Загальна інформація
Застосування
Автомобільний акумулятор
Накопичення електричної енергії - це проблема енергопостачання, тим паче що енергію змінного струму, яку виробляють електростанції, накопичити безпосередньо неможливо. Постійний струм можна накопичити, перетворивши електричну енергію на хімічну. Пристрій, придатний для цього, називається акумулятором. На практиці кілька акумуляторних елементів з'єднують послідовно в батарею. Для промислового виготовлення свинцевого акумулятора за основу беруть не свинцеві пластини, бо так удалося б досягти лише малої ємності. Пасту з порошкоподібного свинцю, діоксиду свинцю, сірчаної кислоти та зв'язників запресовують у свинцеві ґратки і формують електролізом, тобто перетворюють на губчастий свинець або, відповідно, губчастий діоксид свинцю. Учням такі «акумулятори» відомі.
Інша інформація (1/3)
Попередні знання
- Процес електролізу має бути відомий.
- Багаторазове заряджання та розряджання нового акумулятора перед його застосуванням називається формуванням.
Принцип
Свинцевий акумулятор у найпростішому виконанні складається з водного розчину сірчаної кислоти, у який занурені два електроди у вигляді свинцевих пластин. Якщо крізь цей пристрій, який називають елементом, пропустити постійний електричний струм, то можна накопичити електричну енергію і дати елементові змогу постачати електричний струм. Зарядний і розрядний струми мають протилежні напрямки. Напруга зарядженого елемента становить приблизно .
Інша інформація (2/3)
Навчальна мета
У цьому досліді учні знайомляться з принциповою будовою та принципом дії свинцевого акумулятора.
Завдання
Спостерігай хімічні реакції, які відбуваються в акумуляторі, і виміряй напругу.
Інша інформація (3/3)
Перед дослідом слід приготувати розведену сірчану кислоту (близько 5 %). З міркувань безпеки потрібну кількість розведеної сірчаної кислоти вчитель має налити в рифлену ванночку кожній групі сам. Утилізацію водного розчину слід проводити в одному визначеному місці під наглядом учителя.
Правила безпеки (1/2)
- Для цього досліду діють загальні правила безпечного експериментування на уроках природничих наук.
- Під час поводження зі свинцем і сполуками свинцю згідно з Правилами безпеки на уроках (RiSU) діє: заборона робіт для учениць та учнів. Обмеження робіт для жінок дітородного віку, вагітних жінок і матерів, які годують груддю.
- Розведена сірчана кислота має сильну роз'їдальну дію на шкіру, очі та слизові оболонки.
- Аерозоль подразнює органи дихання.
- Свинець шкідливий для здоров'я.
Правила безпеки (2/2)
- Очищення свинцевих електродів виконуй по змозі під витяжкою!
- Надягни захисні рукавички!
- Після досліду ретельно вимий руки!
- Утилізація: залишки кислоти розвести водою, нейтралізувати (pH 6-8) і злити. Розчини або тверді залишки, що містять свинець чи йони свинцю, збирайте в спеціально позначену тару й утилізуйте як відходи важких металів.
Теорія
Хімічні реакції, які відбуваються під час заряджання та розряджання, складні. Перед прикладанням напруги обидва свинцеві електроди вкриваються сульфатом свинцю () після того, як їх занурили у водний розчин, у якому сірчана кислота дисоціювала ( ).
Заряджання:
- Катод приймає електрони; його поверхня відновлюється до чистого свинцю.
- Анод віддає електрони і зв'язує кисень; із сульфату свинцю на поверхні анода утворюється оксид свинцю.
Під час розряджання хімічні реакції відбуваються у зворотному напрямку.
Обладнання
Додаткове обладнання
| Позиція | Обладнання | Кількість |
|---|---|---|
| 1 | дистильована вода | 1 |
| 2 | гігроскопічна тканина або папір | 1 |
Складання та виконання
Складання
- Наповни очищену скляну кювету приблизно на дві третини дистильованою водою, долий приблизно сірчаної кислоти й розмішай.
- Занур ретельно очищені наждачним папером свинцеві електроди в тримачах у розчин і склади дослід відповідно до рисунка ліворуч.
- Установи межу вимірювання для зарядного струму і межу вимірювання для розрядного струму.
Виконання (1/2)
- Увімкни блок живлення, замкни вимикач і переведи перемикач у положення L (заряджання).
- Установи силу зарядного струму приблизно і заряджай елемент приблизно .
- Перерви заряджання за допомогою вимикача. Від'єднай виводи вимірювача зарядного струму на модулі, установи межу вимірювання і виміряй напругу безпосередньо на свинцевих електродах. Запиши результат вимірювання (1).
- Знову встанови вимірювальний прилад із межею вимірювання як на початку досліду.
Виконання (2/2)
- Переведи перемикач у положення E (розряджання) і замкни цим коло розряджання. Стеж за тривалістю роботи двигуна і зверни увагу на напрямок розрядного струму. Запиши його (напрямок розрядного струму) (2).
- Переведи перемикач у положення L, повтори заряджання та розряджання. Знову простеж за тривалістю роботи двигуна і порівняй із раніше спостереженою (3).
- Повтори заряджання ще раз, розімкни вимикач, вийми електроди з водного розчину, обполосни їх водою і опиши зміни поверхонь електродів (4).
Спостереження та опрацювання результатів
Спостереження
(1) Напруга елемента становить приблизно .
(2) Розрядний струм тече в напрямку, протилежному до зарядного струму. Елемент свинцевого акумулятора складається з двох свинцевих електродів, занурених у водний розчин сірчаної кислоти. Якщо крізь елемент пропустити постійний струм, то він може накопичувати електричну енергію і постачати електричний струм. Зарядний і розрядний струми напрямлені протилежно.
(3) Тривалість роботи двигуна більша за раніше спостережену.
(4) Свинцева пластина, яка була приєднана до додатного полюса джерела зарядного струму, - анод, - забарвилася в чорно-коричневий колір; поверхня катода - блискучий свинець.
Опрацювання результатів (1/3)
Свинцевий акумулятор у найпростішому виконанні складається з водного розчину сірчаної кислоти, у який занурені два електроди у вигляді свинцевих пластин. Якщо крізь цей пристрій, який називають елементом, пропустити постійний електричний струм, то можна накопичити електричну енергію і дати елементові змогу постачати електричний струм. Зарядний і розрядний струми мають протилежні напрямки. Напруга зарядженого елемента становить приблизно .
Під час заряджання потік електронів тече у зворотному напрямку порівняно з розряджанням. Тому двигун змінює напрямок обертання. Отже, акумулятор «збирає» «струм» під час заряджання і знову віддає його під час розряджання. Причина здатності акумуляторного елемента накопичувати і знову віддавати електричний заряд чи енергію полягає в хімічних реакціях під час заряджання та розряджання.
Перед прикладанням напруги вже дисоційована, і обидва свинцеві електроди вкриваються сульфатом свинцю ( ).
Опрацювання результатів (2/3)
Заряджання свинцевого акумулятора
Катод приймає електрони. Його поверхня відновлюється до чистого свинцю:
Анод віддає електрони і зв'язує кисень. На його поверхні із сульфату свинцю утворюється оксид свинцю:
Опрацювання результатів (3/3)
Розряджання свинцевого акумулятора
Під час розряджання хімічні процеси відбуваються у зворотному напрямку; анод приймає електрони, катод віддає рівно стільки ж електронів.
Сумарна реакція під час розряджання показує, що утворюється вода і витрачається кислота, тобто кислота розводиться. Цей зв'язок між густиною кислоти та станом заряду використовують у кислотомірах, щоб за питомою густиною «акумуляторної кислоти» визначити стан заряду акумуляторів.
Оскільки реакції заряджання та розряджання відбуваються лише на поверхні електродів, ємність акумулятора можна підвищити тільки збільшенням площі електродів. Коли заряджання закінчено, сірчана кислота розкладається електролітично, акумулятор починає газувати. Оскільки для електролізу розведеної сірчаної кислоти потрібна вища напруга, це помітно наприкінці заряджання за підвищенням напруги на електродах.