Проектная деятельность, страница 299 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

1. Алессандро Вольта и его исследования. Вольтов столб.

2. Электрические рыбы.

3. Изготовьте простейший гальванический элемент (разновидность элемента Вольты (см. рис.)).

a) Влажная бумага

Cu

(+)

(-)

Fe

б) Влажная бумага

Прищепка деревянная

в) 5–10 мм

Fe Cu

Этот источник может состоять из стальной и медной пластин, разделённых слоем бумаги или ткани, пропитанной водопроводной водой. Если элемент не будет работать, в воду добавьте поваренной соли (примерно половину чайной ложки на стакан воды).

Исследуйте полученный источник.

Подберите наиболее эффективные пары металлов для изготовления электродов (можно попробовать, например, монеты из разных металлов: медные, серебряные, никелевые) и состав жидкости, которая смачивает ткань между ними (соки различных фруктов и овощей). Больший эффект даёт применение медных, цинковых или оловянных пластин.

Соединив несколько таких элементов, будем иметь батарею, пригодную для питания светодиода или лампочки.

Для решения задачи по изготовлению и исследованию простейшего гальванического элемента необходимо разобраться в его устройстве, принципе работы и способах улучшения его характеристик.

Принцип действия и устройство гальванического элемента
Гальванический элемент, описанный в задаче, является химическим источником тока. Его работа основана на преобразовании энергии окислительно-восстановительной реакции в электрическую энергию.

Элемент состоит из трех основных частей:
1. Два электрода из разных металлов. В примере используются сталь (сплав на основе железа, Fe) и медь (Cu).
2. Электролит — вещество, проводящее ток за счет движения ионов. В данном случае это влажная бумага или ткань, пропитанная раствором поваренной соли ($NaCl$) в воде или соком фруктов/овощей.
3. Внешняя цепь — проводник, соединяющий электроды (например, провода мультиметра или светодиод).

Железо (Fe) является химически более активным металлом, чем медь (Cu). Это означает, что железо легче отдает электроны. Поэтому в данном гальваническом элементе железо будет служить отрицательным полюсом (анодом), а медь — положительным (катодом).

На электродах протекают следующие химические процессы:
• На аноде (отрицательном полюсе, Fe) происходит окисление: атомы железа теряют электроны и переходят в раствор в виде ионов.
$Fe - 2e^- \rightarrow Fe^{2+}$
• Электроны, освободившиеся на аноде, движутся по внешней цепи к катоду, создавая электрический ток.
• На катоде (положительном полюсе, Cu) происходит восстановление. В нейтральном водном растворе, содержащем растворенный кислород из воздуха, электроны восстанавливают кислород:
$O_2 + 2H_2O + 4e^- \rightarrow 4OH^-$
Роль поваренной соли ($NaCl$) заключается в том, чтобы обеспечить ионную проводимость в растворе. Молекулы соли диссоциируют на ионы $Na^+$ и $Cl^-$, которые могут свободно перемещаться в воде, замыкая электрическую цепь внутри элемента.

Инструкция по изготовлению
Для сборки элемента можно использовать один из предложенных на рисунке способов:
а) Возьмите стальную пластину (или распрямленную скрепку) и медную пластину (или проволоку). Между ними проложите кусочек бумажной салфетки, смоченной в солевом растворе. Сильно сожмите получившийся "сэндвич".
б) Для более надежного контакта используйте деревянную прищепку. Зажмите ею стальной и медный электроды, разделенные влажной бумагой. Провода для подключения можно припаять или плотно примотать к электродам.
в) В качестве корпуса можно использовать половинку лимона, яблока или картофелину. Воткните в мякоть медный и стальной (или оцинкованный) гвозди на расстоянии 5-10 мм друг от друга. Электроды не должны соприкасаться. Фруктовый сок, содержащий кислоты, выступит в роли электролита.

Исследование и улучшение источника
1. Исследование: Подключите к полученному элементу вольтметр (в режиме измерения постоянного напряжения, DCV). Он покажет ЭДС (электродвижущую силу) элемента. Для пары Fe-Cu напряжение будет в районе 0,5–0,8 В. Можно также измерить ток короткого замыкания, подключив амперметр, но делать это нужно кратковременно.
2. Улучшение: Эффективность элемента можно повысить.
• Подбор металлов: Напряжение элемента зависит от разности потенциалов металлов. Чем дальше металлы находятся друг от друга в электрохимическом ряду активности, тем выше напряжение. Как указано в тексте, больший эффект дает пара цинк-медь (Zn-Cu). Цинк — более активный металл, чем железо, поэтому напряжение элемента Zn-Cu будет выше (около 1,1 В). Можно использовать оцинкованный гвоздь в качестве цинкового электрода.
• Подбор электролита: Вместо раствора соли можно использовать более активные электролиты, например, раствор уксуса или сок лимона. Кислая среда способствует более интенсивной реакции на катоде (восстановление ионов водорода $2H^+ + 2e^- \rightarrow H_2$), что также может увеличить ЭДС и ток.

Создание батареи
Один гальванический элемент создает низкое напряжение, недостаточное для питания даже светодиода (требуется ~2-3 В). Чтобы увеличить напряжение, элементы соединяют в батарею последовательно. Для этого положительный полюс (медь) первого элемента соединяют с отрицательным полюсом (железо/цинк) второго, плюс второго с минусом третьего и так далее. Общее напряжение батареи будет равно сумме напряжений всех элементов. Чтобы зажечь стандартный красный светодиод, понадобится собрать батарею из 3-4 элементов Fe-Cu или 2-3 элементов Zn-Cu.

Ответ: Для создания простого гальванического элемента нужно взять два разных металла, например, стальную скрепку и медную монету, и разделить их бумагой, смоченной в растворе поваренной соли. Сталь будет отрицательным полюсом (−), а медь — положительным (+). Электрический ток возникает из-за химической реакции, в которой более активный металл (сталь) окисляется, отдавая электроны. Чтобы повысить напряжение, можно использовать пару цинк-медь и в качестве электролита лимонный сок. Для питания светодиода необходимо соединить 2-4 таких элемента последовательно (плюс к минусу), создав батарею.