Інформація для вчителів
Застосування
Два електроди в розчинах солей утворюють найпростішу форму батареї. Вони слугують електричним джерелом і створюють напругу.
Відкриття гальванічних елементів – відоміших як батареї – уможливлює мобільне живлення багатьох пристроїв і формує наше повсякдення. Вони слугують джерелом електричної енергії та дають напругу.
Відомий приклад - елемент Даніеля: він складається з цинкового та мідного напівелементів. Його часто використовують на уроках як просту модель гальванічних комірок.
Інша інформація для вчителів (1/8)
Додаткова інформація для викладачів (1/8)
Попередні знання
Учні вже мають знати, що таке гальванічна комірка і як вона побудована.
Принцип
У повній «гальванічній комірці» (яку називають також гальванічним елементом) два різні металеві електроди занурені кожен у водний розчин однієї з власних солей. Електрони течуть через сольовий місток (електролітичний ключ) між комірками і створюють таким чином різницю напруг.
Інша інформація для вчителів (2/8)
Додаткова інформація для викладачів (2/8)
Навчальна мета
На прикладі елемента Даніеля учні знайомляться з класичним прикладом гальванічної комірки. При цьому вводяться поняття електричний потенціал і різниця потенціалів. Крім того, вони дізнаються, що виміряна за стандартних умов напруга відповідає напрузі розімкненого кола комірки, і які чинники впливають на ці умови.
Завдання
Учні складають два гальванічні елементи з різними концентраціями солей і порівнюють їхні напруги. Вони досліджують у досліді функцію окремих складників обох комірок.
Інша інформація для вчителів (3/8)
Додаткова інформація для викладачів (3/8)
У цьому досліді треба скласти повну гальванічну комірку (яку називають також гальванічним елементом). При цьому можна ввести поняття потенціалу та різниці потенціалів.
Гальванічна комірка складається з двох різних металевих електродів, занурених кожен у водний розчин однієї з власних солей. У мідно-цинковій комірці мідний електрод міститься в розчині купрум сульфату, цинковий електрод - у розчині цинк сульфату.
Для протікання струму між обома розчинами потрібен електролітичний ключ – провідне з'єднання, яке уможливлює потік йонів. Для цього можна взяти, наприклад, хроматографічний або фільтрувальний папір, просочений розчином калій нітрату, який одним кінцем занурений в один розчин, а другим - у другий.
Систему з металевого електрода та відповідного розчину солі називають напівелементом або напівкоміркою. Отже, повна гальванічна комірка складається з двох напівелементів, двох електродів і сполучного електролітичного ключа.
Інша інформація для вчителів (4/8)
Додаткова інформація для викладачів (4/8)
Тиск розчинення металу - це його прагнення розчинятися в контакті з водою; він виражається як концентрація. Силу цього прагнення називають тиском розчинення або електричним потенціалом.
Оскільки кожен метал має власний тиск розчинення, реакції окиснення в напівелементах відбуваються з різною силою. Якщо з'єднати два такі напівелементи, виникає різниця потенціалів, тобто електрична напруга. Величина цієї напруги випливає з різниці стандартних потенціалів обох металів.
Ці стандартні потенціали визначають, наскільки «неблагородним» чи «благородним» є метал. Цинк неблагородніший за мідь .
Інша інформація для вчителів (5/8)
Додаткова інформація для викладачів (5/8)
Для цинково-мідного елемента справджується:
і з
Якщо розглядати реакції на електродах як рівноваги, то рівновага при окисненні цинку зміщена в бік продуктів більше, ніж при реакції міді. Через це на цинковому електроді накопичується більше електронів, ніж на мідному. Тому цинковий електрод стає мінус-полюсом, а мідний - плюс-полюсом.
Якщо з'єднати обидва електроди (наприклад, кабелем), електрони течуть від цинку до міді. Гальванічний елемент тепер працює як джерело струму. При цьому змінюються стани на електродах: на цинковому електроді атоми цинку дедалі більше переходять у розчин, тоді як на мідному електроді йони міді, приймаючи електрони, осідають як мідь. Аніони електроліту та сульфат-йони можуть дифундувати крізь сольовий місток до цинкового напівелемента, щоб уможливити вирівнювання заряду.
Інша інформація для вчителів (6/8)
Додаткова інформація для викладачів (6/8)
Окиснення цинку та відновлення йонів міді до твердої міді можна безпосередньо спостерігати в додатковому досліді. Якщо коротко занурити цинковий електрод у розчин купрум сульфату, одразу осідає тонкодисперсна мідь. На цинку утворюється сіро-чорний шар, який не змивається водою.
Для найменування електродів в електрохімічних комірках установлено таке:
Анод: окиснення – електрони віддаються (цинковий напівелемент, мінус-полюс).
Катод: відновлення – електрони приймаються (мідний напівелемент, плюс-полюс).
У мідно-цинковій комірці цинковий електрод (мінус-полюс) є анодом, а мідний електрод (плюс-полюс) - катодом.
Інша інформація для вчителів (7/8)
Додаткова інформація для викладачів (7/8)
Різниця потенціалів двох напівелементів при безструмовому вимірюванні дає напругу розімкненого кола. Якщо вимірювання виконують за стандартних умов (температура: , концентрація: , тиск: ), вона відповідає різниці стандартних потенціалів:
Напругу в розімкненому колі називають напругою розімкненого кола, напруга в замкненому колі - це напруга на клемах. Напруга розімкненого кола завжди дещо вища за напругу на клемах.
При вимірюванні високоомним вольтметром, як-от Cobra SMARTsense Voltage (внутрішній опір у діапазоні мегаомів), і малому внутрішньому опорі гальванічного елемента справджується: напруга на клемах напруга розімкненого кола.
Інша інформація для вчителів (8/8)
Додаткова інформація для викладачів (8/8)
Розчини можна приготувати для всіх, щоб заощадити хімічні реактиви!
- Розчин купрум сульфату : Додай купрум сульфату до дистильованої води. Добре перемішай і доведи дистильованою водою до .
- Розчин цинк сульфату : Додай цинк сульфату до дистильованої води. Добре перемішай і доведи дистильованою водою до .
- Калій нітрат : Додай калій нітрату до дистильованої води. Добре перемішай і доведи дистильованою водою до .
- Розчин купрум і цинк сульфату : Відбери по розчинів і перелий їх у дві хімічні склянки. Потім додай до кожної по дистильованої води. Добре перемішай!
При такому обсязі приготування можна взяти хімічну склянку на . Її ви знайдете в інтернет-магазині PHYWE.
Правила безпеки
- Для цього досліду діють загальні вказівки щодо безпечного експериментування на уроках природничих наук.
- Під час досліду всі присутні в приміщенні особи мають носити захисні окуляри!
- Розчини цинк сульфату концентрації чинять подразнювальну дію.
- Щодо H- і P-фраз, будь ласка, звертайтеся до паспорта безпеки відповідної хімічної речовини.
Інформація для учнів
Мотивація
Батареї вже не уявити без повсякдення – вони живлять струмом багато пристроїв і тому незамінні для роботи дрона. Основою цього є батареї, робота яких ґрунтується на гальванічних елементах, що перетворюють хімічну енергію на електричну.
У цьому досліді ти познайомишся з одним із найвідоміших гальванічних елементів: елементом Даніеля (мідно-цинкова комірка). При цьому ти дізнаєшся, як за допомогою двох металів та їхніх розчинів солей можна виробити електричну енергію.
Завдання
А як же насправді працює батарея?
- Склади дві гальванічні комірки з мідними й цинковими електродами, які відрізняються лише концентрацією розчинів солей.
- Дослідіть, які завдання мають окремі складники гальванічної комірки (електроди, розчини солей, електролітичний ключ)
- Виміряй і порівняй напруги обох комірок. Як концентрація розчинів солей впливає на напругу?
Обладнання
Додаткове обладнання
| Позиція | Обладнання | Артикул | Кількість |
|---|---|---|---|
| 1 | Пінцет | 64610-01 | 1 |
Складання (1/5)
Для вимірювання датчиками Cobra SMARTsense потрібен PHYWE measureAPP. Застосунок можна безкоштовно завантажити у відповідному магазині застосунків (QR-коди див. нижче). Перед запуском застосунку перевір, чи ввімкнено на твоєму пристрої (смартфон, планшет, настільний ПК) Bluetooth.
iOS
Android
Windows
Складання (2/5)
Розчини можна приготувати для всіх, щоб заощадити хімічні реактиви!
- Розчин купрум сульфату : Додай купрум сульфату до дистильованої води. Добре перемішай і доведи дистильованою водою до .
- Розчин цинк сульфату : Додай цинк сульфату до дистильованої води. Добре перемішай і доведи дистильованою водою до .
- Калій нітрат : Додай калій нітрату до дистильованої води. Добре перемішай і доведи дистильованою водою до .
- Розчин купрум і цинк сульфату : Відбери по розчинів і перелий їх у дві хімічні склянки. Потім додай до кожної по дистильованої води. Добре перемішай!
Складання (3/5)
Змочи по черзі два сольові містки за допомогою пінцета в розчині калій нітрату й розмісти їх як місток між двома вимірювальними комірками в блоці вимірювальних комірок (див. малюнок).
Складання (4/5)
Налий, як показано на малюнку, розчини солей у відповідні вимірювальні комірки блока вимірювальних комірок.
Накрий кожну вимірювальну комірку кришкою.
Складання (5/5)
Придивись до обох електродів, мідного (Cu) і цинкового (Zn) : якщо метал окиснився під час зберігання, візьми шматок шліфувального паперу, щоб зняти оксидний шар.
Зважай далі на колір з'єднань: синій (цинк, мінус-полюс) завжди до синього (чорного), а червоний (мідь, плюс-полюс) завжди до червоного!
З'єднай затискачі «крокодил» з металевими електродами (мідною та цинковою пластинами), а провідники через перехідні штекери - з датчиком Cobra SMARTsense Voltage.
Виконання (1/2)
- Запусти measureAPP на мобільному пристрої.
- Натисни на датчику кнопку «Пуск» приблизно на 3 секунди.
- Приєднай датчик, торкнувшись поряд з описом датчика в measureAPP.
- Налаштуй показ виміряних значень, торкнувшись над діаграмою.
Виконання (2/2)
Стеж за тим, щоб електроди під час вимірювання не торкалися одне одного!
Спершу встав мідний електрод у розведений розчин купрум сульфату (вимірювальна комірка 1), а цинковий електрод - у розведений розчин цинк сульфату (вимірювальна комірка 2).
Поспостерігай, яка напруга показується в measureAPP, і запиши її, щойно вона досягне сталого значення.
Після цього обполосни електроди дистильованою водою й очисти щонайменше мідний електрод поверхнево шліфувальним папером. Виконай таке саме вимірювання в концентрованих розчинах солей.
Протокол
Завдання 1
Як працює елемент Даніеля? Перетягни слова у правильні поля! В елементі Даніеля на ____ відбувається окиснення \text{Zn} до ____. При цьому віддаються два ____. Електрони переходять до катода, на якому відбувається ____ ____ до \text{Cu}. ____ елемента Даніеля становить 1,1\,\text{V}.
Завдання 2
Питання
Завдання 3
Питання
Завдання 4
Питання
Завдання 5
Питання
Обчисли стандартний потенціал (напругу розімкненого кола) елемента Даніеля. Дано напівелементні реакції:
і
Завдання 6
Питання