Проектная работа по физике: Изготовление нестандартных гальванических элементов и исследование их эффективности

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

"Средняя общеобразовательная школа № 70 с углубленным изучением отдельных предметов" Кировского района г. Казани

Проект

«Изготовление нестандартных гальванических элементов

и исследование их эффективности»

Ученицы 11 «А» класса

Гариповой Сабины Рамилевны

Руководитель проекта:

Учитель физики:

Светчикова Ирина Владимировна

Казань 2023 г.

Оглавление:

Введение........................................................................................................................3-4

Глава 1. Теоретическая часть ...………………………………………...……………5

1.1. История создания гальванических элементов.....................................................5

1.2. Принцип действия гальванических элементов....................................................6

1.3. Воздушно (кислородно) - цинковый элемент......................................................7

1.4. Свинцовые элементы..............................................................................................8

1.5. Литиевые элементы................................................................................................9

1.6. Щелочные (алкалиновые) батарейки...................................................................10

1.7. Вывод по итогам 1 главы......................................................................................11

Глава 2. Практическая часть…………………………………………………………12

2.1. План сборки гальванических элементов.............................................................12-13

2.2. Проведение опытов и получение результатов экспериментов..........................14

2.3. Выводы по итогам 2 главы....................................................................................15

Заключение.....................................................................................................................17

Список литературы .......................................................................................................18

Введение

Актуальность исследования:

В современном мире очень актуально стоит вопрос получения энергии. Особенно в последние десятилетия увеличилось использование приборов, получающих энергию не на прямую от источника постоянного тока, а от различного вида батарей и аккумуляторов. Требования к таким источникам питания предъявляются очень жесткие. Они должны быть максимально компактны, безопасны и иметь возможность работать длительное время без подзарядки. К такому типу относятся химические источники тока – гальванические элементы и аккумуляторы. Область их использования огромна: телефоны, планшеты, фонари, радиоприемники, детские игрушки, бытовые электроприборы, автомобили и многое другое. С каждым годом появляются всё новые и новые чудеса техники, работающие на подобных источниках питания.

Цель проекта:

Изучение принципов работы различных гальванических элементов и создания образца из доступных в быту материалов и веществ.

Задачи проекта:

1. Изучить принцип работы гальванических элементов, составленных из проводников различных металлов

2. Изучить характеристики гальванических элементов

3. Изучить несколько типов гальванических элементов

4. Изготовить нестандартные гальванические элементы и исследовать их эффективность

Проблема:

Проблема состоит именно в том, что создание источников питания, отвечающих всем требованиям современных реалий, весьма сложная задача. С каждым годом учёные – физики, работающие в крупных корпорациях, связанных с высокотехнологичным оборудованием, усовершенствуют элементы питания увеличивая их энергоёмкость, продлевая срок службы. Но создания идеального источника питания – задача будущего.

Гипотеза:

На основе анализа полученных теоретических данных планируется с помощью доступных в быту материалов, экспериментально подтвердить гипотетическую версию возможности самостоятельного создания индивидуальных гальванических элементов.

Метод исследования:

За основу исследования взята схема гальванического элемента Даниэля-Якоби.

На основе данного эксперимента исследовать окислительно - восстановительные процессы, происходящие в гальванических элементах.

Практическая значимость:

Подобные эксперименты лежат в основе всех ныне существующих элементов питания. Усовершенствование данного процесса и создание экологически безопасных элементов питания имеет огромную практическую значимость. Электроэнергия, получаемая от гальванических элементов и аккумуляторов, много дороже, чем энергия от машинных электромеханических генераторов, питающих электросети. Но гальванические элементы имею огромное преимущество - они автономны. Поэтому они широко используются в переносных приборах.

Глава 1. История создания гальванических элементов:

Первый марганцево- цинковых элемент в 1865 году создал французский инженер Ж.Л. Лекланше. Элемент состоял из стеклянной банки с раствором хлорида аммония (нашатыря) NH₄Cl, в который были подгружены цинковый стержень (отрицательный электрод) и керамический пористый сосуд, наполненный смесью двуокиси марганца MnO₂ и порошка кокса, с угольным стержнем – токоотводом (положительный электрод).

В 1880-х годах начали использовать так называемый загущенный электролит, и элементы Лекланше превратились в сухие элементы. В таком виде практически почти без изменений они дожили до наших дней. Сейчас во всем мире ежегодно производится 7 – 9 млрд. элементов.

Оказалось, однако, что элементы Лекланше не удовлетворяют всем требованиям. На смену им приходят щелочные марганцево- цинковые элементы.

Для питания наручных электронных часов и карманных калькуляторов чаще всего используются ртутно-цинковые элементы. По сравнению с любыми другими химическими источниками тока у ртутно-цинковых элементов удается снять самое большое количество энергии с единицы объема. Маленькие батарейки в ручных электронных часах работают без смены целый год, а то и больше.

КПД гальванических элементов очень высок. Топлива в них используется эффективнее, чем у тепловых электростанций, однако в качестве топлива применяют остродефицитные и дорогие металлы, такие как цинк, кадмий, ртуть. Кроме того, существующие конструкции гальванических элементов не позволяют добавлять топлива по мере его расходования.

Поэтому в тех случаях тогда расход энергии относительно велик, например, в слуховых аппаратах и карманных фонариках, лучше пользоваться аккумуляторами – устройствами многоразового пользования. Наиболее распространены кислотные (свинцовые) аккумуляторы и щелочные (железно-никелевые).

1. Принцип действия гальванических элементов:

Принцип действия гальванического элемента основан на взаимодействии двух металлов через электролит, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока.

При погружении металлического электрода (чаще всего цинка) в электролит (водный раствор кислоты, щелочи или соли) часть атомов металла переходит в раствор в виде положительны ионов, а сам же электрод оказывается при этом отрицательно заряженным.
Между ним и электролитом возникает скачок потенциала. Но при этом усиливается и обратный процесс – переход положительных ионов из раствора. Нарастание потенциала прекратится, когда эти два процесса уравновесят друг друга. Если замкнуть цепь на нагрузку, то возникнет ток как на внешнем, так и на внутреннем участке.

При воздействии электрического тока движение остатков серной кислоты, а также ионов водорода будет происходить в различных направлениях. При этом, водород передает заряд на медную пластину, а остаток кислоты – на цинковую пластину. Таким образом, на клеммах будет осуществляться поддержка напряжения. Одновременно, на медной пластине оседают пузырьки водорода, ослабляющего общее действие элемента и создающего дополнительное напряжение. Такое напряжение известно, как электродвижущая сила поляризации. Чтобы избежать этого явления, в состав вводится вещество, способное поглощать атомы водорода и выполнять функцию деполяризации.

1.2. Воздушно (кислородно) - цинковый элемент:

Воздушно-цинковый элемент — гальванический элемент, в котором в качестве анода используется — газовый (воздушный электрод), электролит — водный раствор гидроксида калия (либо растворы хлорида цинка), катод — цинк. Отличается весьма высокой удельной энергоёмкостью. Недостаток широкого распространения препятствует короткий срок эксплуатации, что связано с высыханием электролита.

Конструкция ячейки воздушно-цинкового элемента включает катод и анод, разделенные щелочным электролитом и механическими сепараторами. В качестве катода используется газо-диффузный электрод, водопроницаемая мембрана которого позволяет получать кислород из циркулирующего через нее атмосферного воздуха. «Топливом» является цинковый анод, окисляющийся в процессе работы элемента, а окислителем — кислород, получаемый из поступающего через «дыхательные отверстия» атмосферного воздуха.

1.3. Свинцовые элементы:

Свинцовый аккумулятор состоит из двух блоков свинцовых пластин, опущенных в сосуд с водным раствором серной кислоты. Положительные пластины, спаянные между собой при помощи свинцовой полосы, располагаются между отрицательными пластинами, также спаянными между собой. Каждая пластина состоит из свинцового каркаса, в который впрессована активная масса. Пластины после изготовления подвергаются специальной электролитической обработке — формированию. У готового заряженного аккумулятора активная масса положительной пластины — анода состоит из перекиси свинца (PbO2), а отрицательной — катода из губчатого свинца (Pb). Электролитом служит 25—34-процентный раствор серном кислоты (HSO₄). Электродвижущая сила заряженного аккумулятора составляет около 2,2 В.

Его недостатками являются чувствительность к температуре окружающей среды (при пониженной температуре резко уменьшается ёмкость) и существенное газо-выделение из-за саморазряда. Достоинствами являются высокое рабочее напряжение, стабильность разрядной характеристики, способность работать при форсированных режимах разряда, низкая стоимость

Литиевые элементы:

В них применяются литиевые аноды, органический электролит и катоды из различных материалов. В литиевых элементах на основе апротонных растворителей восстановителем служит тонкий лист Li, напрессованный на пластину или сетку из Ni или Сu. Окислители – твердые: Разработаны элементы с растворителями, выполняющими одновременно роль окислителя, - жидким SOC12 или сжиженным SO2. Toкообразующие реакции приводят к непосредственному восстановлению молекул растворителя под действием Li

Литий-ионный аккумулятор — тип электрического аккумулятора, который широко распространён в современной бытовой электронной технике и находит своё применение в качестве источника энергии

Литиевые батареи являются первичными батареями, которые имеют металлический литий в качестве анода. Эти типы батарей также называются литий-металлическими батареями. Они отличаются от других батарей высокой плотностью заряда и высокой стоимостью за единицу.

Щелочные (алкалиновые) батарейки:

Щелочной элемент питания, щелочная батарейка — марганцево-цинковый гальванический элемент питания с щелочным электролитом. Изобретён Льюисом Урри. Кроме электролита, основное отличие щелочной батарейки от солевой — анод (отрицательный электрод) в виде порошка, что увеличивает ток, отдаваемый этим элементом питания.

По конструкции щелочной элемент похож на солевой, но основные части в нём расположены в обратном порядке. 

Преимущества в большей ёмкости (чем у солевой), меньший саморазряд, длительный срок хранения, лучшая работа при низких температурах, Лучшая работа при больших токах нагрузки, Меньше  падение напряжения по мере разряда.
Недостаток: более высокая цена, большая масса.

Вывод по итогам 1 главы:

Изучив принципы действия гальванических элементов и их разновидности, можно прийти к соответствующему выводу, что все они являются автономными источниками электрического тока. Во всех элементах задействован один принцип действия, различия заключаются в материале составляющих элемента, что отражается на времени использования батареи и некоторых технических характеристиках. Исходя из полученных знаний можно перейти к практической части проекта.

Глава 2.

Практическая часть:

2.1 План сборки гальванических элементов:

1. Аналог элемента Даниэля-Якоби:

1. Медный электрод

2. цинковый электрод

3. электролитический ключ

4. стакан с 1М раствором хлорида натрия

5. стакан с 1М раствором сульфата меди

6. Вольтметр

2. Сборка гальванического элемента, состоящего из медных монет:

1. Медные монеты

2. Бумажные салфетки

3. Пищевая фольга

4. Раствор NaCl

5. Вольтметр или светодиодная лампа

3. Гальванический элемент с использованием картофеля:

1. Железный гвоздь

2. Медная проволока

3. Сырой картофель

4. Вольтметр

4. Гальванический элемент с использованием лимона

1. Лимон
2. Цинковая пластина
3. Медная проволока
4. Вольтметр

Проведение опытов и получение

результатов экспериментов:

1. В ёмкость с медным электродом заливаем раствор медного CuSO_4, а в другую с цинковым электродом – раствор хлорида натрия. Чтобы растворы не перемешивались, между ними устанавливаем электролитический ключ, изготовленный из подручных материалов.

Подсоединяем к электродам вольтметр и измеряем напряжение в образовавшейся электрической цепи. Положительные показания вольтметра указывают на наличия электрического тока, что подтверждает заявленную ранее гипотезу. При необходимости вместо вольтметра можно использовать светодиод, который так же укажет на наличие тока.

2. Сложить методом сэндвича медные монеты, фольгу и смоченные в соляном растворе бумажные салфетки, чередуя их последовательность. Подсоединить к полученной конструкции вольтметр или светодиодную лампу. Зафиксировать наличие электрического тока в цепи.

3. В сырой картофель воткнуть железный гвоздь и медную проволоку. К концам импровизированных электродов подсоединить вольтметр и зафиксировать наличие электрического тока.

4. Сравнить результаты показания вольтметра в опытах 1, 2 и 3

Выводы по итогам 2 главы:

Можно изготавливать гальванические элементы из доступных для жизни веществ и приборов. Для электродов могут использоваться проволока, пластины и др. из разного металла.
Электролиты находятся в фруктовых и овощных соках, можно применять соляную смесь.
Эффективность этих элементов гальванического происхождения зависит от множества факторов, таких как концентрация водорода в электролитном растворе, скорость диффузии и состояние поверхности электрода и т.д. Можно повысить полученное напряжение, собирая батарею с несколькими гальваническими элементами.
Нестандартные элементы гальванического типа дают достаточную энергию для включения светодиодной лампы или зарядки аккумулятора мобильника.

В результате проведенных опытов было зафиксировано с помощью вольтметра наличие электрического тока в цепи. В зависимости от разновидности самодельного гальванического элемента показатели прибора были различными.

При использовании картофеля и лимона милливольтметр зафиксировал минимальные значения напряжения 479-498 мВ. Что свидетельствует о том, что подобные самодельные гальванически элементы можно использовать при зарядке электрических приборов малой мощности, желательно при этом создать цепь из нескольких подобных элементов.

Аналог гальванического элемента Даниэля-Якоби показал наличие напряжение в районе 794 мВ

Максимальное значение наличия напряжения было зафиксировано при использовании портативного гальванического элемента, состоящего из медных монет:1,588 В

Данными опытами я подтвердила, что в экстремальных случаях можно из подручных средств создать функционирующую батарею гальванических элементов, способную генерировать электрический ток для использования в быту на приборах малой мощности.

Заключение:

В результате проведенных экспериментов была достигнута цель и подтверждена гипотеза о возможности создания портативных гальванических элементов из доступных в быту веществ. Гальванический элемент был создан в 1000000 году до наш
С помощью вольтметра было зафиксировано наличие электрического тока в цепи, то есть экспериментально было доказано превращение химической энергии в электрическую, на чем и основано действие всех существующих гальванических батарей и аккумуляторов.

В продемонстрированных опытах было наглядно показано, что для создания подобный гальванических элементов можно использовать электроды из проволоки, гвоздей, пластин, изготовленных из различных материалов, а также электроны в виде солевых растворов и овощных соков. Напряжение, возникающее в цепи, зависит от металлов используемого электрода, состава электролита, а также количества последовательно соединенных между собой элементов.

Знания, полученные в результате данных экспериментов, могут пригодиться в экстремальных условиях, когда нет доступа к источнику тока.

Гальванический элемент с использованием картофеля можно назвать биобатарейкой. Это экотехнология, за которым будущее.

Этими опытами так же подтверждается закон сохранения и превращения энергии, какие формы она принимает и как переходит из одной формы в другую. Отчетливо видно тесную взаимосвязь между физикой, химией, биологией, что в очередной раз доказывает, как гармонично всё в окружающем нас мире, как много мы о нем знаем и сколько ещё предстоит узнать.

Список литературы:

1) Г.А. Бородовский, Э.В. Бурсиан “Общая физика. Курс лекций”

2) Э. Парселл – Берклеевский Курс Физики (Том 2) “Электричество и Магнетизм”

3) А.В.Шилейко, Т.И. Шилейко “В океане энергии” (1989 г.)

4) Б.Б. Буховцев, Ю.Л. Климонтович, Г.Я. Мякишев “Физика” (1982 г.)

5) https://vk.com/away.php?to=https%3A%2F%2Felectric-220.ru%2Fnews%2Fprincip_raboty_galvanicheskogo_ehlementa%2F2013-12-18-473&cc_key=

6) https://vk.com/away.php?to=https%3A%2F%2Fextxe.com%2F22254%2Fbatarejki-i-akkumuljatory-himicheskie-istochniki-toka%2F%231&cc_key=

7)https://vk.com/away.php?to=https%3A%2F%2Fdigteh.ru%2FSxemoteh%2Fpitanie%2Fgalvan%2F&cc_key=

8)https://vk.com/away.php?to=https%3A%2F%2Fru.wikipedia.org%2Fwiki%2F%25D0%2592%25D0%25BE%25D0%25B7%25D0%25B4%25D1%2583%25D1%2588%25D0%25BD%25D0%25BE-%25D1%2586%25D0%25B8%25D0%25BD%25D0%25BA%25D0%25BE%25D0%25B2%25D1%258B%25D0%25B9_%25D1%258D%25D0%25BB%25D0%25B5%25D0%25BC%25D0%25B5%25D0%25BD%25D1%2582&el=snippet

9)https://vk.com/away.php?to=https%3A%2F%2Fcompress.ru%2Farticle.aspx%3Fid%3D10266&el=snippet

10) https://vk.com/away.php?to=http%3A%2F%2Felectry.ru%2Fosnovi-elektrotehniki%2Fistochniki-pitaniya.html%23i-2&el=snippet

11)https://vk.com/away.php?to=https%3A%2F%2Fru.wikipedia.org%2Fwiki%2F%25D0%259B%25D0%25B8%25D1%2582%25D0%25B8%25D0%25B9-%25D0%25B8%25D0%25BE%25D0%25BD%25D0%25BD%25D1%258B%25D0%25B9_%25D0%25B0%25D0%25BA%25D0%25BA%25D1%2583%25D0%25BC%25D1%2583%25D0%25BB%25D1%258F%25D1%2582%25D0%25BE%25D1%2580&cc_key=

12)https://vk.com/away.php?to=https%3A%2F%2Ftranslated.turbopages.org%2Fproxy_u%2Fen-ru.ru.41db4593-628e425e-2c2306b9-74722d776562%2Fhttps%2Fen.wikipedia.org%2Fwiki%2FLithium_battery&cc_key=

13) https://batareykaa.ru/shhelochnye-batarejki-kotorye-alkalinovye/

14)https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A9%D0%B5%D0%BB%D0%BE%D1%87%D0%BD%D0%BE%D0%B9_%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D1%82