Научно-исследовательская работа по теме «Электрон и химические процессы, или изучение гальванических элементов»

Отдел образования Лежневского района

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

Лежневская средняя общеобразовательная школа № 10

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА

По теме «Электрон и химические процессы, или изучение гальванических элементов»

Вагина Константина Викторовича

ученика 11 класса

Руководитель: ,

учитель физики МБОУЛежневской СОШ № 10

Лежнево, 2013 г.

Содержание:

Введение…………………………………………………………………..……3 Изучение теоритического материала по теме «гальванические элементы»…………..………..………………………………………..…..….4 История электронов и электрохимических процессов…..............................................................................4 Принцип работы и гальванических элементов…………………………….…….……….…….……..........…….5 Применение гальванических элементов……………………..…7 Достоинства и недостатки гальванических элементов..…...7 Экспериментальная работа по сборке гальванического элемента…………………………….……..………………………..………..9 Экспериментальная работа по получению экологически чистого источника тока………….………………….…………..……….9 Выводы. Заключение………………………………….…………..………....10 Список литературы………………………………………………...…….….12 Приложение…………………………………………………………....…….…13

1.Введение.

Каждый из нас сталкивался с проблемой выбора профессии. С этим столкнулся и я. И однажды при просмотре кафедр я увидел на одно интересное название «кафедра электрохимических производств и электрохимических процессов». Меня это заинтересовало и в последующем ознакомлении мне встретились такие понятия, как гальвано элемент, гальваническая батарея, электрохимия и тому подобными. Меня это крайне заинтересовало, и я решил поближе познакомиться с этой темой. Это и побудило меня к написанию данной работы.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

В своей работе я постараюсь найти ответы на следующие вопросы:

Что такое гальванический элемент? Как создавали гальванический элемент, и кто был первооткрывателем? Насколько этот элемент полезен и безопасен в быту? Как его можно утилизовать или восстановить? Можно ли на практике собрать гальванический элемент?

Цель работы: целью данной исследовательской работы является изучение гальванических элементов, как химических источников тока, их изобретение и использование.

Задачи:

1. Рассмотреть физическое понятие гальвано элемента;

2. Проанализировать работы ученых о природе электричества.

3. Какую природу имеет данное явление;

4. С помощью эксперимента наглядно показать принцип действия работы батареи;

План:

1. История открытия электронов и химических процессов;

2. Принцип работы и области применения гальванического элемента;

3.Сборка гальванической батареи;

4. Выводы.

Методы работы:

Анализ и структурирование тем изученных на уроках физики. Анализ литературы. Исследовательская работа Анализ полученных результатов

2.Изучение теоритического материала по теме «гальванические элементы»

2.1История электронов и электрохимических процессов

Я считаю, что изучение данной темы не возможно, без истории создания и первых открытий, связанных с этой областью, ведь без прошлого, нет будущего.

Самое первое, с чего стоит начать - это определение самого электрона. Название взялось из древней Греции, при трении кусочка янтаря о шелковую ткань он приобретает удивительное свойство — может притягивать к себе легкие предметы. Греки называли янтарь электроном. Сейчас же электроном принято называтьотрицательно заряженную элементарную частицу, из которой состоят практически все вещества.

Один из тех, кто проявил интерес к электрону, был Бенджамин Франклин, который создал первую теорию о сущности электричества. В соответствии с философскими представлениями своего времени о явлениях природы, он ищет материальный носитель электричества, который походил бы на известные ему вещества. Он говорит об особом «электрическом флюиде», или об «электрической жидкости», которая содержится в телах и может переходить из одного тела в другое. Количество этого флюида определяет знак электричества. По мнению Франклина, «электрическая материя» состоит из частиц, которые так малы, что могут легко и свободно проникать в обыкновенную, даже самую плотную материю, не встречая при этом никакого сопротивления.

Второй учёный, которого стоит отметить – это Майкл Фарадей. В 1833 г. англичанин Майкл Фарадей открывает законы электролиза. Он устанавливает, что электрический заряд, который должен пройти через электролит, чтобы выделить один моль вещества, не произволен. Так, например, для выделения 1 г водорода, 23 Г натрия, 35,45 г хлора или 107,87 г серебра (т. е. по одному молю каждого из этих веществ) необходимо через электролит пропустить электрический заряд, равный 96 500 кулонов (Кл). Для выделения одного моля магния (24,31 г), кальция (40,08 г) или цинка (65,38 г) пропущенный электрический заряд увеличивается в два раза, он равен 193 000 кулонов (Кл).

Окончательное подтверждение идеи атомарной природы электричества принадлежит немецкому физику Герману Гельмгольцу. В лекции, посвященной памяти Фарадея, Гельмгольц сказал: «Самым поразительным следствием закона Фарадея может быть следующее: если принять гипотезу о том, что обыкновенные вещества состоят из атомов, нельзя не прийти к выводу, что электричество, как положительное, так и отрицательное, также состоит из определенных элементарных, порций, которые соотносятся между собой как атомы электричества». А так же в 1913 г. великий датский физик Нильс Бор открыл закон квантования энергии. Суть закона, сформулированного Бором, заключается в следующем: оказывается, что изменение энергии атома не может происходить непрерывно, а только скачком. Всегда и всюду энергия взаимодействующих атомов меняется определенными порциями, квантами * (иначе еще говорят, значения энергии в атоме дискретны). Для каждого атома кванты энергии имеют свою, отличную от других последовательность значений или уровней. В атоме есть и наименьший уровень энергии, так называемый нулевой. Энергия атома не может быть меньше этого значения. Такому состоянию в атоме соответствует наименьшее расстояние, на котором электрон может находиться от ядра.

Опыт этих исследователей, безусловно, важен для понимания природы строения атомов и электрического тока.

Ну а для понимания самих гальванических устройств, стоит вспомнить имена таких ученых, как ЛуиджиГальвани и Александро Вольта.

ЛуиджиГальвани первый, кто обнаружил, что металлы могут создавать электрический ток. Он брал лягушачью лапку и насаживал ее на медный крючок. За тем присоединял его к железной ограде, и даже при незначительном соприкосновении медного крючка с железным прутом, нога начала дергаться, так было получено электричество из гальванического элемента. Ученый так же заключил, что разряд зависит от рода соприкасающихся металлов и предположил, что в нервах лягушки есть свое электрическое поле. Гальвани оставался в шаге от открытия, но не смог его сделать. Однако его идею продолжил Вольто в своих исследованиях.

АлександроВольто считал, что биоэлектричества не было в нервах(однако это не так), он предполагал, что оно появлялось при соединении разноименных металлов, а лягушачья лапка служила электрометром. Но поскольку в это обычные люди не верили, нужно было что-то, что могло вызвать очень мощный электрический разряд, для появления искр. Так появился вольтов столб. Тем самым, Вольто доказал, что ток появляется не только при трении или грозовом разряде, а так же в соединении разноименных металлов, тем самым положил развитие электрохимических элементов.( Материал взят из книги Д. Лазарова «электрон и химические процессы»)

И так мы узнали, что гальваноэлементы, это достаточно несложные, но в тоже время гениальные изобретения. А что говорит нам об этом современная наука?

2.2Принцип работы гальванических элементов.

Гальванический элемент – прибор, который преобразовывает химическую энергию в электрическую. Одним из таких элементов является элемент Даниэля – Якоби. Этот элемент состоит из двух электродов: цинкового и медного, – погруженных в соответствующие сульфатные растворы, между которыми пористая перегородка:

Электродвижущая сила определена родом метала, который опущен в стакан с раствором. ЭДС элемента вычисляется вычитанием из потенциала катода потенциала анода.

В данном случае ЭДС элемента равна +0,34 – (–0,76) = 1,1 В; чем больше электродные потенциалы отличаются друг от друга, тем больше ЭДС. Если погрузить металл в раствор соли большей концентрации, то потенциал нестандартный. Значит, на величину электродного потенциала влияет концентрация и температура. Такая зависимость выражается уравнением В. Нернста.

Надо обратить внимание, что в уравнении Нернста для реакции под знаком логарифма в числителе стоят концентрации исходных веществ, а в знаменателе – продукты реакции в степенях стехиометрических коэффициентов.

Из этого следует, что сопоставляя электродные потенциалы соответствующих систем, можно заранее определить направление, в котором будет протекать окислительно-восстановительная реакция при любых (нестандартных) условиях. Окисленная форма вещества с более высоким потенциалом является окислителем для восстановленных форм с более низким потенциалом.

(Взято из ниги «Беседы по физике»)

Это крайне полезная информация.

2.3 Применении гальванических элементов, как источников питания.

Батарейки, гальванические элементы используются в системе сигнализации, фонарях, часах, калькуляторах, аудиосистемах, игрушках, радио, авто оборудовании, пультах дистанционного управления. Аккумуляторы используются для запуска двигателей машин, возможно так же и применение в качестве временных источников электроэнергии в местах, удаленных от населенных пунктов. Так же топливные элементы применяются в производстве электрической энергии (на электрических станциях), аварийных источниках энергии, автономном электроснабжении, транспорте, бортовом питании, мобильных устройствах.
Примерно так выглядит процесс, происходящий в аккумуляторе,

Анод:

Катод:

(http://www. xumuk. ru/)

2.4 Достоинства и недостатки гальванических элементов

Как и у всех источников тока, так и у гальванического элемента есть свои недостатки и достоинства.

Достоинства гальванических элементов:

1) Химические источники тока делятся на две основные группы: обратимые (аккумуляторы), необратимые (гальванические элементы). Аккумуляторы можно использовать многократно, так как их работоспособность может быть восстановлена при пропускании тока в обратном направлении от внешнего источника, а в гальванических элементах допускают лишь однократное использование, поскольку один из электродов (Zn в элементе Даниэля – Якоби) необратимо расходуется;

2) применяются электролиты, поглощенные пористыми материалами, они имеют большее внутреннее сопротивление;

3) создание топливных элементов, при работе которых расходовались бы дешевые вещества с малой плотностью (природный газ, водород);

4) удобство в работе, надежность, высокие и стабильные напряжения.

Недостатки химических источников тока:

1) стоимость веществ, необходимых для работы: Pb, Cd, – высока;

2) отношение количества энергии, которую может отдать элемент, к его массе, мало.

Сразу видно, что у химических источников тока много преимуществ и мало недостатков, что делает их почти идеальными источниками тока, но осталось два не решенных вопроса: куда девать использованные батарей и каким образом их можно восстановить?

Срок службы гальванических элементов кончается после полного или частичного использования активных материалов, работоспособность которых после разряда может быть восстановлена путем заряда, то есть пропусканием тока в направлении, обратном направлению тока при разряде: такие гальванические элементы называются аккумуляторами. Отрицательный электрод, который при разряде аккумулятора был анодом, при заряде становится катодом. Условиями лучшего использования активных материалов являются низкие плотности тока, высокие температуры до нормы. Обычно причиной нарушения работы химических источников тока является пассивация электродов – резкое уменьшение скорости электрохимического процесса при разряде, вызванное изменением состояния поверхности электродов при разряде из-за образования оксидных слоев или солевых пленок. Способ борьбы с пассивацией – уменьшение истинных плотностей тока разряда путем применения электродов с развитыми поверхностями. Производство химических источников тока отличается применением разнообразных токсичных веществ (сильных окислителей, соединений Pb, Hg, Zn, Cd, Ni, применяемых в мелкодисперсном состоянии; кислот, щелочей, органических растворителей). Для обеспечения нормальных условий труда предусмотрена автоматизация производственных процессов, рациональные системы вентиляции, включающие применение местных отсосов от аппаратов с токсичными выделениями, герметизация оборудования, замена сухих способов переработки пылящих материалов мокрыми, очистка загрязненного воздуха и газов от аэрозолей, очистка промышленных сточных вод. Массовое использование химических источников тока в народном хозяйстве связано с проблемами экологии. Если свинец из аккумуляторов в основном может быть возвращен потребителями на заводы по его переработке, то утилизация небольших бытовых первичных химических источников тока экономически нецелесообразна.

Каждая батарея Hg – Zn обеспечивает работу слухового аппарата в течение 5 – 7 дней.

Проводится разработка электромобилей с использованием химических источников тока вместо двигателей внутреннего сгорания, которые отравляют атмосферу городов выхлопными газами. По степени отрицательного воздействия на окружающую среду гальваническое производство стоит на первом месте. Причина крайне негативного воздействия гальванического производства заключается в том, что на подавляющем большинстве предприятий в технологических процессах нанесения покрытий полезно расходуется только 10 – 30% солей тяжелых металлов, остальная же часть при неудовлетворительной работе попадает в среду. Выход – максимально сократить потери солей цветных металлов, то есть уменьшить вынос деталями электролитов из гальванических ванн. Это приведет к уменьшению концентраций и объемов сточных вод и создаст тем самым необходимые условия для ведения малоотходной (МОТ) и безотходной (БОТ) технологий нанесения гальванических покрытий. Надо первоначально правильно подобрать электролит. Основополагающий принцип МОТ и БОТ – уменьшать расход химикатов на входе и меньше поставлять ядов на выходе процесса.

Для всего вышесказанного хочется подвести итог, что гальванические элементы являются хорошими, надежными и экологически безопасными(относительно) источниками тока, которые служат человеку уже достаточно долго.(Взято из книги «Физика-юным» и с сайта http://www. xumuk. ru/ )

2.5 Экспериментальная работа.

Опыт №1 Электрический ток – это направленное движение заряженных частиц.

Приборы и материалы: металлический чайник, металлический стакан, гальванометр, соединительные провода и раствор CuSO4.

Ход работы:

1. Подключаем один конец провода к амперметру, второй конец к чайнику, у второго провода один конец к стакану, второй конец так же к амперметру.

2.Переливаем раствор из чайника в стакан, амперметр фиксирует ток.

Вывод: Электрический ток возникает в результате движения заряженных частиц, возникающих в результате гидролиза молекул.(фото.1).

Опыт №2Сборка простейшего гальванического элемента, изобретенного итальянским физиком Александром Вольта - вольтова столба

Приборы и материалы:набор медных и цинковых пластин, листы картоны, рествор поваренной соли, вольтметр, соединительные провода.

Ход работы: Сборка элемента Вольта

Сборка элемента Вольта из медных и цинковых пластин, между которыми были помещены картонные квадраты, предварительно смоченные раствором NaCl (фото 2.1) Этот гальванический элемент был меньше, чем у Вольто, поэтому сила тока и ЭДС (электродвижущая сила) меньше, но прибор показал наличие тока довольно отчетливо(фото2.2)

Вывод:Электроны меди переходят в раствор, которым смочен картон. Затем менее электроотрицательный цинк притягивает их к себе, благодаря чему медь заряжается положительно, а цинк отрицательно, электроны начинают двигаться упорядочено, возникает ток.

Опыт №3 Сборка гальванического элемента из яблока - поиск новых источников энергии, безопасных для природы

Приборы и материалы:Для этого понадобится гальванометр, яблоко, соединительные провода, цинковые и медные электроды.

Ход работы

В яблоко вставляем электроды, подключаем их к сети, затем фиксируем наличие тока (фото. 3).

Выводы:

Это происходит благодаря частичному переходу ионов в само яблоко, под действием кислот, содержащихся в яблоке. После этого электроны меди уходят к цинку под действием разных электроотрицательных способностей металлов, цинк заряжается отрицательно, а медь положительно. Аналогично второму опыту возникает электрический ток. Это подтверждает и то, что сторона, где был цинк более пресная, чем та, что с медью.(опыты взяты из книги «занимательные опыты п физике» и из книги «Мир электричества»)

Получение гальванического элемента возможно с использованием частично экологически чистых продуктов, что способствует экологии.

3.Вывод

В работе было проведено исследование химических источников тока, в ходе которого была изучена история открытия химических элементов, понятие гальванического элемента, плюсы и минусы использования подобных элементов, способы утилизации и регенерации гальвано элементов, опыт, подтверждающий полученные теоретические данные. Из этого было установлено, что это дешёвый и практичный источник или хранитель электричества, что некоторые из таких элементов можно восстановить, что первооткрывателем является АлександроВольто, Все вышесказанное можно объяснить с помощью проделанного в ходе работы опыта по созданию гальванических элементов. Основной движущей силой в таком источнике энергии является электроотрицательные свойства металлов.

Вклад ученых, работавших в этой отрасли науки огромен, но это не значит, что их батареи совершенны. С каждым годом мощность этих приборов увеличиваются в разы, притом, что это не влияет на их размер. А значит, что у данной отрасли науки еще осталось множество путей развития, поэтому я надеюсь, что в будущем и я смогу внести в это дело свои труды.

4.Список литературы

ДобриЛазаров «Электрон и химические процессы»

«Беседы по физике» « Занимательные опыты по физике» «Физика - юным» « Мир электричества» http://www. xumuk. ru/

5.Приложения

Фото 1