Экспериментальное задание, страница 147 - гдз по физике 10 класс учебник Закирова, Аширов

Экспериментальное задание

Используя медную проволоку, металлическую скрепку и мультиметр, выясните, какие овощи и фрукты (банан, картофель, груша, помидор, огурец, луковица, яблоко) способны работать в качестве гальванического элемента. Какой из фруктов способствует возникновению большего напряжения между электродами?

Дано:

1. Медная проволока (электрод 1)

2. Металлическая скрепка (электрод 2, предположительно из стали/железа, возможно с цинковым покрытием)

3. Мультиметр (для измерения напряжения)

4. Овощи и фрукты: банан, картофель, груша, помидор, огурец, луковица, яблоко (в качестве электролитов)

Найти:

1. Какие из перечисленных овощей и фруктов способны работать в качестве гальванического элемента?

2. Какой из фруктов способствует возникновению большего напряжения?

Решение:

Гальванический элемент — это химический источник электрического тока, в котором электрическая энергия вырабатывается за счёт энергии окислительно-восстановительной реакции. Для его создания необходимы два разных металла (электроды) и среда, проводящая ионы, — электролит.

В данном эксперименте в качестве электродов выступают медная проволока (состоящая из меди, $Cu$) и металлическая скрепка (состоящая, как правило, из стали — сплава на основе железа, $Fe$, или покрытая цинком, $Zn$). Медь и железо (или цинк) — это разные металлы с разной химической активностью.

В качестве электролита используется сок овощей и фруктов. Сок содержит воду, а также растворенные в ней органические кислоты (например, яблочная в яблоках, лимонная и щавелевая в помидорах, фосфорная в картофеле) и соли. Растворы кислот и солей являются электролитами, так как в них содержатся свободные ионы (в основном, ионы водорода $H^{+}$ и кислотные остатки), способные переносить электрический заряд.

Когда два разных металла погружаются в электролит, между ними возникает разность потенциалов (напряжение). Более активный металл (в паре Cu-Fe это железо, а в паре Cu-Zn — цинк) будет выступать в роли отрицательного электрода (анода). На нем происходит процесс окисления — металл отдает электроны и превращается в ионы, переходящие в раствор.

Для пары медь-железо:

Анод (-): $Fe \rightarrow Fe^{2+} + 2e^{-}$

Менее активный металл (медь) становится положительным электродом (катодом). На нем происходит процесс восстановления. Положительно заряженные ионы водорода ($H^{+}$) из кислоты, содержащейся в соке, принимают электроны, пришедшие по внешней цепи от анода, и превращаются в нейтральные молекулы водорода.

Катод (+): $2H^{+} + 2e^{-} \rightarrow H_2$

В результате этого процесса во внешней цепи возникает направленное движение электронов, то есть электрический ток. Мультиметр, подключенный к электродам, покажет наличие напряжения.

1. Какие овощи и фрукты способны работать в качестве гальванического элемента?

Любой овощ или фрукт, содержащий достаточное количество сока с растворенными в нем кислотами или солями, может служить электролитом. Все перечисленные в задании объекты — банан, картофель, груша, помидор, огурец, луковица, яблоко — содержат клеточный сок, который является электролитом. Следовательно, все они способны работать в качестве гальванического элемента при погружении в них медного и железного (или цинкового) электродов.

Ответ: Все перечисленные овощи и фрукты (банан, картофель, груша, помидор, огурец, луковица, яблоко) способны работать в качестве гальванического элемента.

2. Какой из фруктов способствует возникновению большего напряжения между электродами?

Величина напряжения, создаваемого таким гальваническим элементом, зависит от нескольких факторов, в первую очередь от разности потенциалов используемых металлов и от концентрации ионов в электролите. При использовании одной и той же пары металлов (медь и скрепка), напряжение будет в основном определяться свойствами электролита — сока фрукта.

Ключевым фактором является концентрация ионов водорода ($H^{+}$), то есть кислотность сока. Чем выше кислотность (чем ниже показатель pH), тем выше концентрация ионов $H^{+}$, участвующих в реакции на катоде. Более высокая концентрация реагентов, согласно принципу Ле Шателье и уравнению Нернста, приводит к увеличению электродного потенциала катода и, как следствие, к увеличению общего напряжения элемента.

Сравним типичную кислотность (pH) перечисленных фруктов (помидор и огурец с ботанической точки зрения являются ягодами, то есть плодами):

• Яблоко: pH ≈ 3.3–4.0
• Груша: pH ≈ 3.6–4.0
• Помидор: pH ≈ 4.3–4.9
• Банан: pH ≈ 4.5–5.2
• Огурец: pH ≈ 5.1–5.7

Из сравнения видно, что наиболее кислыми из списка являются яблоко и груша. Следовательно, можно ожидать, что они будут создавать большее напряжение. Чаще всего в подобных экспериментах наибольшее напряжение среди перечисленных фруктов дает яблоко из-за высокой концентрации яблочной кислоты.

Для точного ответа необходимо провести эксперимент: последовательно в каждый фрукт воткнуть медную проволоку и скрепку на небольшом расстоянии друг от друга (не допуская их соприкосновения внутри), подключить к ним мультиметр в режиме измерения постоянного напряжения и зафиксировать показания. Фрукт, для которого мультиметр покажет наибольшее значение, и будет искомым.

Ответ: Наибольшее напряжение, скорее всего, будет создано при использовании самого кислого из перечисленных фруктов. Теоретически, это яблоко, так как оно обычно имеет более низкий pH (более высокую кислотность) по сравнению с бананом, грушей, помидором и огурцом.