Практическая работа 16. Изготовление и испытания химических источников тока

Оборудование. Мультиметр, чашка Петри, пинцет, одноразовые пипетки — 5 шт., пробирки — 5 шт., штатив для пробирок, шпатель, ступка с пестиком, светодиод красный и зелёный.

Реактивы. Твёрдые CuSO4, Na2SO4, ZnSO4, K2Cr2O7, NH4Cl, 5—10%-ный раствор H2SO4, древесный уголь, медная пластина примерно 3×3 см, цинковая пластина размером примерно 2×2 см, графитовая пластина размером примерно 2×2 см, фильтровальная бумага размером примерно 2,5×2,5 см, таблеточные батарейки.

Задача. 1. Сконструировать несколько химических источников тока.

2.Сравнить их важнейшие параметры.

3.Зажечь от одного из них светодиод.

I. Важнейшие свойства химических источников тока

Известные всем батарейки представляют собой химические источники тока. В первой части работы вы исследуете их свойства, чтобы понимать, с чем сравнивать источники, которые вы изготовите сами.

ЭДС («напряжение»). Возьмите батарейку, положите на ребро. Переключите мультиметр на измерение напряжения 0—20 В. Прижмите красный щуп к плюсу, а чёрный к минусу.

• Чему равно напряжение?

Электродвижущая сила, ЭДС (в просторечии — напряжение) — первый важнейший параметр любой батарейки. Её можно приблизительно подсчитать, используя таблицу редокс-потенциалов (см. табл. 9).

ЭДС химического источника тока определяет возможную силу тока через нагрузку. Кроме того, многие компоненты (светодиоды, светочувствительные матрицы и др.) начинают работать только при определённом напряжении, которое задаётся ЭДС источника тока.

Ток короткого замыкания. Переключите прибор в режим измерения токов до 200 мА. Прижмите красный щуп к плюсу, а чёрный к минусу.

• Чему равна сила тока в начальный момент? Как она изменяется со

временем?

Поскольку в этом опыте ток идёт напрямую от плюса к минусу, минуя всякую нагрузку, вы измерили ток короткого замыкания. Это второй важнейший параметр источника тока, поскольку это максимальная сила тока, которую может отдать источник. Любые электронные компоненты для работы требуют тока определённой силы. Ток короткого замыкания определяет, могут ли эти компоненты работать с данным источником тока.

206

Светодиод. У вас есть красный светодиод, который загорается при напряжении 1,5 В и потребляет ток около 20 мА. Загорится ли он от исследованной вами батарейки? Проверьте. Для этого длинную ножку светодиода подсоедините к положительному полюсу батарейки, а короткую — к отрицательному.

Когда вы будете конструировать источник тока и измерять его параметры, запишите, можно ли зажечь светодиод от этого источника. После этого проверьте ваше предположение.

II. Конструирование химических источников тока

1. Медно-цинковый источник. Приготовьте в пробирках по 1—2 мл насыщенного раствора сульфата меди CuSO4, сульфата цинка ZnSO4 и сульфата натрия Na2SO4. Реактивы отбирайте шпателем, шпатель каждый раз обтирайте бумажным полотенцем.

На дно чашки Петри положите пластинку меди (рис. 40). Возьмите пинцетом три куска фильтровальной бумаги, смочите их над стаканчиком для мусора раствором CuSO4. Положите их на пластинку (так, чтобы изпод них была видна медь). Таким же образом смочите три куска бумаги раствором сульфата натрия и положите их сверху. Далее сверху положите три куска бумаги, смоченных раствором сульфата цинка. И наконец, сверху положите пластину цинка. Измерьте напряжение и ток короткого замыкания между медной и цинковой пластинами. Внесите данные в отчётную таблицу. Можно ли зажечь светодиод от этого элемента? Проверьте.

В химическом источнике тока происходит окислительно-восстанови- тельная реакция, причём две полуреакции разнесены в пространстве, и электроны проходят через нагрузку. В медно-цинковом источнике тока (рис. 41) окисляется цинк:

Zn – 2e– = Zn2+

Рис. 40. Схема медно-цинкового гальванического элемента

207

Он является анодом. Выделяющиеся при этом электроны через внешнюю цепь передаются на катод, на котором происходит восстановление:

Cu2+ + 2e– = Cu

Чтобы уравновесить перемещающиеся электроны, от катода к аноду также перемещаются катионы. Для этого нужен ионный мостик — раствор

Na2SO4.

Чтобы приблизительно определить ЭДС этого источника, нужно из ре- докс-потенциала пары Cu2+/Cu (окислителя в источнике тока) вычесть ре- докс-потенциал пары Zn2+/Zn (окислителя, сопряжённого восстановителю в источнике тока). Эта разность составляет +0,345 – (–0,764) = 1,109 В.

Похоже ли это значение на полученное вами?

•Что будет, если заменить медь на инертный токопроводящий материал, например графит?

•Что будет, если заменить цинк на графит?

•Какой раствор можно убрать из источника без особых последствий?

2. Упрощённый медно-цинковый источник. Повторите предыдущий

опыт, заменив медь графитовой пластиной и не используя бумагу с раствором сульфата цинка. Измерьте напряжение и ток короткого замыкания.

Снимите всё с графита. Бумагу выбросьте в мусорный стаканчик.

• Что наблюдается на поверхности графита?

Разберите источник. Пластины промойте водой над стаканчиком для мусора (брать пинцетом), бумагу выбросьте в него же.

Рис. 41. Схема медно-цинкового источника тока

208

Химические источники тока обозначают упрощёнными схемами. Вот обозначение медно-цинкового источника 1:

Cu|Cu2+||Zn2+|Zn

Вертикальной чертой обозначают границу раздела фаз, двойной вертикальной чертой — ионный мостик. В качестве противоионов к катионам чаще всего берут сульфат-ионы, к анионам — ионы K+ или Na+.

• Нарисуйте схему упрощённого медно-цинкового источника из этого

опыта. Графит обозначьте символом углерода С.

3. Элемент Лекланше. Элемент Лекланше — один из наиболее распространённых химических источников тока. Его схема:

C|MnO2||Zn

В качестве ионного мостика используется хлорид аммония NH4Cl. Укажите в этом источнике окислитель и восстановитель. Подсчитайте

ЭДС этого элемента, приняв, что окислитель восстанавливается до Mn2+. Приготовьте в пробирке насыщенный раствор хлорида аммония NH4Cl (3—4 см по высоте). Перетрите в ступке немного оксида марганца(IV) MnO2 с равным объёмом древесного угля. Добавьте немного раствора NH4Cl и перетрите в густую кашицу. Шпателем нанесите полученную кашицу на графитовую пластину. Сверху положите фильтровальную бумагу, смоченную раствором хлорида аммония. На неё насыпьте порошок цинка и прикройте сверху цинковой пластиной. Измерьте напряжение и ток короткого замыкания между графитом и цинком. Попробуйте зажечь свето-

диоды.

Разберите источник. Пластины промойте водой над стаканчиком для мусора (брать пинцетом), бумагу выбросьте в него же.

4. Хроматно-цинковый источник. Сконструируйте источник по схеме

С|(K2Cr2O7 + H2SO4)||Zn

Укажите в этом источнике окислитель и восстановитель. Посчитайте его ЭДС.

Дихромат калия K2Cr2O7 растворите в 10%-ной серной кислоте H2SO4. Графитовую пластину положите вниз, чистой стороной вверх. В качестве ионного мостика используйте насыщенный раствор сульфата натрия Na2SO4. Измерьте его напряжение и ток короткого замыкания. Можно ли зажечь от него светодиод? Проверьте.

5. В качестве отчёта о работе заполните сводную таблицу, в которую занесите результаты исследования свойств сконструированных вами источников тока.

209

Напряжение, В

Ток короткого замыкания, мА

Горит ли светодиод

Японимаю как устроены и как работают химические источники тока

Яумею определять важнейшие параметры химических источников тока

210