Номер 2, страница 48, часть 2 - гдз по физике 8 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 2. Глава 5. Электрический ток. Параграф 58. Лабораторные и исследовательские работы. Темы исследовательских и проектных работ - номер 2, страница 48.

Условие.

• Прошлое и будущее гальванических элементов.

Решение.

Прошлое гальванических элементов

История гальванических элементов, или химических источников тока, начинается в конце XVIII века с экспериментов итальянского ученого Луиджи Гальвани. В 1780-х годах он обнаружил, что мышцы препарированной лягушки сокращаются при контакте с двумя разными металлами. Гальвани ошибочно назвал это явление «животным электричеством», полагая, что источником тока являются сами ткани.

Его соотечественник Алессандро Вольта усомнился в этой теории и в 1800 году доказал, что электрический ток возникает из-за химической реакции между двумя разнородными металлами, соединенными через электролит. Он создал первый в мире гальванический элемент — «Вольтов столб». Он состоял из набора дисков из меди и цинка, разделенных тканью, смоченной в солевом растворе или кислоте. Это изобретение впервые позволило получать постоянный электрический ток и дало толчок развитию электротехники.

В XIX веке происходило активное усовершенствование гальванических элементов:

• Элемент Даниэля (1836 г.). Английский химик Джон Фредерик Даниэль создал элемент, который решал главную проблему Вольтова столба — быструю поляризацию (накопление пузырьков водорода на медном электроде, что останавливало реакцию). Элемент Даниэля состоял из двух электролитов (растворы сульфата меди и сульфата цинка), разделенных пористой перегородкой. Это обеспечивало стабильное и долговременное напряжение. Реакции в элементе:

  • На аноде (цинк): $Zn - 2e^- \rightarrow Zn^{2+}$

  • На катоде (медь): $Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu$

• Элемент Лекланше (1866 г.). Французский инженер Жорж Лекланше разработал прототип современных солевых батареек. Он использовал цинковый стаканчик в качестве анода, угольный стержень с диоксидом марганца ($MnO_2$ — деполяризатор) в качестве катода и раствор хлорида аммония ($NH_4Cl$) как электролит.

• Сухой элемент (1886 г.). Немецкий изобретатель Карл Гасснер усовершенствовал элемент Лекланше, заменив жидкий электролит на пастообразную смесь. Это сделало батарейки герметичными, безопасными и портативными, что открыло дорогу для их массового использования в фонариках, радиоприемниках и других устройствах.

Важнейшим этапом стало изобретение аккумуляторов — перезаряжаемых гальванических элементов. В 1859 году Гастон Планте создал первый свинцово-кислотный аккумулятор, который и сегодня является основой автомобильных аккумуляторов. В XX веке появились никель-кадмиевые (Ni-Cd) и никель-металлгидридные (Ni-MH) аккумуляторы.

Настоящая революция произошла в конце XX века с созданием литий-ионных (Li-ion) аккумуляторов, которые были коммерциализированы компанией Sony в 1991 году. Благодаря высокой удельной энергоемкости, малому весу и отсутствию «эффекта памяти» они стали стандартом для всей портативной электроники: от мобильных телефонов до ноутбуков.

Ответ: Прошлое гальванических элементов — это эволюция от первых громоздких лабораторных прототипов к компактным, безопасным и мощным источникам питания, таким как литий-ионные аккумуляторы, которые коренным образом изменили технологии и быт человека.

Будущее гальванических элементов

Будущее гальванических элементов направлено на решение ключевых задач современной энергетики и технологий: увеличение плотности энергии, повышение безопасности, ускорение зарядки, увеличение срока службы и снижение стоимости, особенно с использованием более распространенных материалов.

Основные направления исследований и разработок:

• Совершенствование литий-ионных (Li-ion) технологий. Несмотря на появление новых концепций, потенциал Li-ion батарей еще не исчерпан. Ведутся работы по созданию новых материалов для электродов, например, анодов на основе кремния (которые могут хранить в 10 раз больше лития, чем графит) и катодов с высоким содержанием никеля (NMC, NCA) для повышения энергоемкости.

• Твердотельные аккумуляторы (Solid-State Batteries). Это одно из самых перспективных направлений. В них жидкий органический электролит заменен на твердый (керамический или полимерный). Это решает главную проблему Li-ion батарей — горючесть и риск возгорания. Твердотельные аккумуляторы потенциально обладают более высокой плотностью энергии и долговечностью.

• Натрий-ионные (Na-ion) аккумуляторы. Натрий химически похож на литий, но встречается в земной коре в сотни раз чаще и значительно дешевле. Na-ion аккумуляторы уступают литий-ионным по плотности энергии, но являются идеальным решением для стационарных систем хранения энергии (например, для сглаживания пиков нагрузки в электросетях и накопления энергии от солнечных и ветровых электростанций).

• Литий-серные (Li-S) и литий-воздушные (Li-Air) аккумуляторы. Это технологии с чрезвычайно высокой теоретической плотностью энергии. В Li-S батареях используется дешевая и распространенная сера. В Li-Air батареях в качестве окислителя выступает кислород из воздуха. Однако обе технологии сталкиваются с серьезными техническими проблемами, такими как быстрая деградация электродов и низкая стабильность, что пока мешает их коммерциализации.

• Проточные редокс-батареи (Flow Batteries). В этих системах энергия хранится не в электродах, а в жидких электролитах, которые находятся во внешних резервуарах и прокачиваются через электрохимическую ячейку. Их главное преимущество — легкая масштабируемость: для увеличения емкости достаточно увеличить объем резервуаров. Они идеально подходят для крупномасштабного хранения энергии на уровне электростанций.

• Био-батареи. Экзотическое, но перспективное направление, где для генерации электричества используются биологические катализаторы (ферменты) и органическое "топливо" (например, глюкоза). Такие источники питания могут найти применение в миниатюрных устройствах и биосовместимой медицинской технике, например, в кардиостимуляторах или сенсорах, работающих внутри человеческого тела.

Ответ: Будущее гальванических элементов лежит в создании более безопасных, емких, долговечных и дешевых систем хранения энергии, таких как твердотельные, натрий-ионные и проточные аккумуляторы, которые станут ключевым элементом для развития электротранспорта, возобновляемой энергетики и нового поколения электронных устройств.