МУНИЦИПАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

«КОНТОШИНСКАЯ СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА»

ШКОЛЬНАЯ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ

«ЮНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬ»

«Конструирование гальванических элементов и исследование их работы»

Выполнил: Жуков Олег,

ученик 8 класса

Руководитель: ,

учитель физики и математики,

первой квалификационной категории

Контошино 2014 год

Оглавление

Введение ………………………………………………………………..…………3

Глава 1……………………………………..……………………………………....5

1.1. Краткая история освоения электричества………………………………....5

1.2. История создания гальванических элементов……………………………..6

Глава 2………………………………………………………….………………..10

2.1. Зависимость ЭДС гальванического элемента от

рода электролита……………………………………………………………10

2.2. Зависимость ЭДС гальванического элемента

от видов электродов………………………………………………………..11

2.3. Практическая работа «Изготовление батареи

гальванических элементов и измерение ЭДС»………………………….12

Заключение……………………………………………………………………….14

Список литературы………………………………………………………………15

Приложение………………………………………………………………………16

Введение

Современное человеческое общество потребляет громадное количество энергии, причём это потребление быстро растёт с течением времени. Это тепловая энергия сгорания каменного угля, нефти, газа, электрическая энергия тепловых, водяных, атомных электростанций. Широкое применение современных видов транспорта требует большого количества нефти, газа, а тепловые электростанции каменного угля. Кроме того все эти природные ресурсы широко используются как сырьё в химической промышленности. Однако их запасы на Земле неумолимо истощаются, и настанет момент, когда они закончатся. Поэтому уже сейчас надо думать о том, чем заменить эти энергоресурсы в будущем. Особенно остро стоит вопрос о таких видах транспорта как автомобили, суда, самолёты, ракеты, космические корабли.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Актуальным становится вопрос замены тепловых двигателей на электрические, они компактнее, у них намного выше коэффициент полезного действия, они экологически чистые, кроме того производство электроэнергии можно неограниченно увеличивать. Однако для всех этих видов транспорта необходимо создать источники тока, которые были бы компактны и имели необходимый запас энергии, т. е. энергоёмкие. Одним из видов таких источников тока могут быть гальванические элементы, аккумуляторы.

Я ещё окончательно не определился, какую выберу себе профессию, но то, что я буду строить, или создавать, что - то новое - однозначно. Может случиться так, что мне придётся участвовать в создании источников тока, которые питали бы двигатели автомобилей, судов, летательных аппаратов, а для этого нужно много знать и обладать навыками исследователя. Начинать приобретать такие навыки можно уже в школе, выполняя ту или иную исследовательскую работу.

Проанализировав имеющуюся литературу, я пришел к выводу, что наиболее подходящим для практического использования и простым в изготовлении является элемент Вольта. Поэтому в данной работе я ставлю цель сконструировать гальванический элемент и исследовать зависимость ЭДС гальванического элемента от рода электролита и вида электродов.

Объектом исследования послужат гальванические элементы, а предметом исследования станет зависимость параметров гальванических элементов от рода электролитов и электродов.

Для реализации поставленной цели я планирую выполнить следующие задачи:

изучить историю создания гальванических элементов; проанализировать зависимость параметров самодельных гальванических элементов от рода жидкости и видов электродов, проведя практические исследования; формировать практические умения и навыки закладки и проведения экспериментов, опытов и наблюдений.

Гипотеза: Можно ли самому изготовить гальванический элемент и его исследовать?

Методы исследования:

1. Конструирование гальванических элементов Вольта с различными электролитами;

2. Опыты по измерению параметров изготовленных гальванических элементов;

3. Анализ зависимости параметров самодельных гальванических элементов от рода электролита и вида электродов.

Новизна работы, практическая значимость:

Использование результатов исследования и полученных знаний для последующих работ и профессиональной деятельности в будущем.

Глава I
1.1. Краткая история освоения электричества

электротехники

электроинструментов

1.2. История создания гальванических элементов

Луиджи Гальвани - профессор. Его исследования по физиологии нервов и мышц позволили обнаружить влияние электричества на лягушачьи лапки.

Самым первым гальваническим элементом был Вольтов столб. Первые гальванические элементы вырабатывали ток только несколько минут. Кратковременная работа источников тока создавала серьезные препятствия для использования в промышленности.(2)

А известный русский ученый Петров в 1802 г. изготовил огромную батарею. Она состояла из 4200 медных и цинковых кружков, между каждой парой которых прокладывали картонные кружочки, пропитанные раствором нашатыря. Это был первый в истории источник постоянного тока сравнительно высокого напряжения.

В начале 30-х годов 19 века англичане Кемп и Уильям Стёрджен обнаружили, что цинковый электрод покрытый амальгамой цинка (соединение цинка с ртутью), работает как и обычный цинк но не реагирует с кислотой когда электроцепь разомкнута. Это было большим достижением.

Английский ученый и изобретатель Джон Даниель опубликовал в 1836 г. сообщение о том, что им создан стабильный медно-цинковый элемент.

Англичанин Уильям Грове заменил азотной кислотой медный купорос.

В то же самое время талантливый физик и электротехник Борис Семенович Якоби изобрел гальванический элемент новой конструкции: два электролита: у медного электрода - раствора сульфатамеди, у цинкового - сульфата цинка. Это стало основным принципом при конструировании гальванических элементов для практики.

Из множества изобретателей, самого большого успеха достиг французский химик Жорж Лекланше. Он заполнил глиняную емкость смесью из перекиси марганца и кусочков угля из газовых реторт и вставил туда угольную призму прямоугольной формы, которая служила положительным электродом. Сверху емкость заливалась варом либо смолой и помещалась в стеклянную банку, наполненную раствором нашатыря (хлористого аммония), с электродом из цинка. При работе элемента, цинк переходил в раствор образуя хлорид цинка, а аммоний распадался на растворяющийся аммиак и водород, перекись марганца окисляет водород. Однако, элемент Лекланше постоянно совершенствовался, и в последствии многочисленных улучшений приобрел вид всем знакомых батареек.(1)

Вольтов столб – первый гальванический элемент

Первые гальванические элементы

Гальванические элементы Грове, Калло и Бунзена

Грене и Флейшера и сухой элемент фирмы "Сименс и Гальске"

Гальванический элемент - химический источник электрического тока, названный в честь ЛуиджиГальвани.

Принцип действия гальванического элемента основан на взаимодействии двух металлов через электролит, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока. ЭДС гальванического элемента зависит от материала электродов и состава электролита. Это первичные ХИТ, которые из-за необратимости протекающих в них реакций, невозможно перезарядить.

Химические источники тока составляют два электрода (катод, содержащий окислитель и анод, содержащий восстановитель), контактирующих с электролитом.(5)

В современных химических источниках тока используются:

- в качестве восстановителя (на аноде) — свинец Pb, кадмий Cd, цинк Zn и другие металлы;

- качестве окислителя (на катоде) — оксид свинца(IV) PbO2, гидроксид никеля NiOOH, оксид марганца(IV) MnO2 и другие;

- в качестве электролита — растворы щелочей, кислот или солей.(8)

Гальванический элемент - в цинковый сосуд вставлен угольный стержень. Стержень помещен в полотняный мешочек, наполненный смесью оксида марганца с углем. В элементе используют клейстер из муки на растворе нашатыря. При взаимодействии нашатыря с цинком, цинк приобретает отрицательный заряд, а угольный стержень - положительный заряд. Между заряженным стержнем и цинковым сосудом возникает электрическое поле. В таком источнике тока уголь является положительным электродом, а цинковый сосуд - отрицательным электродом.
Из нескольких гальванических элементов можно составить батарею.

Источники тока на основе гальванических элементов применяются в бытовых автономных электроприборах, источниках бесперебойного питания.(9)

Глава II

2.1. Зависимость ЭДС гальванического элемента от рода электролита

Опыт №1

Оборудование: стеклянная банка 0,5л; полиэтиленовая крышка от банки, в которую вставлены две пластины: цинковая и медная; вольтметр со шкалой до 5В; водный раствор поваренной соли (NaCl), консетрацией 36%.

Выполнение опыта: изготовили гальванический элемент: в банку налили раствор поваренной соли, накрыли крышкой с электродами так, что электроды своей нижней частью на 70% были погружены в раствор, к верхней части электродов припаяли проводки с клеммами. При помощи вольтметра измерили ЭДС полученного источника тока.

(Фото №1, см. приложение № 1)

Опыт №2

В опыте №1 заменили раствор NaCl 36%-ым раствором нашатыря (NH4Cl).

Опыт №3 провели с раствором уксусной кислоты (С4H8О2).

Опыт №4 провели с раствором пищевой соды(NaHCO3). (Фото №2, см. приложение 1)

Результаты, полученные в опытах №1-4 занесли в таблицу 1(см. приложение 1)

Вывод: во всех четырёх проведённых опытах мы изготовили различные гальванические элементы. Из четырёх видов электролитов наибольшую ЭДС получили в элементе с пищевой содой 0,98В, наименьшей 0,73В с раствором поваренной соли.

2.2. Зависимость ЭДС гальванического элемента от видов электродов

Опыт №1 (Фото №3, №4)

Оборудование: широкая стеклянная пробирка; пробка с вставленными двумя электродами: медным и цинковым; раствор поваренной соли(NaCl); мультиметр.

Изготовили гальванический элемент: в пробирку налили раствор поваренной соли и закрыли пробкой с электродами, через 15 минут измерили при помощи мультиметра ЭДС полученного элемента. Результат занесли в таблицу 2(см. приложение 2)

Опыт №2

Оборудование: широкая стеклянная пробирка; пробка с вставленными двумя электродами: угольным и цинковым; раствор поваренной соли(NaCl); мультиметр.

Вывод: применяя различные электроды в изготовлении гальванический элементов установили, что наибольшую ЭДС получили в гальваническом элементе с угольно-цинковыми электродами.

Опыт №3

Оборудование: широкая пробирка; крышки с медно-цинковыми, и с угольно-цинковыми электродами; растворы электролитов: поваренной соли, пищевой соды, уксусной кислоты, нашатыря; мультиметр.

Меняя растворы электролитов и виды электродов создали различные гальванические элементы и произвели замеры полученных ЭДС. Результаты занесли в таблицу 3.(см. приложение 2)?

Вывод: применяя различные виды электродов и различного рода электролиты, различные концентрации электролитов, различные объёмы электролитов, изготовили ряд гальванических элементов. Установили следующие факты:

ЭДС гальванического элемента зависит от вида электродов, наибольшее ЭДС получена у элементов с угольно-цинковыми электродами. ЭДС гальванического элемента зависит от рода электролита, наилучшие элементы получены с растворами уксусной кислоты и пищевой соды: 1,64В в обеих случаях. ЭДС гальванического элемента не зависит от объёма электролита. При большей концентрации электролита получили большую ЭДС.

2.3. Практическая работа «Изготовление батареи гальванических элементов и измерение ЭДС»

Изготовили два одинаковых гальванических элемента: стеклянные банки, крышки с угольно-цинковыми электродами, вольтметр, 25%-ый раствор поваренной соли.

Соединили изготовленные элементы последовательно, соединяя положительный полюс одного элемента с отрицательным полюсом другого, измерили вольтметром ЭДС батареи. Получили 2,44В, т. е. в 2 раза больше чем ЭДС одного элемента. (Фото №5) Соединили изготовленные элементы параллельно: положительный полюс одного элемента с положительным полюсом другого, а отрицательный полюс первого с отрицательным полюсом второго, измерили ЭДС. Получили 1,22В, т. е. такую же, как у одного элемента. Соединили изготовленные элементы последовательно: положительный полюс одного элемента соединили с положительным полюсом другого, к отрицательным полюсам подключили вольтметр. ЭДС=0

Вывод: находясь в непредвиденных ситуациях (в походе, на даче) при отсутствии или выхода из строя источников питания плеера, магнитофона, радиоприёмника и даже сотового телефона можно самим из подручных материалов изготовить источники тока и воспользоваться ими.

Заключение

В заключение хотелось бы сказать, что производство и разработка новых видов гальванических элементов остаётся актуальным, так как гальванические элементы без проблем вошли в нашу жизнь и активно используются в повседневной жизни. Даже сложно представить нашу жизнь без различных батареек и аккумуляторов.

Разработка новых видов гальванических элементов, влечёт, как мне кажется, активное использование их в будущем, так как это наиболее простые в использовании и долговечные элементы, обладающие рядом преимуществ, такие как относительно легки и автономны, мало чувствительны к вибрации и колебаниям температуры, работают бесшумно, хорошо регулируются.

Выполнив данную исследовательскую работу, я научился конструировать простые гальванические элементы. Выполнив все запланированные задачи, я добился поставленной цели. Я стал создателем источника тока(пусть небольшого). Моя гипотеза о том, что можно ли самому создать гальванический элемент подтвердилась! И теперь, находясь в непредвиденных ситуациях (в походе, на даче) при отсутствии или выхода из строя источников питания плеера, магнитофона, радиоприёмника и даже сотового телефона можно самим из подручных материалов изготовить источники тока и воспользоваться ими.

Список литературы

, Скундин источники тока. М.: Энергоиздат, 1991. 360 с. Кромптон. Т. Первичные источники тока. Москва. «Мир». 1996.г. Перышкин , 8 класс. Дрофа, 2012г. «Физика – 8» издательство «СТП школа» 2006г. Химия, 9 класс, 2011г. «Энциклопедия наука» издательство «Росмэн» 2005г. «Энциклопедия физика» издательство «Аванта» 2005г.

Электронные ресурсы:

http://www. /Гальванические элементы http://nsportal. ru/ap/ap/nauchno-tekhnicheskoe-tvorchestvo/istoriya-sozdaniya-pervykh-galvanicheskikh-elementov http://www. myshared. ru/slide/202885/ http://fazaa. ru/istoriya-elektrichestva/

Приложение 1

Опыты с растворами поваренной соли, нашатыря, уксусной кислоты и пищевой соды

Фото №1. Изготовили гальванический элемент: в банку налили раствор поваренной соли, накрыли крышкой с электродами так, что электроды своей нижней частью на 70% были погружены в раствор, к верхней части электродов припаяли проводки с клеммами. При помощи вольтметра измерили ЭДС полученного источника тока.

Фото №2. Опыт №4 провели с раствором пищевой соды(NaHCO3).

Таблица №1 «Зависимость ЭДС гальванического элемента от рода электролита»

Номер опыта	Вид электролита	Вид электрода	Концентрация электролита	Полученная ЭДС
1	NaCl (поваренная соль)	медь - цинк	36%	0,73В
2	NH4Cl (нашатырь)	медь - цинк	36%	0,84В
3	NaHCO3 (пищевая сода)	медь - цинк	36%	0,98В
4	C4H8O2 (уксусная кислота)	медь - цинк	36%	0,93В

В таблице приведены значения ЭДС для четырёх видов электролитов. Наибольшую ЭДС получили в элементе с пищевой содой 0,98В, наименьшей 0,73В с раствором поваренной соли.

Приложение 2

Опыты по определению зависимости ЭДС гальванического элемента от видов электродов

Фото №3. Оборудование: широкая стеклянная пробирка; пробка с вставленными двумя электродами: медным и цинковым; раствор поваренной соли(NaCl); мультиметр.

Таблица №2 «Зависимость ЭДС гальванического элемента от видов электродов»

Номер

опыта

Вид

электролита

Вид

электрода

Концентрация

электролита

Полученная

ЭДС

NaCl

(поваренная соль)

медь - цинк

25%

0,65В

NaCl

(поваренная соль)

цинк - уголь

25%

1,22В

В таблице 2 приведена зависимость ЭДС гальванического элемента от видов электродов. Наибольшую ЭДС получили в гальваническом элементе с угольно-цинковыми электродами.

Таблица №3 «Результаты ЭДС для различных видов электродов и различного рода электролитов»

Номер опыта	Вид электролита	Вид электрода	Концентрация электролита	Полученная ЭДС
1	NaCl (поваренная соль)	медь - цинк	25%	0,65В
2	NaCl (поваренная соль)	цинк - уголь	25%	1,22В
3	NaCl (поваренная соль)	медь - цинк	36%	0,73В
4	NaCl (поваренная соль)	цинк - уголь	36%	1,25В
5	NH4Cl (нашатырь)	медь - цинк	36%	0,84В
6	NH4Cl (нашатырь)	цинк - уголь	36%	1,36В
7	NaHCO3 (пищевая сода)	медь - цинк	36%	0,98В
8	NaHCO3 (пищевая сода)	цинк - уголь	36%	1,64В
9	C4H8O2 (уксусная кислота)	медь - цинк	36%	0,93В
10	C4H8O2 (уксусная кислота)	цинк - уголь	36%	1,64В

В таблице приведены различные виды электродов и различного рода электролиты. Установили следующие факты:

Приложение 3

Практическая работа «Изготовление батареи гальванических элементов и измерение ЭДС»

Фото №5. Изготовили два одинаковых гальванических элемента: стеклянные банки, крышки с угольно-цинковыми электродами, вольтметр, 25%-ый раствор поваренной соли.

«Конструирование гальванических элементов и исследование их работы»

МУНИЦИПАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

«КОНТОШИНСКАЯ СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА»

ШКОЛЬНАЯ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ

«ЮНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬ»

Выполнил: Жуков Олег,

ученик 8 класса

Домашний очаг

Справочная информация

Техника

Общество

Образование и наука

Мир

Бизнес и финансы