Raport wykonania ćwiczenia nr 1

„OGNIWA”

Wstęp

Celem ćwiczenia jest zmierzenie w różnych źródłach siły elektromotorycznej SEM generowanej w ogniwach organicznych, stężeniowych zarówno paliwowych jak i wodorowych.

Teoria

Metoda użyta w tym ćwiczeniu ma na celu pomiar siły elektromotorycznej SEM czyli czynnik powodujący przepływ prądu w obwodzie elektrycznym równy energii elektrycznej uzyskanej przez jednostkowy ładunek przemieszczany w urządzeniu. Metoda ta polega na wykorzystaniu dwóch elektrod zbudowanych z różnego materiały i roztworach o różnych stężeniach. Warto wspomnieć o samym ogniwie. Ogniwo składa się z dwóch różnych elektrod zanurzonych w tym samym roztworze elektrolitu , lub dwóch różnych elektrod zanurzonych w różnych roztworach. Ogniwo możemy podzielić na :

Ogniwo galwaniczne: to układ złożony z elektrolitu w którym zanurzone są dwie elektrody , gdzie powstające w tym reakcje chemiczne powodują różnice pomiędzy potencjałami elektrod.

Ogniwo stężeniowe: to układ w którym dwie elektrody tego samego metalu zanurzone do roztworów o różnych stężeniach czyli nie homologicznych roztworach i wykazywać w ten sposób będą różnicę potencjałów.

Ogniwo paliwowe: to układ pozwalający na uzyskanie energii elektrycznej i ciepła bezpośrednio z zachodzącej w niech reakcji chemicznej. Ogniwa te wykorzystuje się w bateriach oraz urządzeniach przenośnych o małej i dużej mocy. Te ogniwa możemy podzielić również na ogniwa alkoholowe i wodorowe. Do zmierzenia tego napięcia zostały wykorzystane prawo Ohma oraz I prawo Kirchoffa. Prawo to wyraża się wzorem , gdzie U-napięcie, a I-natężenie. Prawo Ohma mówi nam, że natężenie prądu płynącego przez przewodnik jest proporcjonalne do napięcia, które panuje między końcami tego przewodnika. Natomiast pierwsze prawo Kirchoffa dotyczy prądu, który przepływa w rozgałęzieniach obwodu elektrycznego. Właśnie dzięki tym dwóm prawom możemy określić wartość i kierunki prądów w obwodach elektrycznych.

Przyrządy służące do pomiarów prądu elektrycznego to : amperomierz, woltomierz, oscyloskop.

MATERIAŁY I METODY

Ogniwa galwaniczne

Przyrządy: cyfrowy miernik uniwersalny, elektrody zbudowane z różnych materiałów i różnej wielkości, komplet przewodów, dwie zlewki oraz roztwory NaCl i parafina.

Przebieg doświadczenia

Do pierwszej zlewki został wlany roztwór NaCl po czym po podłączeniu przez przewody do cyfrowego miernika dwóch elektrod zbudowanych z tego samego materiału i o podobnym rozmiarze zanurzone zostały elektrody do zlewki z NaCl, SEM wynosiło 1mV. Następnie po wyciągnięciu elektrod zastąpiono je elektrodami wykonanymi z dwóch różnych materiałów ale o tym samym kształcie, SEM wynosiło 193mV. Następnie elektrody zostały wyjęte i do tego samego roztworu włożone elektrody zbudowane z tego samego materiału ale o innych kształtach, stężenie SEM wyniosło 17mV. Do drugiej zlewki wlana została parafina i zanurzono dwie elektrody zbudowane z różnych materiałów, SEM wyniosło 0mV.

Ogniwa stężeniowe.

Przyrządy: tamponiki z waty , rurka U-kształtna, roztwór KCl oraz roztwór CuSO4 o różnych stężeniach, strzykawkę, miernik uniwersalny.

Przebieg doświadczenia

Pierwszym etapem było zbudowanie klucza elektrolicznego. Następnie trzeba było wypełnić rurkę roztworem KCl i końce rurki zatkać tamponikami z waty tak aby roztwór się nie wylewał. Dwie zlewki napełniono roztworem 12% CuSO4. Po połączeniu zlewek i klucza w jedną całość włożone zostały elektrody do zlewek i zmierzono stężenie SEM miernikiem, które wyszło 0,1mV. Po wyciągnięciu elektrod i zdemontowaniu klucza w jeden zlewce znajdował się roztwór CuSO4 12 % a w drugiej ten sam roztwór 10-krotnie rozcieńczony. Po włożeniu elektrod i klucza zmierzone SEM wyniosło -23mV. W taki sam sposób zmierzone zostało SEM, gdzie w jednej zlewce znajdował się roztwór 12 % CuSO4 a w drugiej 100-krotnie rozcieńczony wynosiło ono -43mV. W ostatnim mierzeniu w jednej zlewce znajdował się roztwór o stężeniu 12% CuSO₄ a w drugiej roztwór o nieznanym stężeniu. Miernik cyfrowy pokazał -15mV.

Przyrządy: alkohol metylowy , wiatraczek, pojemnik,

Ogniwo alkoholowe

Przebieg doświadczenia

Alkohol metylowy został wlany do pojemnika, po odczekaniu ok. 7 minut, zmierzono napięcie na zaciskach ogniwa, wyniosło ono 0,900V. Następnie do ogniwa podłączono obciążenie w postaci wiatraczka i ponownie zmierzono napięcie na zaciskach – 0,633V.

Ogniwo wodorowe

Przebieg doświadczenia

Wytworzone zostało paliwo (wodór i tlen) w tym celu wykorzystano źródło napięcia stałego. Po naładowaniu zmierzono napięcie na zaciskach – 0,91V. Następnie podłączona do ogniwa silniczek – wiatrak i ponownie zmierzono napięcie – 0,71V. Czas pracy wiatraczka, dzięki wytworzonemu paliwu wyniósł 5min 30sekund.

REZULTATY

1. OGNIWA GALWANICZNE

Tab.1 Pomiar siły SEM w układzie złożonym z dwóch elektrod.

Roztwór NaCl	Parafina
Elektrody z tego samego materiału i rozmiarze.	0mV
Elektrody z różnego materiału ale zbliżonym rozmiarze.	193mV
Elektrody z tego samego materiału ale innym rozmiarze.	17mV
Elektrody z różnego materiały i innym rozmiarze.	-

Tab.2 Pomiar SEM ogniwa zbudowanego z różnego materiału i tej samej wielkości elektrod A-K (elektroda A jest elektrodą odniesienia)

Materiał	SEM[V]
Aluminium(A) Mosiądz(B)	0,477
Aluminium(A) Miedź(C)	0,518
Aluminium(A) Brąz(D)	0,535
Aluminium(A )Nikiel(E)	0,400
Aluminium(A) Stal miękka(F)	-0,186
Aluminium(A) Cynk(J)	-0,238
Aluminium(A) Chrom(K)	0,330

Tab.3 Kolejność metali w szeregu elektrochemicznym.

Materiał	SEM [V]
Cynk	-0,238
Stal miękka	-0,186
Chrom	0,330
Nikiel	0,400
Mosiądz	0,477
Miedź	0,518
Brąz	0,535

1. OGNIWO STĘŻENIOWE

Tab.4 Pomiar siły elektromotorycznej(SEM) w ogniwie stężeniowym z użyciem różnego stężenia CuSO₄.

Stężenie elektrolitu.
I zlewce(c1)
12
12
12
12

1. OGNIWA PALIWOWE

Tab.5 Pomiar siły elektromotorycznej SEM w ogniwie alkoholowym.

Wartość SEM w ogniwie alkoholowym
Roztwór
10% roztwór alkoholu etylowego

Tab.6 Pomiar siły elektromotorycznej SEM w ogniwie wodorowym.

Wartość SEM w ogniwie wodorowym
Paliwo
Wodór i tlen

WNIOSKI

1. Ogniwa galwaniczne

Ogniwo stanowią dwa połączone półogniwa, znajdujące się w roztworze NaCl. Elektrody ulegają procesom utleniania i redukcji, dzięki czemu powstaje energia elektryczna. Metal bardziej aktywny, czyli o niższym potencjale stanowi anodę – na nim zachodzi utlenianie, natomiast metal mniej aktywny, czyli o wyższym potencjale stanowi katodę – tu zachodzi redukcja. W pierwszym doświadczeniu widać, że największe napięcie uzyskano w przypadku dwóch różnych materiałów w roztworze NaCl, ze względu na fakt, że roztwór soli umożliwił przepływ prądu a różnica potencjałów elektrodowych jest różna. W parafinie zjawisko nie zachodzi, ponieważ nie jest ona elektrolitem. Znany przykład ogniwa galwanicznego stanowi ogniwo Volty, którego schemat wygląda następująco:

Zn| H₂SO₄| Cu

A: Zn -> Zn²⁺+2e K: 2H⁺+2e -> 2H₂

Doświadczenie drugie wykazało kolejność poszczególnych metali w szeregu elektrochemicznym, dzięki pomiarom względem aluminium, który jest metalem najaktywniejszym z badanych. Ustalony ciąg został od najniższego potencjału do najwyższego, gdzie pierwszym metalem jest cynk jako najaktywniejszy a ostatnim brąz, który w stosunku do pozostałych, zawsze będzie katodą.

1. Ogniwo stężeniowe

Nieznane stężenie zostało wyznaczone przy pomocy wykresu wykreślonego na papierze półlogarytmicznym. Przy SEM=-15, stosunek c₁/c₂ wynosi 5. Co oznacza, że 12/5=2,4% CuSO₄.

1. Ogniwa paliwowe

Według I prawa Kirchoffa suma natężeń prądów wpływających do węzła jest równa sumie natężeń prądów wypływających z tego węzła. W związku z czym po podłączeniu obciążenia początkowe natężenie prądu musi się obniżyć tak by było możliwe postawienie znaku równości między wejściowym i wyjściowym – wpływającym do wiatraczka.

Literatura.

- Internet - http://www.ogniwa-paliwowe.info/

- ‘Vademecum. Chemia’ wyd. Operon

-Internet- http://wynalazki.slomniki.pl/index.php/o-joomla/58-o/411-ogniwo-galwaniczne.html