Электрический ток из газировки

В данной работе представлены результаты исследований электролитических (электрохимических) свойств различных растворов. Были изучены принципы работы химического источника электрического тока (гальванического элемента). Выполнялась задача вовлечения студентов СПО в научно-проектную деятельность: планирование и организация научных экспериментов, обработка и оформление результатов проведенных исследований.

Ключевые слова: гальванический элемент, электролит, кислота, основание, щелочь, соль, металл, окислитель, восстановитель, ионы, катионы, анионы, электроды, энергетические ячейки, разнополюсные пластины, токовые шины, катод, анод, электродвижущая сила, ЭДС.

Гальванический элемент — химический источник электрического тока, основанный на взаимодействии двух металлов (и/или их оксидов) в электролите. В результате взаимодействия в замкнутой проводящей цепи возникает электрический ток.

Электролит — вещество, раствор которого проводит электрический ток вследствие диссоциации (распада) на ионы разного знака (катионы и анионы), Электролитами являются кислоты, соли, основания (щелочи).

Основу химических источников тока составляют контактирующие с электролитом два электрода:

– положительно заряженный катод, содержащий окислитель;

– отрицательно заряженный анод, содержащий восстановитель). При протекании окислительно-восстановительной реакции между электродами устанавливается разность потенциалов (электродвижущая сила). При работе химического источника протекают пространственно-разделённые процессы: на отрицательном аноде восстановитель окисляется, образующиеся при этом свободные электроны переходят по внешней цепи к положительному катоду (создавая электрический ток), где участвуют в реакции восстановления окислителя.

В современных химических источниках тока используются в качестве:

– восстановителя (материал анода) — свинец (Pb), кадмий (Cd), цинк (Zn) и другие металлы;

– окислителя (материал катода) — оксид свинца (IV) (PbO ₂ ), гидроксооксид никеля (NiOOH), оксид марганца(IV) MnO ₂ ) и другие;

Методы

Приборы и инструменты (рис. 1): мультиметр — DT832; растворы электролитов (газированные напитки, водопроводная вода, раствор лимонной кислоты, раствор поваренной соли, раствор пищевой соды), пластиковый сосуд из 4-х ячеек, набор медных и цинковых пластин, набор электрических проводов с контактами типа «крокодил» и «кнопка».

Рис. 1. Общий вид экспериментального оборудования

Размеры одной электролитической ячейки — 4.5×4.5×4.7 см ³ , что соответствует объему V ≈100 мл. Ширина медных и цинковых пластин — 1 см. При заполнении ячейки электролитом площадь, погруженной части пластин составляла приблизительно 4.5 см ² .

Зависимость ЭДС и силы тока короткого замыкания от числа подключенных ячеек

В данной серии измерений производились измерения ЭДС (рис. 2) и силы тока короткого замыкания при последовательном подключении 1-ой, 2-х, 3-х и 4-х электролитических ячеек. Мультиметр использовался в режиме вольтметра (V) и амперметра (А), соответственно.

Фотографии серии измерений ЭДС представлены на рис. 3. В представленном случае в качестве электролита использовался раствор лимонной кислоты (соотношение объемов кристаллической лимонной кислоты и воды составляло приблизительно 1/15). Переключатель мультиметра находился в поле для измерений постоянного напряжения. При подключении одной секции (электролитической ячейки) показания 969 мВ, двух — 1928 мВ, трех — 2,88 В, четырех — 3,83 В.

Таким образом, эксперимент показал, что каждая секция «вырабатывает» ЭДС порядка ε ≈960 мВ и при их последовательном соединении ЭДС получаемой батареи принимает значения ε, 2 ε, 3 ε и 4 ε , соответственно (рис. 2).

Рис. 3. Фотографии эксперимента по измерению ЭДС (лимонная кислота)

Измерения силы тока короткого замыкания в этом случае показали, что она не зависит от числа включенных в цепь ячеек и равна приблизительно 3 мА (рис. 4). Переключатель мультиметра находился поле для измерения силы постоянного тока.

Рис. 4. Измерение силы тока (лимонная кислота)

Независимость силы тока от числа n подключенных ячеек можно объяснить следующим образом. Если ЭДС одной ячейки ε , а ее внутреннее сопротивление r , то при их последовательном соединении суммарно получаем nε и nr . Соответственно, согласно закона Ома, сила тока

то есть не зависит от числа ячеек, включенных в цепь.

Мощность же батареи будет пропорциональна числу соединенных ячеек:

В рассмотренном случае при четырех соединенных ячейках мощность будет равна . Внутреннее сопротивление одной ячейки — .

Полученной мощности достаточно, чтобы «заработал», например, светодиод (рис. 5).

Рис. 5. «Работа» светодиода

Кроме того, эксперимент показал, что медная пластина (слева, красный провод) является положительным полюсом электрохимического источника тока, а цинковая (справа, черный провод) — отрицательным.

Сравнение характеристик электрического тока для разных электролитов

Эксперименты проводились с разными электролитами (жидкостями и растворами). Это были газированные напитки: (рис. 1) «Ах!», «Ситро», «Coca Cola», «Добрый кола», «Эвервесс». Растворы: лимонной кислоты, пищевых соли и соды. И даже простая водопроводная вода.

Во всех экспериментах (при одинаковом числе включенных ячеек) значения ЭДС составляло приблизительно одинаковую величину. Для одной ячейки это было около 1 В (даже для простой водопроводной воды). Это говорит о том, что «вырабатываемое» ЭДС (работа по переносу единичного электрического заряда) зависит не столько от используемого электролита, сколько, вероятно, от «геометрии» ячейки, размеров электродов и вещества, из которого они изготовлены. В данной работе таких исследований не проводилось.

Что касается наличия ЭДС при использовании обычной водопроводной воды, то она не дистиллированная, а, конечно, обладает некоторой минерализацией. То есть в ней растворены соли и, соответственно, носители электрического заряда присутствуют.

А вот сила тока при использовании различных электролитов порой существенно отличалась (см. табл. 1)

Таблица 1

Результаты измерения силы тока

Из таблицы 1 можно видеть:

1. Газированные напитки «дают» приблизительно одинаковую силу тока, что говорит об их приблизительно одинаковом («с электрической точки зрения») составе.
2. Для раствора соли и чистой водопроводной воды сила тока одинакова. Это, вероятно, говорит о том, что ионы натрия и хлора не участвуют (или их вклад не является определяющим) в электрохимических взаимодействиях с цинком и медью (из которых изготовлены электроды).
3. Наибольшие значения силы тока дают растворы лимонной кислоты (кислота) и соды (щелочь, основание).

В ходе выполнения данной работы один из авторов (студент) научился:

1. планировать, организовывать и выполнять физический эксперименты;
2. проводить электрические измерения с помощью мультиметра;
3. оформлять результаты научной работы в виде научной статьи.

По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы.

1. Газированные напитки распространенных торговых марок обладают приблизительно одинаковой кислотностью.
2. Наличие даже небольшой минерализации приводит к появлению ЭДС (вода).
3. Лимонная кислота является более активным электролитом, в сравнении с пищевой содой, при использовании медного и цинкового электродов.

Для подтверждения приведенных выше вероятностных суждений необходимы дополнительные исследования.