Інформація для вчителів
Опис
Експериментальна установка
Перший гальванічний елемент був описаний у 1799 році італійським фізиком Алессандро Вольта. "Елемент Вольта" є мідно-цинковим елементом, але, на відміну від гальванічного елемента Даніеля, розробленого пізніше, обидва металеві електроди розташовані разом у розчині електроліту - розведеної сульфатної кислоти.
Ця відносно проста конструкція дозволила об'єднати багато таких елементів у дуже компактну конструкцію, з'єднавши їх послідовно. Батареї вольтових елементів, які стали відомі як "Вольтові стовпи", використовувалися для генерування високої напруги.
Додаткова інформація для вчителів (1/4)
Попередні знання
Учні повинні вже мати навички роботи з гальванічними елементами (елемент Даніеля) в теорії та на практиці. Вони також повинні знати, що таке послідовне електричне коло.
Принцип
" Вольтів стовп" або "елемент Вольта" також є мідно-цинковим елементом, але на відміну від розробленого пізніше елемента Даніеля, тут обидва металеві електроди знаходяться разом у розчині електроліту - розведеної сульфатної кислоти.
Додаткова інформація для вчителів (2/4)
Мета навчання
За допомогою цього експерименту учні розширять свої знання з електрохімії та дізнаються про інший гальванічний елемент - елемент Вольта.
Завдання
Учні збирають 2 елементи Вольта. Вимірюють напругу на окремому елементі та напругу після послідовного з'єднання. При короткому замиканні електродів спостерігають за особливостями виділення водню.
Додаткова інформація для вчителів (3/4)
Додаткова інформація
Ця відносно проста конструкція дозволила об'єднати багато таких елементів у дуже компактну конструкцію, з'єднавши їх послідовно. Батареї вольтових елементів, які стали відомі як "Вольтові стовпи", використовувалися для генерування високої напруги.
Цинк реагує із сірчаною кислотою відповідно до рівнянь:
(I)
(II)
(III)
Тому цинк переходить в іонний стан (окиснення) і тим самим відновлює іони водню до молекулярного водню. Мідь стоїть у ряді напруг після водню – тому розбавлена сульфатна кислота не діє на мідь.
Додаткова інформація для вчителів (4/4)
Додаткова інформація
Якщо цинковий електрод з'єднати з мідним за допомогою провідника, а потім помістити обидва електроди в розведену сульфатну кислоту, цинк розчиняється на поверхні цинкового електрода за рівнянням I. Електрони, що вивільняються в процесі, протікають (принаймні частково) через провідник до міді і відновлюють іони водню до молекулярного водню на її поверхні за рівнянням II.
Якщо між двома металевими електродами підключити високоомний вимірювальний прилад (вольтметр), то від цинкового електрода до мідного може перейти дуже невелика кількість електронів. Тому відновлення іонів водню до водню в цьому випадку відбувається майже виключно на цинковому електроді (рівняння III), хоча на мідному електроді воно також відбувається дуже слабко, але це неможливо побачити неозброєним оком. Оскільки молекулярний водень, що утворюється, повільно покриває мідний електрод тонким шаром і таким чином захищає його від доступу подальших іонів водню, електрична напруга падає дещо нижче фактичної різниці потенціалів 1,1 В між цинком і міддю. В екстремальних випадках і при використанні найчистіших хімічних речовин і металів напруга цього вольтового елемента може впасти приблизно до 0,76 В-. Пояснення цьому наведено в експерименті "Виготовлення спрощеного водневого електрода".
Інструкції з техніки безпеки
- Одягніть захисні окуляри та рукавички.
- Розчини сірчаної кислоти з концентрацією c = 0,5 моль/л чинять подразнювальну дію.
- Уникайте будь-якого контакту хімічних речовин з очима та шкірою.
- 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
Якщо необхідно генерувати високу напругу, нам потрібна установка з відносно великою кількістю "елементів Вольта". Завдяки відносно простій конструкції можна об'єднати багато таких елементів у дуже компактну конструкцію, з'єднавши їх послідовно.
Ці батареї стали відомі як " Вольтові стовпи" і використовуються для отримання високої напруги.
Завдання
Приготуйте 2 елементи Вольта. Виміряйте напругу одного елемента і напругу після послідовного з'єднання.
При короткому замиканні електродів спостерігаються особливості виділення водню.
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 | 1 |
| 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 | З'єднувальний провідник, 2 мм-штепсель, 250 мм, синій | 07355-04 | 1 |
| 8 | Блок із 8 заглибленнями, d=40 мм | 37682-00 | 1 |
| 9 | Мензурка, висока, 50 мл | 46025-00 | 2 |
Підготовка
Підготовка необхідних розчинів
Сірчана кислота (0,5 моль/л):Налийте 100 мл дистильованої води в мензурку. Додайте 13,8 мл 96 % сірчаної кислоти та доведіть до 500 мл дистильованою водою.
Підготовка:
Помістіть 2 мензурки (50 мл) у блок вимірювальних комірок і додайте в кожну з них близько 25 мл розбавленої, приблизно 2-3%, сірчаної кислоти (рис. праворуч).
Підключіть цинковий електрод до роз'єма заземлення (негативний полюс), а мідний електрод - до роз'єма для підключення напруги (позитивний полюс) мультиметра.
Помістіть 2 склянки в блок вимірювальних комірок
Виконання роботи (1/2)
Встановіть мультиметр на діапазон вимірювання 2 В, а потім занурте обидва електроди на короткий час у сульфатну кислоту одночасно. Електроди не повинні торкатися один одного!
Тепер помістіть цинковий і мідний електроди в кислоту другої мензурки і з'єднайте два елементи Вольта послідовно (рис. 3). Виміряйте напругу цієї комбінації.
Послідовно з'єднайте два елементи Вольта
Виконання роботи (2/2)
Однак якщо закоротити в вимірювальній комірці мідний і цинковий електроди, з'єднавши їх безпосередньо через провідник (рис. вгорі праворуч),
або
просто доторкнутися один до одного (рис. внизу праворуч),
можна чітко бачити, як на мідному електроді піднімаються бульбашки газу.
Протокол
Завдання 1
Питання
Завдання 2
Питання
Завдання 3
Питання