Інформація для вчителів
Опис
Експериментальна установка
Багато гальванічних елементів, які учні знають з повсякденного життя і зі школи з початку вивчення теми "Енергопостачання та накопичення енергії", майже без винятку є джерелами напруги, хімічні процеси в яких протікають від початкового стану до кінцевого, а потім практично вичерпуються як джерела енергії.
Відповідні речовини можна було повернути до початкового стану лише за допомогою складних хімічних процесів. Прикладом цього є лужні марганцеві батареї або кнопкові елементи на основі оксиду срібла.
Крім того, є також деякі гальванічні елементи, які можна заряджати електричним струмом.
Додаткова інформація для вчителів (1/3)
Попередні знання
Учні вже повинні знати, як працюють батареї та як генерується напруга.
Принцип
Існують також деякі гальванічні елементи, які можна заряджати електричним струмом. Через примусове протікання струму електрохімічні процеси під час заряджання відбуваються у зворотному напрямку. Завдяки примусовому протіканню струму електрохімічні процеси під час зарядки відбуваються в зворотному порядку. Таким чином, ці елементи, які завжди можна зарядити, можна використовувати для зберігання енергії. Тому їх також називають акумуляторами, колекторами або також вторинними елементами.
Додаткова інформація для вчителів (2/3)
Мета навчання
Учні знайомляться з роботою акумуляторної батареї на прикладі свинцевого акумулятора.
Завдання
Необхідно побудувати модель свинцевого акумулятора, на якій спостерігаються процеси зарядки та розрядки.
Додаткова інформація для вчителів (3/3)
Додаткова інформація
Електрична напруга виникає між електродами гальванічного елемента тільки в тому разі, якщо матеріал електродів різний, наприклад, складається з різних металів, або якщо одні й ті самі електроди перебувають у розчинах різної концентрації (концентраційний ланцюг). Отже, між двома свинцевими пластинами в сірчаній кислоті напруги не буде. Однак свинцеві пластини поверхнево реагують із сірчаною кислотою, утворюючи дуже тонкий шар сульфату свинцю. Якщо тепер подати напругу, то сульфат свинцю може окислюватися на аноді та відновлюватися на катоді, тобто відбувається реакція диспропорціонування. Синпропорціонування відбувається під час розряду, продукти диспропорціонування знову реагують з утворенням сульфату свинцю.
Примітка
У разі застосування перенапруги відбувається електроліз сірчаної кислоти. У процесі електрони переходять до іонів водню, в результаті чого утворюється водень.
Інструкції з техніки безпеки
- Оскільки в цьому експерименті утворюється сульфат свинцю, вчитель має проводити цей експеримент самостійно.
- Одягніть захисні окуляри та рукавички.
- Розведена сірчана кислота сильно роз’їдає шкіру, очі та слизові оболонки. Розпилений туман подразнює дихальні шляхи.
- Свинець шкідливий для здоров'я. По можливості проведіть очищення свинцевих електродів під витяжною шафою!
- 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
У цьому експерименті досліджуються гальванічні елементи, які можна перезаряджати електричним струмом. Завдяки примусовому протіканню електричного струму, електрохімічні процеси під час зарядки відбуваються у зворотному (протилежному) напрямку.
Таким чином, ці елементи (батарейки), які завжди можна перезарядити, можна використовувати як пристрої для зберігання (накопичувачі) енергії. Тому їх також називають акумуляторами, колекторами або вторинними елементами.
Найвідомішим елементом цього типу є свинцевий акумулятор, який сьогодні використовується в будь-якому автомобілі як стартерний акумулятор.
Завдання
Побудуйте модель свинцевого акумулятора, на якій можна спостерігати процеси зарядки та розрядки.
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 | 2 |
| 4 | Затискач типу "Крокодил", з ізоляцією, 2 мм, 2 шт. | 07275-00 | 1 |
| 5 | Двигун, 2 В, пост. струм | 11031-00 | 1 |
| 6 | Перехідний штекер, гніздо 4 мм/ 2 мм, 2 шт. | 11620-27 | 2 |
| 7 | Блок із 8 заглибленнями, d=40 мм | 37682-00 | 1 |
| 8 | Мензурка, висока, 50 мл | 46025-00 | 2 |
| 9 | Набір електродів (Al, Fe, Pb, Zn, Cu) | 07856-00 | 2 |
| 10 | Плоска батарея, 4,5 В, 3R 12 DIN 40869 | 07496-01 | 1 |
| 11 | Сірчана кислота, 0,5 моль, 1000 мл | 48462-70 | 1 |
Підготовка
Відріжте від свинцевого листа дві смужки розміром 15 мм x 90 мм.
Помістіть їх у мензурку та закріпіть, загнувши верхні кінці над краєм склянки (на фото вгорі праворуч).
Тепер вставте підготовлену таким чином мензурку в блок із заглибленнями, щоб підвищити стабільність, і увімкніть електричне коло, показане на рисунку нижче, яке складається з мультиметра (встановленого на 200 мА) і свинцевих смужок (електродів), а також забезпечте джерело постійного струму (достатньо плоскої батарейки 4,5 В).
Коли експериментальна установка буде готова, заповніть мензурку приблизно на 2/3 розбавленою сірчаною кислотою (близько 5% або 0,5 моля) і під'єднайте джерело постійного струму до електричного кола.
Виконання роботи (1/2)
Спостерігайте, що відбувається, коли свинцеві електроди контактують із сірчаною кислотою перед подачею напруги.
- Як тільки електричне коло замикається, починається процес зарядки. Приблизно через 2-3 хвилини відключіть джерело живлення (батарейку) від електричного кола і огляньте поверхні свинцевих смужок. Для цього їх можна вийняти на короткий час з кислоти.
- Тепер помістіть маленький диск (позначений крапкою) на зубчасте колесо маленького електродвигуна, а потім встановіть цей двигун у коло замість батареї, як показано на рисунку праворуч.
Встановіть у електричному колі двигун замість акумулятора
Виконання роботи (2/2)
- Перезарядіть акумулятор, як описано вище, замінивши двигун акумулятором, але лише приблизно на 30 секунд, а потім знову підключіть двигун. Цей процес можна повторювати так часто, як це необхідно.
- Запишіть свої спостереження і виміряні значення сили струму протягом усього експерименту.
Не забувайте записувати свої спостереження
Протокол
Завдання 1
Питання
Завдання 2
Питання
Завдання 3
Питання