OGNIWA I AKUMULATORY - OD BATERII Z BAGDADU DO SAMOCHODU NA WODÓR.

dr inż. Michał Marzantowicz

1. Jedną z elektrod ogniwa stanowi srebro, a drugą glin. Podaj, która z elektrod jest anodą, a która katodą i oblicz takiego ogniwa SEM (napięcie pomiędzy anodą i katodą dla ogniwa otwartego).

Wskazówka: wykorzystaj szereg napięciowy metali. Jeśli znajdziesz w domu srebrną łyżeczkę i aluminiową łyżeczkę, możesz spróbować wykonać model takiego ogniwa.

Rozwiązanie: tak zwany potencjał standardowy (względem elektrody wodorowej) dla glinu wynosi -1.66, a dla srebra +0.8. Zatem różnica wynosi 2.46V i takie napięcie powinniśmy uzyskać na zaciskach ogniwa. Glin stanie się anodą, a srebro - katodą.

2. Bateria z ziemniaka (doświadczenie)

Potrzebne: ziemniaki, monety miedziane lub mosiężne (1,2 lub 5 groszówki) lub gwoździe miedziane, folia aluminiowa, gwoździe ocynkowane, woltomierz z zaciskami typu „krokodylki”, dioda, przewody z zaciskami.

Ziemniaki, cytryny lub inne owoce stanowią dobry elektrolit. Należy w nim umieścić elektrody - poprzez wbijanie (gwoździe miedziane i gwoździe ocynkowane), przez nacinanie (monety) lub przecięcie ziemniaka na plasterki (folia aluminiowa, monety). Zmierz napięcie na zaciskach ogniwa, podłączając końcówki woltomierza do elektrod. Zbadaj, jaki efekt uzyskujemy przy równoległym, a jaki przy szeregowym połączeniu takich ogniw. Dioda zaczyna świecić przy napięciu około 3V (dokładna wartość zależy od barwy światła i rodzaju diody). Wykonaj takie połączenie ogniw, by zaświeciła się dioda.

Wypróbuj również inne elektrolity pochodzenia naturalnego, spróbuj określić dla których ogniwo pracuje w stabilny sposób. Powtórz doświadczenie z ugotowanym ziemniakiem. Pokrój go w plastry, budując stos przekładany płytkami z metalu. Gotowanie ziemniaka zapewnia stabilną pracę ogniwa przez kilka dni - dowiodła tego grupa izraelskich naukowców z Hebrew University [ J. Renewable Sustainable Energy 2, 033103 (2010);

http://jrse.aip.org/resource/1/jrsebh/v2/i3/p033103_s1?view=fulltext ].

To ciekawe rozwiązanie ma być tanią alternatywą dla tradycyjnych ogniw przeznaczoną dla państw rozwijających się.

3. Bateria z Bagdadu - rekonstrukcja (doświadczenie)

Potrzebne: gliniany dzbanek lub mała butelka, ocet, rura miedziana lub zwinięta blaszka miedziana o średnicy nieco mniejszej niż średnica otworu dzbana, pręt stalowy o średnicy mniejszej niż rura miedziana, korek, plastelina.

W pierwszej kolejności przygotuj zatyczkę do dzbana lub butelki: rurę miedzianą i pręt umieść współśrodkowo (możesz w tym celu użyć korka i plasteliny). Po przymierzeniu zatyczki oba przedmioty powinny sięgać prawie do dna dzbana/butelki. Następnie nalej octu do wnętrza dzbana. Dopasuj ostatecznie zatyczkę i uszczelnij ją plasteliną. Sprawdź napięcie na zaciskach ogniwa - oczekiwany wynik jest rzędu dziesiątych części V. Porównaj otrzymaną wartość z wartością obliczoną na podstawie z szeregu napięciowego. Przedyskutuj z nauczycielem przyczynę ewentualnych różnic obu wartości.

Spróbuj przy pomocy kilku połączonych ze sobą ogniw wykonać pokrycie galwaniczne na powierzchni metalu. Przygotuj roztwór (możesz do tego celu wykorzystać resztkę octu lub wykonać roztwór soli) w szklanym naczyniu lub misce. Zanurz w nim płytkę miedzianą i przedmiot, który zamierzasz pokryć warstwą miedzi - może to być np. blaszka aluminiowa, żelazna lub ocynkowana. Podłącz odpowiednio elektrody - blaszka miedziana w roztworze ma stać się anodą, a przedmiot pokrywany warstwą miedzi - katodą. Zostaw doświadczenie na kilka godzin i sprawdź jakość pokrycia.

4. Szereg elektrochemiczny (doświadczenie)

Potrzebne: zlewki szklane, elektrolit - roztwór kwasu siarkowego (VI) (może być również bezpieczniejszy w użyciu roztwór soli), jednakowych rozmiarów płytki z różnych metali (miedź, cynk lub żelazo pokryte cynkiem, żelazo, aluminium, cyna, ołów), miernik (woltomierz), zaciski „krokodylki”, rękawiczki, okulary ochronne.

Pod kierunkiem nauczyciela przygotuj roztwór kwasu siarkowego (ok. 10%) (lub inny elektrolit) w dużym naczyniu. W przypadku użycia kwasu siarkowego zachowaj szczególną ostrożność, ponieważ jest silnie żrący. Następnie nalej elektrolit do kilku zlewek, umieszczając w nich płytki z różnych metali. Zmierz napięcie pomiędzy elektrodami dla każdej pary płytek. Zapisz obserwacje. Powtórz doświadczenie po około pół godziny. Na podstawie otrzymanych wyników spróbuj utworzyć swoją wersję szeregu elektrochemicznego metali. Porównaj ją z szeregiem potencjałów standardowych względem elektrody wodorowej, sformułuj wnioski.

5. Instrukcja obsługi

Sprawdź, jakiego typu ogniwa znajdują się w urządzeniach elektronicznych w szkole i w Twoim domu. Zwróć uwagę, czy są one eksploatowane w odpowiedni sposób. Postaraj się sporządzić prostą instrukcję ładowania urządzeń dla domowników.

6. Korozja (doświadczenie)

Elektrochemia bada nie tylko reakcje zachodzące w ogniwach elektrochemicznych, ale również zjawiska korozji. Spróbuj wyjaśnić, dlaczego łączenie różnych metali może przyśpieszać korozję. Zastanów się, jakich metali nie powinno się łączyć w warunkach środowiska sprzyjających korozji. Sprawdź, jaki jest skład stali kwasoodpornej i z jakich względów ulega ona korozji znacznie wolniej niż zwykła stal.

W kilku zamkniętych słoikach umieść elementy z różnych metali - w kontakcie ze sobą i osobno. Do każdego słoika nalej odrobinę roztworu wodnego soli kuchennej, a następnie zakręć pokrywkę. W celu przyśpieszenia korozji umieść słoiki na grzejniku lub słonecznym parapecie. Prowadź regularne obserwacje słoików co tydzień. Zapisz wnioski. Swoje obserwacje skonsultuj z nauczycielem.

Zeszyt ćwiczeń

Projekt współfinansowany z Europejskiego Funduszu Społecznego w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki

3

Projekt współfinansowany z Europejskiego Funduszu Społecznego w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki

---