Химия и опыты

Демонстрационная батарея из гальванических элементов

Довольно важным моментом в истории человечества стало изобретение электричества: вернее, не просто его изобретение, а тот момент, когда электрическая энергия из разряда диковинных лабораторных штучек перешла в полезный источник энергии, повышающий качество жизни людей. Важное открытие произошло в 1790 г, когда итальянский физиолог Луиджи Гальвани коснулся лапки препарированной лягушки двумя инструментами, выполненными из разных металлов. Лапка лягушки дрогнула — а происходит это, как известно, от наличия даже малейшей разности потенциалов. Два металла, из которых были сделаны инструменты, образовали гальваническую пару, а раствором-электролитом послужила кровь самой лягушки. Объяснение этому явлению смог дать итальянский ученый Алессандро Вольта (в честь которого из названа единица измерения — вольт) и в 1799 году он создал первый гальванический элемент, в котором использовались медный и цинковый электроды, помещённые в раствор серной кислоты. Блок схема такого элемента представлена ниже.

Если погружённые электроды соединить проводником — то электрическая цепь замкнётся и по ней потечёт электрический ток. Что интересно, величина возникающей разности потенциалов не зависит от площади пластин и объёма электролита — зависит она от того, какие металлы взаимодействуют, различные гальванические пары дают разное напряжение, от долей милливольт, до единиц вольт. Напряжение можно увеличить, если последовательно соединить несколько элементов, как показано на картинке ниже.

На данный момент составлен так называемый «электрохимичекий ряд металлов», который описывает, насколько хорошо могут образовывать друг с другом гальванические пары те или иные металлы. Чем ближе друг к другу расположены металлы в ряду — тем меньшее напряжение они будут давать, и наоборот. Самой «высоковольтной» гальванической парой будет литий и золото — напряжение составит около 4,72В, однако такая пара практически нигде не используется, что логично, учитывая стоимость золота. Сам электрохимический ряд представлен ниже.

Порой гальванические элементы возникают сами по себе: например, когда намокает лист оцинкованного железа. На листе наверняка будут иметься какие-либо царапины, а следовательно в контакт с водой вступают и железо, и цинк, а электролитом служит сама вода, если она не идеально дистиллированная. При этом будет происходить медленное, но верное разрушение цинка, а железо останется целым, пока не исчезнет весь цинк. Такое явление называют гальванической коррозией, кстати, именно по этой же причине запрещается делать скрутки из медных и алюминиевых проводов.

Понаблюдать за явлением гальванической коррозии можно очень просто в домашних условиях — для этого понадобятся пара стальных скрепок, а также кусочек цинка, например, из ненужной солевой батарейки и кусочек медной пластины. Скрепка устанавливается на пластинки, и всё это погружается на сутки-две в ёмкость с солёной водой.

Проходят сутки и результат налицо — скрепка на медной пластинке здорово заржавела, а на цинковой пластине осталась без ржавчины. В электрохимическом ряду железо и цинк стоят совсем рядом, гальваническая пара из них так себе, а следовательно и гальваническая коррозия почти не протекает. Медь и железо стоят далеко друг от друга, и эффект не заставил себя долго ждать.

Но всё это было лишь предисловием для самого важного — самостоятельного изготовления гальванического элемента. Для этого потребуется несколько (минимум 3) пластиковых ёмкости объёмом 50-100 мл с крышками, например, подойдут баночки от витаминок. Они и будут служить в качестве корпуса гальванического элемента.

Для самодельного элемента будет использовать стандартная пара очень доступных металлов — меди и цинка. Цинк можно достать в солевой батарейке, а медь, например, из медного скотча, либо из пластинок-радиаторов. В крайнем случае можно использовать скрученный в спираль оголённый медный провод. Внутрь ёмкости наливается вода с растворённой в ней поваренной солью, затем внутрь погружаются металлические электроды — при этом они не должны касаться друг к друга. К крышке баночки прикручиваются контакты, автор рекомендует медный контакт закреплять латунным винтом, цинковый — стальным. Резиновые прокладки используются для герметизации отверстий.

Если изготовить несколько таких элементов, то их можно соединить последовательно — напряжения сложатся. Один такой элемент даёт напряжение примерно 1В, соответственно три элемента дадут напряжение около 3-х вольт, чего уже будет достаточно для включения светодиода.

Такие примитивные гальванические элементы не выдадут большой ток — замеры показывают всего 230 мкА, однако для светодиода даже этого будет достаточно. Запитать какое-либо устройство, а уж тем более зарядить телефон таким током не получится, а потому батарея не несёт какого-либо практического смысла, тем не менее, её стоит сделать как минимум ради любопытства в демонстрационных целях. Также она может послужить хорошим подарком в школьных кабинет физики, учитывая, что в последнее время ученики видят всё меньше настоящих практических опытов. Удачной сборки!

Источник

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»