stringtranslate.com

Лимонная батарейка

Рисунок, показывающий три лимона и светящийся красный объект (светодиод). У светодиода есть две линии, выходящие из его нижней части, обозначающие электрические выводы. В каждый лимон вставлено два металлических кусочка; металлы окрашены по-разному. Тонкие черные линии обозначают провода, соединяющие металлические детали, воткнутые в каждый лимон, и выводы светодиода.
Схема, показывающая три лимонных элемента, соединенных вместе так, что они подают питание на красный светодиод (LED) вверху. В каждый отдельный лимон вставлены цинковый и медный электроды; на диаграмме цинк окрашен в серый цвет. Тонкие линии, нарисованные между электродами и светодиодом, представляют собой провода.

Лимонная батарейка — это простая батарейка , которую часто делают в образовательных целях. Обычно кусок металлического цинка (например, оцинкованный гвоздь) и кусок меди (например, копейка) вставляются в лимон и соединяются проводами. Энергия, генерируемая реакцией металлов, используется для питания небольшого устройства, такого как светодиод (LED).

Лимонная батарея похожа на первую электрическую батарею, изобретенную в 1800 году Алессандро Вольтой , который использовал рассол (соленую воду) вместо лимонного сока. [1] Лимонная батарейка иллюстрирует тип химической реакции ( окислительно-восстановительной ), которая происходит в батарейках. [2] [3] [4] Цинк и медь называются электродами , а сок внутри лимона — электролитом . Существует множество разновидностей лимонного элемента, в которых в качестве электролитов используются различные фрукты (или жидкости), а в качестве электродов — металлы, кроме цинка и меди.

Использование в школьных проектах

Существуют многочисленные наборы инструкций по изготовлению лимонных батареек и по получению таких компонентов, как светодиоды (светодиоды), электросчетчики ( мультиметры ), а также оцинкованные ( оцинкованные ) гвозди и шурупы. [5] [6] Коммерческие научные наборы «картофельные часы» включают в себя электроды и низковольтные цифровые часы. После того, как один элемент собран, можно использовать мультиметр для измерения напряжения или электрического тока от гальванического элемента; типичное напряжение 0,9 В с лимонами. Токи более переменны, но варьируются примерно до 1 мА (чем больше поверхность электродов, тем больше ток). Для более заметного эффекта лимонные элементы можно соединить последовательно для питания светодиода (см. иллюстрацию) или других устройств. Последовательное соединение увеличивает напряжение, доступное устройствам. Свартлинг и Морган опубликовали список низковольтных устройств вместе с соответствующим количеством лимонных элементов, необходимых для их питания; в их число входили светодиоды, пьезоэлектрические зуммеры и небольшие цифровые часы. При использовании цинково-медных электродов для любого из этих устройств требовалось как минимум две лимонные ячейки. [7] Замена цинкового электрода магниевым электродом дает элемент с большим напряжением (1,5–1,6 В), а один магниевый/медный элемент будет питать некоторые устройства. [7] Обратите внимание, что лампы накаливания в фонариках не используются, поскольку лимонная батарейка не рассчитана на выработку достаточного электрического тока для их освещения. Такая батарея обычно выдает ток силой 0,001 А (1 мА) при разности потенциалов 0,7 В; эти значения умножаются вместе, чтобы определить общую мощность 0,0007 Вт (0,7 мВт).

Вариации

Фотография картофеля. В картофелину втыкается медная проволока, а к ее верхушке при помощи гайки и винта присоединяется изолированный подводящий провод. Оцинкованный крепежный винт также всасывается в забой. Рядом с головкой винта находится гайка; второй провод зажат между головкой и гайкой. На кожуре картофеля рядом с воткнутой в него медной проволокой отмечен символ «+».
Картофельная батарейка с цинковым (слева) и медным электродами. Цинковый электрод представляет собой оцинкованный винт. Медный электрод представляет собой проволоку. Обратите внимание на метки – и +, отмеченные на картофеле, указывающие на то, что медный электрод является положительной клеммой батареи. Короткий винт и гайка соединяют электроды с медными проводами, имеющими черное и красное изолирующее пластиковое покрытие.

В качестве кислого электролита можно использовать многие фрукты и жидкости. Фрукты удобны, потому что они предоставляют как электролит, так и простой способ поддержать электроды. Кислота, содержащаяся в цитрусовых (лимонах, апельсинах, грейпфрутах и ​​т. д.), — это лимонная кислота . Кислотность, на которую указывает измеренный pH , существенно варьируется.

Картофель содержит фосфорную кислоту и хорошо действует; они являются основой коммерческих комплектов «картофельных часов». [8] [9] Картофельные батареи со светодиодным освещением были предложены для использования в бедных странах или населением, не имеющим электросети. Международные исследования, начатые в 2010 году, показали, что варка картофеля в течение восьми минут повышает его электрическую мощность, равно как и размещение ломтиков картофеля между несколькими медными и цинковыми пластинами. По мнению исследователей из Шри-Ланки, также подходит отварная и измельченная сердцевина (стебель) подорожника . [10]

Вместо фруктов можно использовать жидкости в различных емкостях. Хорошо подойдет бытовой уксус ( уксусная кислота ). [11] Квашеная капуста ( молочная кислота ) была показана в одном из эпизодов американской телевизионной программы Head Rush (ответвление программы «Разрушители мифов »). Квашеная капуста была консервирована и стала электролитом, а сама банка — одним из электродов. [12]

Цинковые и медные электроды достаточно безопасны и их легко приобрести. Другие металлы, такие как свинец, железо, магний и т. д., также могут быть изучены; они дают разные напряжения, чем пара цинк/медь. В частности, магниевые/медные электроды могут генерировать напряжение до 1,6 В в элементах типа «лимон». Это напряжение больше, чем можно получить при использовании цинк-медных элементов. Он сравним со стандартными бытовыми батареями (1,5 В), что полезно для питания устройств с одной ячейкой вместо последовательного подключения ячеек. [7]

Результаты обучения

Для самых младших учеников в возрасте 5–9 лет образовательная цель носит утилитарный характер: [13] батареи — это устройства, которые могут питать другие устройства, если они соединены проводящим материалом. Батареи являются компонентами электрических цепей; подключение одного провода между аккумулятором и лампочкой не приведет к включению лампочки.

Детям в возрасте от 10 до 13 лет батарейки используются для иллюстрации связи между химией и электричеством, а также для углубления понимания электрических цепей. Тот факт, что используются различные химические элементы, такие как медь и цинк, можно рассматривать в более широком контексте: элементы не исчезают и не разрушаются в ходе химических реакций.

Для старшеклассников и студентов батарейки служат иллюстрацией принципов окислительно-восстановительных реакций. [13] [14] Студенты могут обнаружить, что два одинаковых электрода не дают напряжения и что разные пары металлов (помимо меди и цинка) дают разное напряжение. Можно проверить напряжения и токи последовательных и параллельных комбинаций батарей. [15]

Ток, выдаваемый батареей через измеритель, будет зависеть от размера электродов, того, как далеко электроды вставлены в плод и насколько близко друг к другу расположены электроды; напряжение достаточно не зависит от этих деталей электродов. [16]

Химия

Чертеж чашки в разрезе. Чашка почти полная, видимо, водой. Две прямоугольные формы обозначают медную и цинковую детали, каждая из которых почти полностью погружена в воду. Вода имеет около десятка символов в разных позициях: Zn2+, H+ и SO42−. Над водой находится круг с символом H2 внутри него. Снаружи воды есть провод, соединяющий цинковую и медную детали; 2 электрона (e-) показаны вдоль провода стрелками, указывающими от цинка к меди.
Поперечное сечение медно-цинкового элемента с сернокислым электролитом. Рисунок иллюстрирует атомную модель химических реакций; Клетки лимона имеют по существу ту же модель. Атомы цинка попадают в электролит в виде ионов, потерявших два электрона (Zn 2+ ). В металлическом цинке остаются два отрицательно заряженных электрона от растворенного атома цинка. Два растворенных протона (H + ) в кислом электролите объединяются друг с другом и двумя электронами, образуя молекулярный водород H2 , который пузырьками вылетает из медного электрода. Электроны, потерянные из меди, восполняются за счет перемещения двух электронов из цинка через внешний провод.

В большинстве учебников представлена ​​следующая модель химических реакций лимонной батарейки. [1] [3] [17] Когда элемент подает электрический ток через внешнюю цепь, металлический цинк на поверхности цинкового электрода растворяется в растворе. Атомы цинка растворяются в жидком электролите в виде электрически заряженных ионов (Zn 2+ ), оставляя в металле 2 отрицательно заряженных электрона (e − ):

Zn → Zn 2+ + 2e − .

Эта реакция называется окислением . Пока цинк поступает в электролит, два положительно заряженных иона водорода (H + ) из электролита соединяются с двумя электронами на поверхности медного электрода и образуют незаряженную молекулу водорода (H2 ) :

2Ч + + 2е - → ЧАС 2 .

Эта реакция называется редукцией. Электроны, используемые в меди для образования молекул водорода, передаются из цинка через внешний провод, соединяющий медь и цинк. Молекулы водорода, образующиеся на поверхности меди в результате реакции восстановления, в конечном итоге улетучиваются в виде газообразного водорода.

Результаты эксперимента

Эта модель химических реакций делает несколько предсказаний, которые были проверены в экспериментах, опубликованных Джерри Гудисманом в 2001 году. Гудисман отмечает, что многие недавние авторы предлагают химические реакции для лимонной батареи, которые включают растворение медного электрода в электролите. Гудисман исключает эту реакцию как несовместимую с экспериментами и отмечает, что правильная химия, которая предполагает выделение водорода на медном электроде, но также может использовать серебро вместо меди, известна уже много лет. [4] Большинство подробных предсказаний модели применимы к напряжению батареи, которое измеряется непосредственно измерителем в разомкнутой цепи (к батарее больше ничего не подключено). Когда электролит был модифицирован добавлением сульфата цинка (ZnSO 4 ), напряжение на элементе снизилось, как и было предсказано с использованием уравнения Нернста для модели. Уравнение Нернста, по сути, показывает, насколько падает напряжение при добавлении большего количества сульфата цинка. Добавление медного купороса (CuSO 4 ) не повлияло на напряжение. Этот результат согласуется с тем фактом, что атомы меди с электрода не участвуют в модели химической реакции ячейки.

Когда батарея подключена к внешней цепи и протекает значительный электрический ток, цинковый электрод теряет массу, как и предсказывалось вышеприведенной реакцией окисления цинка. Точно так же газообразный водород выделяется в виде пузырьков из медного электрода. Наконец, напряжение ячейки зависело от кислотности электролита, измеряемой его pH; уменьшение кислотности (и увеличение pH) приводит к падению напряжения. Этот эффект также предсказывается уравнением Нернста; конкретная использованная кислота (лимонная, соляная, серная и т. д.) не влияет на напряжение, кроме как через значение pH.

Предсказание уравнения Нернста не удалось для сильнокислых электролитов (pH < 3,4), когда цинковый электрод растворяется в электролите, даже когда батарея не подает ток в цепь. Две перечисленные выше окислительно-восстановительные реакции происходят только тогда, когда электрический заряд может передаваться через внешнюю цепь. Дополнительную реакцию разомкнутой цепи можно наблюдать по образованию пузырьков на цинковом электроде в разомкнутой цепи. Этот эффект в конечном итоге ограничил напряжение ячеек до 1,0 В при комнатной температуре при самых высоких уровнях кислотности.

Источник энергии

Энергия исходит от химического изменения цинка, когда он растворяется в кислоте. Энергия не исходит от лимона или картофеля. Цинк окисляется внутри лимона, обменивая некоторые свои электроны с кислотой, чтобы достичь более низкого энергетического состояния, а высвободившаяся энергия обеспечивает энергию. [4]

В современной практике цинк получают путем электровыделения сульфата цинка или пирометаллургического восстановления цинка углеродом, что требует затрат энергии. Энергия, вырабатываемая в лимонной батарее, получается в результате обращения этой реакции, восстанавливая часть энергии, затраченной во время производства цинка.

Ячейка Сми

С 1840 года до конца 19 века в полиграфической промышленности широко использовались большие гальванические элементы с цинковым электродом и сернокислым электролитом. Хотя иногда использовались медные электроды, подобные тем, что используются в лимонных батареях, в 1840 году Альфред Сми изобрел усовершенствованную версию этой ячейки, в которой вместо медного электрода использовалось серебро с шероховатым платиновым покрытием. [18] [19] Водород, прилипающий к поверхности серебряного или медного электрода, уменьшает электрический ток, который может быть получен из элемента; явление называется «поляризацией». [17] [20] Шероховатая, «платинированная» поверхность ускоряет пузырьки газообразного водорода и увеличивает ток из элемента. В отличие от цинкового электрода, медные или платинированные серебряные электроды не расходуются при использовании аккумулятора, а детали этого электрода не влияют на напряжение элемента. Ячейка Сми была удобна для гальванопластики , в результате которой производились медные пластины для высокой печати газет и книг, а также статуй и других металлических предметов. [19] [21] [22] [23] [24]

В ячейке Сми вместо чистого цинка использовался амальгамированный цинк ; Поверхность амальгамированного цинка обработана ртутью . [23] Очевидно, амальгамированный цинк менее склонен к разложению под действием кислотного раствора, чем чистый цинк. [25] Амальгамированные цинковые и простые цинковые электроды дают практически одинаковое напряжение, когда цинк чистый. [26] Что касается несовершенно очищенного цинка, то в лабораториях XIX века обычно давали разное напряжение. [25]

В популярной культуре

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Аб Декер, Франко (январь 2005 г.). «Вольта и «куча»». Электрохимическая энциклопедия . Университет Кейс Вестерн Резерв. Архивировано из оригинала 16 июля 2012 г.В своих первых батареях Вольта использовал серебро, а не медь; химические реакции, происходящие в элементах цинк/медь и цинк/серебро, одинаковы.
  2. ^ Снайдер, Карл Х. (2004). Необычайная химия обычных вещей с Late Nite Labs: Edition 4 . Джон Уайли и сыновья. ISBN 9780471588399.
  3. ^ аб Оон, Хок Леонг (2007). Химическое выражение: исследовательский подход. Panpac Education Pte Ltd. с. 236. ИСБН 978-981-271-162-5.
  4. ^ abc Гудисман, Джерри (2001). «Наблюдения за лимонными клетками». Журнал химического образования . 78 (4): 516–518. Бибкод : 2001JChEd..78..516G. дои : 10.1021/ed078p516.
  5. ^ "Лимонная батарея". Пембрук, Онтарио: научный лагерь Хила . Проверено 2 октября 2012 г.На этой веб-странице описаны эксперименты, начиная с одной лимонной ячейки, которая изучается с помощью мультиметра, а затем заканчиваются лимонной батареей, способной зажигать светодиод. Научный лагерь Хила также опубликовал видео, показывающее, как собрать батарею и зажечь светодиод; см. «Создание лимонной батарейки» на YouTube .
  6. ^ "Проект лимонной батареи" . Берлингтон, Айова: Как все работает. Научные проекты . Проверено 11 октября 2012 г.На этой веб-странице содержатся инструкции для учителей начальной школы. В проекте используется вольтметр, чтобы показать, что батарея работает. Ключевым элементом является использование нескольких пар электродов (железо/цинк, железо/медь, а также цинк/медь) для получения разного напряжения.
  7. ^ abc Свартлинг, Дэниел Дж.; Морган, Шарлотта (1998). «Возвращение к лимонным клеткам — калькулятор на основе лимона». Журнал химического образования . 75 (2): 181–182. Бибкод :1998JChEd..75..181S. дои : 10.1021/ed075p181 . Проверено 22 декабря 2020 г.Эти авторы отмечают, что водород выделяется из цинкового электрода. Как описано несколько позже Гудисманом, этот эффект не связан с выделением водорода, которое происходит, когда клетка подает электрический ток во внешнюю цепь; водород, связанный с этими токами, выделяется из медного электрода.
  8. ^ «Картофельная батарея». Архивировано из оригинала 15 апреля 2009 года.
  9. ^ Лисинская, Г.; Лещинский, В. (1989). Картофельная наука и технология. Спрингер. п. 286. ИСБН 9781851663071.
  10. ^ Калан, Джонатан. «Сила картофеля: клубни, которые могут осветить мир». BBC-Будущее-Технологии . Проверено 24 января 2014 г.
  11. ↑ Хилинг, Хармьян (12 мая 2012 г.). «Уксусная батарейка своими руками зажигает светодиоды на несколько дней».
  12. ^ Head Rush - Часы с квашеной капустой. Канал Дискавери. Архивировано из оригинала 10 июня 2011 г.Квашеная капуста довольно кислая из-за молочной кислоты, образующейся при брожении. В этом видео часы с квашеной капустой приводят в действие цифровой термометр.
  13. ^ аб Авраам, Энн; Паленчар, Аттила; Шерсон, Дэниел (осень 2006 г.). «Электрохимия для К-12: картофельные часы и не только» (PDF) . Интерфейс электрохимического общества . 15 (3): 43–46. дои : 10.1149/2.F09063IF.
  14. ^ Шмидт, Ханс-Юрген; Марон, Аннетт; Харрисон, Аллан Г. (2007). «Факторы, препятствующие обучению электрохимии». Журнал исследований в области преподавания естественных наук . 44 (2): 258–283. Бибкод : 2007JRScT..44..258S. дои : 10.1002/tea.20118.Полный текст только по подписке.
  15. ^ Сори, Тимоти; Хант, Ванесса; Баландова, Евгения; Палмквист, Брюс (2012). «Дилемма Хуана: новый взгляд на старую лимонную батарею». В Меце, Стив (ред.). Топливо для размышлений: повышение осведомленности об энергии в 9–12 классах . НСТА Пресс. стр. 91–98. ISBN 9781936137206.Руководство по экспериментам с лимонной батареей для учителей естественных наук, включая как заметки по изготовлению, так и результаты обучения.
  16. ^ Ду, Джеймс (2011). «Фруктовые/овощные батарейки». Архивировано из оригинала 30 октября 2019 г.Количественное исследование напряжений и токов, вырабатываемых фруктовыми батарейками; часть более крупного проекта, включающего «копеечные батарейки».
  17. ^ Аб Найду, М.С.; Камакшиаих, С. (1995). Введение в электротехнику. Тата МакГроу-Хилл Образование. п. 50. ISBN 9780074622926.
  18. ^ "Гальваническая батарея мистера Сми" . Журнал науки и школы искусств . II : 22. 18 апреля 1840 г. Раньше гальваническая батарея представляла собой громадную и дорогую машину, занимавшую большое пространство и требующую значительных затрат для поддержания ее недолговечности. Теперь гораздо более мощный инструмент можно сделать в табакерке и носить в кармане. Эти замечания навязываются нам удивительными платиновыми батареями г-на Гроува и химико-механическими батареями, изобретенными г-ном Сми...
  19. ^ аб Боттоне, Селимо Ромео (1902). Гальванические батареи, их теория, конструкция и применение, состоящие из первичных, одиночных и двойных жидкостных элементов, вторичных и газовых батарей. Уиттакер и Ко. с. 88. Первое реальное улучшение кислотной ячейки по сравнению с обычным цинк-медным элементом было сделано доктором Альфредом Сми, который заметил, что газообразный водород, высвобождаемый на отрицательной пластине, выделяется из нее гораздо легче, следовательно, поляризация происходит гораздо медленнее, если поверхность этой пластины была не совсем гладкой, а шероховатой; и самым эффективным способом, по его мнению, было покрытие серебряного листа или листов мелкодисперсной платиной...
  20. ^ Ватт, Чарльз; Ватт, Джон, ред. (1840). «Обзор: Труды Лондонского электрического общества, сессия 1841–1842 годов». Химик; Или, Репортер химических открытий и усовершенствований, Том 1 . Лондон: Р. Гастингс. В применении этого элемента можно провести очень важную модификацию, превратив его в КИСЛОТНУЮ батарею , аналогичную платинированному серебру г-на Сми. Те, кто знаком с гениальным устройством этого джентльмена, знают, что особенность его устройства состоит в том, что отрицательная пластина, из которой выделяется водород, очень легко отделяется от этого водорода. В обычных условиях водород сильно прилипает к пластинам кислотной батареи и выводит значительную часть пластин из строя из-за своего присутствия на их поверхности. Чтобы исправить это, он, как он это называет, «платинировал» поверхности.
  21. ^ Гордон, Джеймс Эдвард Генри (1880). Физический трактат по электричеству и магнетизму, Том 1. Д. Эпплтон и компания. п. 207.
  22. ^ Хэтч, Харрис Б.; Стюарт, Александр А. (1918). «История изготовления электротипов». Электротипирование и стереотипирование . Чикаго: Объединенные типотеты Америки. стр. 2–4. В 1840 году Сми изобрел батарею, которая сделала возможным коммерческое использование электротипа. ... Возможно, один из величайших шагов вперед в области электротипирования был сделан, когда было изобретено гальваническое динамо. Впервые динамо-машину вместо батареи типа Сми использовал Лесли из Нью-Йорка в 1872 году.Букварь для учеников полиграфической промышленности. Хорошее краткое введение в историю электротипирования.
  23. ^ ab Sprague, JT (1 июля 1874 г.). «Электроосаждение металлов». Телеграфный журнал и электрическое обозрение . II (34): 237–239. Ячейка Сми является наиболее часто используемой ячейкой из-за ее чрезвычайной простоты конструкции и управления.Подробное обсуждение строительства и обслуживания ячеек Сми, c. 1874.
  24. ^ Скотт, Дэвид А. (2002). Медь и бронза в искусстве: коррозия, красители, консервация. Публикации Гетти. п. 22. ISBN 978-0-89236-638-5. Некоторые чрезвычайно важные заказы были выполнены с помощью электротипов, например, «бронзы», украшающие Парижскую оперу, а также статуя принца Альберта высотой 320 см и четыре сопровождающие ее фигуры, воздвигнутая за Альберт-холлом в Лондоне как памятник Великой выставке. 1851 года.
  25. ^ Аб Парк, Бенджамин (1893). Вольтов элемент: его конструкция и емкость. Дж. Уайли. п. 347. OCLC  7399515. Уникальное свойство амальгамированного цинка не подвергаться воздействию серной кислоты, разбавленной водой, обусловлено адгезией водорода на пластине в растворе кислоты.
  26. ^ Стандартный электродный потенциал составляет 0,76 В как для чистого цинка, так и для амальгамированного цинка. См. Ванисек, Петр (2012). «Электрохимическая серия». В Хейнсе, Уильям М. (ред.). Справочник по химии и физике: 93-е издание . Химическая резиновая компания. стр. 5–80. ISBN 9781439880494..
  27. ↑ Ноубл, Маккинли (19 декабря 2011 г.). «Научный комплект Portal 2 говорит, злая картошка GLaDOS» . техулей . Проверено 30 января 2015 г.
  28. ↑ Килинг, Роберт (19 октября 2012 г.). «Телеобзор: RED DWARF X Эпизод 3 'Лимоны'» . Звездообразование . Проверено 30 января 2015 г.
  29. ^ «Выключение питания». Морская полиция . Сезон 7. Эпизод 8. 17 ноября 2009. 28 минут. CBS.
  30. ↑ Адам, Робертс (20 июня 2012 г.). «Длинная Земля Терри Пратчетта и Стивена Бакстера – обзор». Хранитель . Проверено 8 февраля 2017 г.
  31. ^ «Растущее благо мира». Анна с буквой Е. Сезон 2. Эпизод 10. 18 ноября 2018. Продолжительность 36 минут. Netflix.

дальнейшее чтение

Внешние ссылки