Szkolna wodna bateria galwaniczna(06-2010).pdf

Metodyka i praktyka szkolna

Szkolna wodna

bateria galwaniczna

ANTONI TARNOGRODZKI, ANDRZEJ SZUMMER

w których przedstawiono wodną

baterię galwaniczną jako łado-

warkę akumulatorków, w tym artykule za-

proponowano tę baterię jako pomoc dy-

daktyczną. Zamiast wstępu cytujemy opinię

dr Elżbiety Zawistowskiej – dyrektor Li-

ceum Ogólnokształcącego im. S. Staszica

w Warszawie: „ Wodna bateria galwaniczna

powinna być standardowym wyposażeniem

szkolnego laboratorium ”.

prosty. Z praktycznego punktu widzenia

istotne jest jednak to, że ogniwo takie pra-

cuje, dostarczając znaczącego napięcia

ok. 0,85 V. Spadek tego napięcia w czasie,

związany z zużywaniem się elektroaktyw-

nych substancji w pobliżu elektrod, można

powstrzymać przez ciągłe mieszanie wody

lub, tak jak w naszym przypadku, cykliczne

zanurzanie i wynurzanie elektrod, sprzyja-

jące także usuwaniu pęcherzyków ewentu-

alnie nagromadzonych na ich powierzch-

niach gazów.

Od strony konstrukcyjnej ogniwo to sta-

nowi owinięta siatką z włókna syntetyczne-

go pojedyncza płytka cynkowa, umieszczo-

na pomiędzy dwiema płytkami miedzia-

nymi (Fot. 1.), lub pojedyncza elektroda

miedziana umieszczona pomiędzy dwiema

elektrodami cynkowymi. Obie elektrody

jednego ogniwa owinięte są wspólnie folią

izolacyjną w taki sposób, że górne i dolne

krawędzie elektrod nie są zakryte, co umo-

żliwia swobodny przepływ wody pomiędzy

Ogniwo

Wwodzie wodociągowej, wskutek jej

autodysocjacji, znajduje się niewielka ilość

jonów H + iOH – , a także – z powodu obec-

ności rozpuszczonych w niej substancji nie-

organicznych – jony Ca 2+ ,Mg 2+ , Na + , Cl – ,

CO 2– iinne. Jest to zatem środowisko

w pewnym stopniu przewodzące prąd elek-

tryczny.

Można zatem zbudować najprostsze

ogniwo galwaniczne, wprowadzając do ta-

kiej wody elektrody z różnych metali, np.

z miedzi i cynku, które uzyskują wtedy ró-

żne ładunki. Elektroda miedziana uzyskuje

wyższy potencjał elektryczny niż elektroda

cynkowa, czyli elektroda miedziana jest do-

datnia, a cynkowa – ujemna. Po zamknię-

ciu obwodu elektrycznego przez połącze-

nie wyprowadzeń obu elektrod z zew-

nętrznym odbiornikiem energii elektrycz-

nej następuje przepływ prądu, związany

z procesami redukcji na elektrodzie mie-

dzianej i procesami utleniania na elektro-

dzie cynkowej. Jednoznaczny opis tych

procesów, z uwagi na złożoność i zmien-

ność składu wody wodociągowej, nie jest

Fot. 1. Elementy składowe pojedynczego ogniwa

6/2010

W nawiązaniu do artykułów [1, 2],

Metodyka i praktyka szkolna

Fot. 2. Bateria ogniw

Fot. 3. Odnawianie otoczenia elektrod przez ich wynurzanie

nimi. Owinięcie folią ogniw spełnia taką

samą rolę, jak umieszczenie ogniw w od-

dzielnych naczynkach i tylko w niewielkim

stopniu wpływa na parametry baterii, nato-

miast w niektórych przypadkach jest bar-

dziej wygodne.

polepsza parametry baterii i wskazuje na

alternatywne możliwości jej zbudowania.

Bateria wytwarza napięcie 3 V.

W czasie pracy baterii na foli izolacyjnej,

w którą owinięte są ogniwa, pojawia się

osad. Na rysunku 1 przedstawiono wynik

mikroanalizy rentgenowskiej jego składu

chemicznego. Jak widać, w osadzie znajdu-

ją się związki cynku (pochodzącego z roz-

puszczania się anody cynkowej – tym sa-

mym wyjaśnia się schemat procesu

przebiegającego z udziałem tej elektrody)

oraz związki wapnia, chloru, siarki, krze-

mu, glinu, tlenu i węgla (pochodzące z re-

Bateria

Baterię stanowią cztery połączone sze-

regowo ze sobą ogniwa zanurzone piono-

wo w wodzie (Fot. 2. i 3.), przy czym odle-

głość pomiędzy nimi wynosi 3–4 cm,

a ponadto jedna para ogniw skrajnych za-

nurzona jest w dodatkowym naczynku, co

Rys. 1. Wynik mikroanalizy składu chemicznego osadu, powstającego w czasie pracy ogniwa

Chemia w Szkole

Metodyka i praktyka szkolna

akcji elektrodowych różnych substancji

znajdujących się w wodzie wodociągowej).

Obciążając baterię diodami świecącymi ja-

ko odbiornikami energii elektrycznej, można

wyznaczyć zależność mocy baterii od czasu

zanurzenia elektrod i temperatury wody

(rejestrując napięcie i zmiany prądu płynące-

go w obwodzie obciążonym diodami, w zależ-

ności od czasu zanurzenia elektrod) (Rys. 2.).

Dla zwiększenia efektu wizualizacji pracy ba-

terii można stosować diody migające.

Proponowane ćwiczenia

1. Wpływ domieszek w wodzie, stanowią-

cej elektrolit baterii, na natężenie prądu

zwarcia. Bierze się pod uwagę wodę de-

mineralizowaną, spożywczą wodę mine-

ralną oraz wodę wodociągową.

Rys. 2. Zależność mocy baterii od czasu pracy ogniwa, dla

dwóch temperatur wody

2. Wpływ napięcia baterii, tj. liczby ogniw,

na natężenie prądu zwarcia.

3. Określenie zależności mocy baterii od

czasu zanurzenia elektrod i temperatury

wody stanowiącej elektrolit (Rys. 2.).

4. Wyznaczenie stałej Faradaya.

Opis ćwiczenia

Wcelu wyznaczenia stałej Faradaya po-

sługujemy się zależnością:

M · I · t

Fot. 4. Konstrukcja obwodu elektrycznego z ogniwem,

służąca wyznaczaniu stałej Faradaya

∆

m – ubytek masy elektrody cynkowej.

Zależność ta wynika z tego, że utlenia-

nie 1 mola cynku związane jest z przepły-

wem 2 F ładunku.

Do wyznaczania stałej Faradaya służy

specjalne pojedyncze ogniwo (Fot. 4.). De-

montujemy elektrody tego ogniwa. Elek-

trodę cynkową myjemy miękką szczotką

wwodzie wodociągowej, suszymy ją i waży-

my. Montujemy elektrody ogniwa, do któ-

rego podłączamy rejestrator prądu (mili-

amperomierz rejestrujący). Ogniwo zanu-

rzamy w wodzie o temperaturze 70°C, uru-

chamiamy stoper, mierzymy natężenie prą-

du zwarcia przez ok. 10 minut, przy czym

co 1 minutę wynurzamy elektrody z wody

na przeciąg około 5 sekund. Demontujemy

elektrody ogniwa, ponownie myjemy elek-

trodę cynkową miękką szczotką, suszymy ją

iważymy.

Zzanotowanych wartości prądu zwarcia

wyznaczamy średnie natężenie prądu zwar-

cia. Uzyskane dane podstawiamy do wzoru

6/2010

F =

gdzie:

F = 96485 C/mol – stała Faradaya,

M = 65,41 g/mol – masa atomowa cynku

(cynk jest dwuwartościowy),

I – natężenie prądu,

t – czas,

∆

Metodyka i praktyka szkolna

iobliczamy stałą Faradaya. Otrzymany wy-

nik porównujemy z tablicową wartością tej

stałej i formułujemy wnioski. Jeśli np. śred-

ni prąd zwarcia wynosi I = 40 mA, czas

t = 10 min, to ubytek masy

∆

m powinien

L ITERATURA

[1] Tarnogrodzki A., Szummer A., Projekt wodnej galwanicznej ładowar-

ki akumulatorka , „Wiadomości Elektrotechniczne”, 2008 nr 8, 48.

[2] Tarnogrodzki A., Szummer A., Jeszcze o wodnej galwanicznej ładowar-

ce akumulatorków , „Wiadomości Elektrotechniczne”, 2009 nr 8, 40–41.

wynosić ok. 8 mg.

prof. dr. inż. ANDRZEJ SZUMMER

Po li tech ni ka War szaw ska,

In sty tut Tech ni ki Lot ni czej i Me cha ni ki Sto so wa nej.

dr inż. ANTONI TARNOGRODZKI

Po li tech ni ka War szaw ska,

In sty tut Tech ni ki Lot ni czej i Me cha ni ki Sto so wa nej.

Konkurs! Konkurs! Konkurs! Konkurs! Konkurs!

Zapraszamy Państwa

do udziału w konkursie na scenariusz lekcji pt.

Jaka jest przyczyna efektu energetycznego

reakcji chemicznej?

Prace konkursowe, opracowane przez pojedyncze osoby (w dwóch eg-

zemplarzach i w formie elektronicznej na płycie CD; tekst jako doku-

ment WORD; grafika, wykresy, zdjęcia w formacie jpg o rozdzielczo-

ści 300 dpi), prosimy opatrzyć godłem. Analogiczne godło należy

umieścić na zaklejonej kopercie, zawierającej dane personalne (imię

inazwisko, dokładny adres prywatny, miejsce pracy).

Termin nadsyłania prac konkursowych

15 marca 2011 r.

Scenariusze należy przesyłać na adres:

Redakcja czasopisma „Chemia w Szkole”

Dr Josef Raabe Spółka Wydawnicza Sp. z o.o.

01-194 Warszawa, ul. Młynarska 8/12

Na autorów najciekawszych prac czekają nagrody:

Inagroda – 1000 zł,

II nagroda – 750 zł,

III nagroda – 500 zł.

Chemia w Szkole

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: