перетворюється на електричну.
Простий гальванічний елемент складається з електропровідної рідини (електроліту) і двох різних речовин. Між цими двома різними речовинами існує електрична напруга. У замкненому колі тече електричний струм.
Напруга, яка виникає, залежить від використаних речовин. У фізиці заведено розташовувати речовини у так званому електрохімічному ряді напруг. Напруга між двома речовинами тим більша, чим далі ці речовини стоять одна від одної в цьому ряді. Через хімічну зміну речовин у замкненому колі напруга зазвичай менша за ту, яка випливає з ряду напруг. Теоретично можлива безліч комбінацій. Але практичне значення мають лише кілька варіантів.
У всіх гальванічних елементах із протіканням струму відбувається хімічна зміна електродів. Вони буквально "витрачаються". Через це напруга елемента поступово зменшується. Він має лише обмежений строк служби і, на відміну від акумуляторів, не може бути заряджений повторно.
Обладнання
Додаткове обладнання
| Позиція | Обладнання | Кількість |
|---|---|---|
| 1 | Вода | 1 |
| 2 | Гігроскопічна тканина або папір | 1 |
Складання та виконання
Складання
Схема досліду
- Після ретельного очищення скляної ванни й усіх електродів налий у ванну води більше ніж наполовину, додай кілька мілілітрів сірчаної кислоти й перемішай.
- Збери дослід відповідно до рисунка ліворуч, встанови діапазон вимірювання і спочатку занур у водний розчин мідний і цинковий електроди. Стеж за тим, щоб (+)-клема вольтметра була з'єднана з мідним електродом.
Виконання
- Зніми показ напруги й занеси його до таблиці.
- Замкни вимикач і спостерігай за двигуном (1).
- Розімкни вимикач.
- По черзі заміняй один з електродів іншим і – якщо потрібно – зміни полярність вольтметра. Виміряй відповідну напругу й запиши результат вимірювання, а також полярність електродів у таблицю.
- Наостанок ще раз постав мідний і цинковий електроди.
- Зменш дієву площу електродів, піднявши один електрод або обидва, і спостерігай при цьому за вольтметром (2).
- Тепер зменш або збільш відстань між електродами й спостерігай при цьому за вольтметром (3).
Спостереження та опрацювання результатів
Спостереження
(1) Двигун працює, напруга холостого ходу гальванічного елемента (мідь/цинк) становить приблизно .
(2) Напруга не змінюється.
(3) Напруга так само не змінюється.
Можлива таблиця
Опрацювання результатів
Якщо занурити два електроди з різних металів у водний розчин електроліту, то між ними виникає електрична напруга. Такий пристрій називають гальванічним елементом. Значення напруги залежить від матеріалу електродів, але не від площі їхньої поверхні та відстані між ними.
Виникнення напруги гальванічного елемента можна спрощено пояснити тим, що позитивні йони металу переходять з поверхні електродів у розчин і залишають по собі вільно рухливі електрони. Оскільки в різних металів це відбувається різною мірою, вони заряджаються негативно неоднаково сильно. Різниця зарядів електродів і спричиняє напругу, яку можна визначити вольтметром і використати для живлення електричних приладів.
З таблиці видно, що -елемент створює найбільшу, а -елемент - найменшу напругу.