Інформація для вчителів
Опис
Експериментальна установка
Два електроди в розчині солі представляють собою найпростішу базову модель акумулятора. Фактично, ця конструкція є електричним джерелом, за допомогою якого генерується напруга. Відкриття і подальший розвиток так званих гальванічних елементів, більш відомих як батареї, було особливо важливим для людства. Серед іншого, це уможливило мобільне електроживлення для найрізноманітніших електроприладів, що значно вплинуло на наш сьогоднішній рівень життя.
Відомим гальванічним елементом є елемент Даніеля, який складається з цинкового та мідного напівелементів. Елемент Даніеля часто використовують як модель гальванічного елемента з дидактичних міркувань (проста конструкція, швидке виконання).
Додаткова інформація для вчителів (1/7)
Попередні знання
Учні вже повинні знати, що таке гальванічний елемент і з чого він складається.
Принцип
У звичайному гальванічному елементі (який також називають хімічним джерелом живлення) два електроди з різних металів занурені у водні розчини однієї зі своїх солей.
Додаткова інформація для вчителів (2/7)
Мета навчання
За допомогою цього експерименту учні дізнаються про один із класичних прикладів гальванічного елемента - елемент Даніеля. Крім того, вводяться поняття потенціалу та різниці потенціалів. Якщо різниця потенціалів вимірюється за стандартних умов, вона відповідає напрузі розімкнутого кола гальванічного елемента.
Завдання
Учні будують 2 мідно-цинкові гальванічні елементи і досліджують їх. Елементи відрізняються лише концентрацією розчинів солей металів.
Додаткова інформація для вчителів (3/7)
Додаткова інформація (1/5)
У цьому експерименті потрібно зібрати гальванічний елемент у комплекті. Можна ввести поняття "потенціалу" та "різниці потенціалів". У повному "гальванічному елементі" (який також називають електрохімічним елементом) два різні металеві електроди занурені у водні розчини однієї з власних солей. У мідному або цинковому елементі мідний електрод занурений у розчин сульфату міді, а цинковий - у розчин сульфату цинку.
Для того, щоб забезпечити проходження електричного струму між двома розчинами, між ними встановлюється струмопровідний зв'язок за допомогою так званого "струмового ключа". В вимірювальній комірці, описаній тут, а також в комірках, що розглядаються далі в рамках цього експерименту, цей струмовий ключ складається зі смужки фільтрувального паперу, просоченої розчином нітрату калію, один кінець якої занурений в один з двох розчинів. Система з металевого електрода і пов'язаного з ним розчину солі називається "напівелементом" або півелементом. Таким чином, повний гальванічний елемент складається з двох напівелементів і з'єднувального струмового ключа.
Додаткова інформація для вчителів (4/7)
Додаткова інформація (2/5)
Відомо, що обидва метали прагнуть перейти в розчинений стан у водних розчинах.
Ми вже познайомилися з цим явищем, як тиск розчину. Його також називають потенціалом розчину або просто потенціалом. Оскільки кожен метал (як і інші речовини) має певний потенціал розчину, зазначені процеси окиснення протікають з різною інтенсивністю.
Ця різниця в інтенсивності призводить до різниці потенціалів, яка проявляється у вигляді електричної постійної напруги, щойно два напівелементи з'єднуються один з одним описаним способом.
Додаткова інформація для вчителів (5/7)
Додаткова інформація (3/5)
Різниця потенціалів між цинковим напівелементом і мідним напівелементом становить близько 1,1 В-. Розглядаючи наведені вище рівняння як рівноважні реакції, можна дійти висновку, що рівновага більш зміщена праворуч під час окислення цинку, ніж міді. Відповідно, на цинковому електроді накопичуватиметься більше електронів, ніж на мідному, що робить цинковий електрод негативним полюсом, а мідний - позитивним.
Якщо цинковий електрод з'єднаний із мідним електродом металевим дротом, електрони перетікають із цинкового електрода на мідний. Таким чином, гальванічний елемент стає джерелом струму. Однак цей потік електронів порушує рівноважні стани на поверхні електродів. Завдяки відтоку електронів дедалі більше атомів цинку переходять в іонний стан, а електрони, що притікають до мідного електрода, розряджають іони міді на його поверхні, тобто зменшують їх.
Додаткова інформація для вчителів (6/7)
Додаткова інформація (4/5)
Окислення цинку призводить до відновлення іонів міді до міді. Цей процес можна безпосередньо спостерігати в додатковому експерименті, короткочасно зануривши цинковий електрод у розчин сульфату міді. Дрібнорозподілена мідь негайно відокремлюється, утворюючи на цинку сіро-чорний шар, який неможливо змити струменем води.
Для позначення електродів електрохімічних елементів було вирішено, що електрод, на якому відбуваються процеси окислення, тобто де електрони забираються або віддаються, називається "анодом". Електрод, на якому відбуваються процеси відновлення, називається "катодом". Якщо в якості джерела струму використовується мідно-цинковий гальванічний елемент, то негативний полюс (цинковий електрод) є анодом, а позитивний полюс (мідний електрод) - катодом.
Додаткова інформація для вчителів (7/7)
Додаткова інформація (5/5)
Різниця між потенціалами двох напівелементів дає напругу розімкненого кола при вимірюванні без струму. Якщо ці вимірювання проводять у стандартних умовах, то напруга розімкнутого кола відповідає різниці між стандартними потенціалами.
Потенціал між двома напівелементами дорівнює ΔE = EКатод - EАнод(у прикладі мідно-цинкового гальванічного елемента ECu- EZn= 1.10 В ). Якщо його вимірюють у стандартних умовах (температура - 25°C, концентрація - 1 моль/л, тиск - 1,013 бар), то цей потенціал відповідає стандартному потенціалу або напрузі розімкненого електричного кола гальванічного елемента.
Потенціал (або напруга) у розімкненому електричному колі називається напругою розімкненого кола, а потенціал у замкнутому електричному колі називається напругою на затискачах. Напруга розімкнутого кола завжди вища, ніж напруга на затискачах.
Інструкції з техніки безпеки
- Під час експерименту необхідно одягнути захисні окуляри!
- Розчини сульфату цинку концентрації c = 1,0 моль/л чинять подразнювальну дію.
- Правила роботи з небезпечними речовинами наведено у відповідних паспортах безпеки.
- До цього експерименту застосовуються загальні інструкції щодо безпечного проведення експериментів на уроках з природничих наук
Інформація для учнів
Мотивація
Експериментальна установка
Електроенергія, яку можна транспортувати, необхідна для багатьох речей у нашому повсякденному житті: смартфони, годинники, відеоігри, кардіостимулятори та слухові апарати. Чи можете Ви уявити, яким би було життя без неї?
Тому важливою віхою для людства стало відкриття і подальший розвиток так званих гальванічних елементів, більш відомих як батарейки.
У цьому експерименті Ви будете досліджувати один з найвідоміших гальванічних елементів, так званий елемент Даніеля - мідно-цинковий гальванічний елемент.
Завдання
У повному "гальванічному елементі" два різні металеві електроди занурені у водні розчини однієї з власних солей. У мідно-цинковому гальванічному елементі мідний електрод занурений у розчин сульфату міді, а цинковий - у розчин сульфату цинку. Для того, щоб забезпечити проходження струму між двома розчинами, між ними встановлюється струмопровідний зв'язок за допомогою так званого "струмового ключа".
Необхідно побудувати і дослідити 2 мідно-цинкових гальванічних елементи, які відрізняються один від одного тільки концентраціями розчинів солей металів.
Матеріал
| Позиція | Матеріал | Пункт №. | Кількість |
|---|---|---|---|
| 1 | Цифровий мультиметр, 3 1/2 розрядний дисплей з NiCr-Ni термопарою | 07122-00 | 1 |
| 2 | З'єднувальний провідник, 2 мм-штепсель, 500 мм, червоний | 07356-01 | 1 |
| 3 | З'єднувальний провідник, 2 мм-штепсель, 500 мм, синій | 07356-04 | 1 |
| 4 | Перехідний штекер, гніздо 4 мм/ 2 мм, 2 шт. | 11620-27 | 2 |
| 5 | Затискач типу "Крокодил", з ізоляцією, 2 мм, 2 шт. | 07275-00 | 2 |
| 6 | Набір електродів (Al, Fe, Pb, Zn, Cu) | 07856-00 | 2 |
| 7 | Наждачний папір, середньозернистий | 01605-00 | 1 |
| 8 | Блок із 8 заглибленнями, d=40 мм | 37682-00 | 1 |
| 9 | Кришки для блоку з заглибленнями, 8 шт. | 37683-00 | 1 |
| 10 | Мензурка, висока, 50 мл | 46025-00 | 4 |
| 11 | Пляшка-крапельниця, пластик, 50 мл | 33920-00 | 1 |
Підготовка необхідних розчинів
Підготовка необхідних розчинів
- Розчин сульфату міді (0,1 моль/л): Додайте 7,95 г сульфату міді до 250 мл дистильованої води. Добре перемішайте і доведіть до 500 мл дистильованою водою.
- Розчин сульфату міді (1 моль/л): Додайте 15,9 г сульфату міді до 250 мл дистильованої води. Добре перемішайте і доведіть до 500 мл дистильованою водою.
- Розчин сульфату цинку (0,1 моль/л): Додайте 8,05 г сульфату цинку до 250 мл дистильованої води. Добре перемішайте і доведіть до 500 мл дистильованою водою.
- Розчин сульфату цинку (1 моль/л): Додайте 16,1 г сульфату цинку до 250 мл дистильованої води. Добре перемішайте і доведіть до 500 мл дистильованою водою.
- Нітрат калію (1 моль/л): Додайте 55,5 г нітрату калію до 250 мл дистильованої води. Добре перемішайте і доведіть до 500 мл дистильованою водою.
Підготовка
Залийте розчини у відповідні вимірювальні комірки блоку, як показано на рисунку.
З'єднайте вимірювальні комірки зі смужками фільтрувального паперу, змоченими в розчині нітрату калію.
Спочатку помістіть мідний електрод (мідна пластинка) у розбавлений розчин сульфату міді (вимірювальна комірка 1), а цинковий електрод - у розбавлений розчин сульфату цинку (вимірювальна комірка 2).
Залийте розчини у відповідні вимірювальні комірки блоку
Виконання роботи
Встановіть мультиметр на діапазон вимірювання - 2 В і тип напруги - постійна напруга.
Підключіть цинковий електрод (негативний полюс) до роз'єму заземлення, а мідний електрод (позитивний полюс) - до роз'єму для вимірювання напруги на вимірювальному приладі (мультиметрі) і виміряйте електричну напругу гальванічного елемента.
Потім таким же чином виміряйте напругу на комірці з 1 молярним розчином. (Електроди мають бути попередньо знову підключені).
Для порівняння, праворуч знову показано експериментальну установку.
Експериментальна установка
Протокол
Завдання 1
Питання
Завдання 2
Питання
Завдання 3
Питання
Завдання 4
Питання
Завдання 5
Питання