Інформація для вчителів
Опис
Експериментальна установка
Нині в повсякденному житті необхідні накопичувачі енергії і одним із таких прикладів є акумулятори. Акумулятори накопичують електричну енергію на основі окисно-відновних реакцій і використовуються в ноутбуках, фотоапаратах і багатьох інших пристроях. Цинк/кисневий елемент, як і свинцевий акумулятор, є вторинним акумулятором, що перезаряджається. Це означає, що він стає гальванічним елементом тільки в процесі зарядки, тобто він може деякий час виділяти електрику, а потім його потрібно заряджати знову. Кожний гальванічний елемент має електроліт.
У цьому експерименті електроліт цього елемента є сильнолужним, а окислювачем при подачі струму є атмосферний кисень. Цинк/кисневий елемент часто використовується в техніці.
Додаткова інформація для вчителів (1/2)
Попередні знання
Учні вже мають знати, як працюють батарейки та акумулятори і як виробляється напруга.
Принцип
Подача напруги призводить до міграції електронів через різницю потенціалів. Розчинений цинк відновлюється до елементарного цинку на катоді, а гідроксид-іони з розчину окислюються до молекулярного кисню і води на аноді.
Якщо замість джерела напруги в електричне коло увімкнути споживача, то заряджений акумулятор буде постачати енергію, отриману через різницю потенціалів до тих пір, доки не вичерпаються молекулярний кисень і елементарний цинк.
Додаткова інформація для вчителів (2/2)
Мета навчання
Під час цього експерименту учні вивчають принцип роботи акумулятора з процесами зарядки та розрядки для накопичення електричної енергії. Цинк/кисневий елемент служить моделлю накопичувача енергії (пристрою для зберігання енергії).
Завдання
У цьому експерименті цинк/кисневий елемент використовується як модель накопичувача енергії (пристрою для зберігання енергії). Подаючи напругу, можна спостерігати процес зарядки елемента, а підключивши споживача, можна відтворити процес розрядки.
Інструкції з техніки безпеки
- Використовуйте захисні окуляри та захисні рукавички.
- Розчин цинкату натрію дуже корозійний!
- Пари цинкату натрію подразнюють органи дихання, не вдихайте пари.
- 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.
Утилізація
Кислоти та луги після нейтралізації (рН від 6 до 8) викидаються в раковину, а важкі метали та розчини, що містять важкі метали, викидаються в контейнер для відходів важких металів.
Інформація для учнів
Мотивація
Експериментальна установка
Батарейки необхідні в повсякденному житті. Для роботи багатьох пристроїв потрібні батареї, які використовують свою здатність накопичувати енергію. Енергія, що зберігається в акумуляторі, забезпечує електроживлення пристрою. Після певного періоду роботи акумулятор розряджається, і енергія, раніше накопичена в акумуляторі, використовується для живлення пристрою.
Розряджений акумулятор можна зарядити, підключивши його до джерела напруги, і тоді заряджений акумулятор знову може забезпечувати електричну енергію.
Завдання
Побудуйте цинково-кисневий елемент (батарею) як модель акумулятора для зберігання енергії.
Приклавши напругу, можна спостерігати процес зарядки елемента, а підключивши споживача, можна зрозуміти процес 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 | Перехідний штекер, гніздо 4 мм/ 2 мм, 2 шт. | 11620-27 | 1 |
| 5 | Затискач типу "Крокодил", з ізоляцією, 2 мм, 2 шт. | 07275-00 | 1 |
| 6 | Блок із 8 заглибленнями, d=40 мм | 37682-00 | 1 |
| 7 | Графітовий електрод, d=5, l=150, 6 шт. | 44510-00 | 1 |
| 8 | Плоска батарея, 4,5 В, 3R 12 DIN 40869 | 07496-01 | 1 |
| 9 | Двигун, 2 В, пост. струм | 11031-00 | 1 |
| 10 | Мензурка, висока, 50 мл | 46025-00 | 1 |
| 11 | Набір електродів (Al, Fe, Pb, Zn, Cu) | 07856-00 | 2 |
| 12 | Натрій гідроксид, бісер, 500 г | 30157-50 | 1 |
| 13 | Оксид цинку 250 г | 30248-25 | 1 |
Підготовка (1/2)
Приготування розчину цинкату натрію
Додайте 7 г оксиду цинку до 250 мл 10 %-ного розчину натрій гідроксиду і нагрійте розчин трохи нижче температури кипіння, постійно помішуючи (можливе відстрочене кип’ятіння!).
Дайте розчину охолонути (надлишок оксиду цинку осяде).
Відокремте прозорий розчин від залишку шляхом декантації або фільтрування та помістіть у пляшку.
На групу учнів потрібно близько 25 мл.
Підготовка (2/2)
Заповніть вимірювальну комірку блоку розчином цинкату натрію .
Зберіть електричне коло з електродами, мультиметром і джерелом напруги (рис. праворуч).
Використовуйте 2 стрижні графіту завдовжки близько 40 мм (d = 5 мм) як електроди, які поміщають у вимірювальну комірку блоку, заповнене розчином цинкату натрію. Електроди не повинні торкатися один одного.
Джерелом постійної напруги може бути плоска батарейка 4,5 В. Встановіть мультиметр на діапазон вимірювання сили струму 10 A.
Експериментальна установка
Виконання роботи
Зарядка акумулятора
Як тільки електричне коло замикається, починається електроліз розчину цинкату натрію між графітовими електродами. Проведіть електроліз протягом 2-3 хвилин.
Розрядка акумулятора
Після електролізу видаліть джерело струму з кола і встановіть на його місце маленький електродвигун з диском (рис. праворуч). Запишіть свої спостереження і виміряні значення сили струму протягом усього експерименту.
Встановіть двигун замість акумулятора
Протокол
Завдання 1
Питання
Завдання 2
Питання
Завдання 3
Питання