Задача 8 (Древняя батарейка) КАУСТИК

  • By :
  • Category : Без рубрики



Слайд 1

Здравствуйте, уважаемые участники химического турнира и члены жюри! Команда «Каустик» представляет решение задачи № 8 «Древняя батарейка»

 

Слайд 2

Суть задачи состоит в том, чтобы объяснить, как и зачем могла применяться так называемая «багдадская батарейка»

 

Слайд 3

На слайде вы видите цель и задачи, решение которых мы предполагаем вашему вниманию.

 

Слайд 4

Итак, задача №1: Выяснить, что такое гальванический элемент, и какие процессы происходят в нем.

Любое устройство, в котором происходит превращение энергии химической окислительно-восстановительной реакции в электрическую энергию, называется гальваническим элементом.

Он состоит из двух электродов – металлов, погруженных в растворы электролитов. Электролиты обычно сообщаются друг с другом через пористую перегородку. Электрод, на котором происходит окисление, называется анодом (А+); электрод, на котором осуществляется восстановление, – катод (К-).

 

Слайд 5

Задача № 2: Описать найденный в 1936 году около Багдада артефакт и объяснить, зачем он нужен

Немецкий археолог Вильгельм Кёниг так описывает объект, найденный при раскопках на берегу Тигра:

Предмет представлял собой глиняный кувшин, в котором находился медный стакан с донышком, залитым асфальтом. Верхняя часть стакана, как и горлышко кувшина, запечатана асфальтовой пробкой, и в нее был вставлен сильно проржавевший железный стержень, выступавший наружу на полтора сантиметра.

Слайд 6

Кёниг предположил, что это прибор для ремонта ювелирных украшений и предложил схему работы такого гальванического элемента. В сосуд наливают электролит, а сам сосуд ставят в таз с другим электролитом и в этот таз опускают провод от торчащего электрода. Вторая клемма не нужна: ионы электролита проходят через стенку глиняного сосуда и обеспечивают заряд медного электрода. Заряженный сосуд можно держать в руках, не опасаясь удара током.

Энтузиасты не раз и не два собирали подобное устройство, наливали в него растворы солей и кислот, соки. Они выяснили, что разность потенциалов может достигать 4 В, — если собрать батарею таких сосудов, можно даже попытаться нанести золотое покрытие на статуэтку.

 

Слайд 7

Еще одна гипотеза, объясняющая назначение древней батарейки выдвинута нашим современником С.М. Комаровым.

По мнению Комарова, Багдадская батарейка работает не как элемент тока, а как портативный источник света – светоизлучающий конденсатор. Светоизлучающий конденсатор состоит из двух обкладок-электродов, между которыми находится диэлектрический слой из электролюминофора. При зарядке между железным стержнем и медным стаканом формируется разность потенциалов. А что же светится? Асфальтовая пробка. Если она сделана из материала со слабой проводимостью, через нее будет течь ток, разряжающий конденсатор. Смешав битум с углем, можно получить электропроводный композит, а добавив туда порошковый электролюминофор (сульфид цинка или карбид кремния) — как сказали бы сейчас, квантовые точки, — добиться свечения. Тогда становится ясно, зачем в Керченской батарейке стакан заполнен какой-то смолой, а в цилиндрах из Селевкии и Ктесифона присутствует папирус — это диэлектрический наполнитель медного цилиндра; он нужен для того, чтобы светящийся асфальт лег тонким слоем. А зачем нужен глиняный сосуд? Это защитный кожух, а также полупроницаемая мембрана, необходимая для зарядки конденсатора. Заряженный сосуд можно держать в руках, не опасаясь удара током. Сколько света даст такой источник, неясно, но какой-то свет получится. И этот чудесный «холодный огонь» можно использовать для ритуальных целей, убеждать простолюдинов, что жрецы обладают тайным знанием.

 

Слайд 8-9-10 (в зависимости от количества слайдов с о спектрами)

Задача № 3 Выяснить, какие еще гальванические элементы могли быть созданы людьми того времени

В 1984 году при раскопках в Керчи был найден похожий предмет неизвестного назначения — так называемая Керченская батарейка. Находка состояла из металлического стержня длиной 7 см, диаметром — 4 мм, крышки и корпуса, в котором содержался материал черного цвета, похожий на битум. Как, оказалось, что черное вещество, заполняющее медный цилиндр на 23 мм, — не асфальт, не битум, а какая-то камедь, то есть загустевший смолистый сок дерева: на спектре отсутствуют линии, характерные для поликонденсированных ароматических соединений, которые служат основой битума.

 

Слайд 9-10 (в зависимости от количества слайдов с о спектрами)

Исследователи нашли на этой батарейке признаки электрической активности, когда проанализировали химический состав медного и свинцового цилиндров. Результаты анализа не удивили: медь давала линии меди, свинец — свинца (рис. 4). Присутствовали еще линии кислорода, углерода, кремния, серы, алюминия, кальция — что тоже понятно, поскольку предмет извлекали из грунта, содержащего эти элементы. А вот на поверхностях обоих цилиндров удалось найти нечто необычное: на меди был замечен свинец, а на свинце — медь (рис. 5). Кроме того, медь обнаружилась и в составе камеди. Эти металлы могли переместиться с помощью электротока. Кроме того, на поверхности меди имеется магний, отсутствующий в самом металле. Магний мог бы взяться из электролита, если в его качестве использовали морскую воду.

 

Несмотря на следы электрической активности на керченской батарейке, мне ближе гипотеза Комарова, что эти артефакты использовались как конденсаторы для получения небольшого свечения при проведении шаманских ритуалов..

 

Слайд 10(11)

Задача № 4 Рассчитать удельную энергоемкость гальванического элемента из расчета ватт-часов на килограмм массы гальванического элемента

Гальванические элементы являются источниками электрической энергии одноразового действия. Реагенты (окислитель и восстановитель) входят непосредственно в состав гальванического элемента и расходуются в процессе его работы. Гальванический элемент характеризуется ЭДС, напряжением, мощностью, емкостью и энергией, отдаваемой во внешнюю цепь, а также сохраняемостью и экологической безопасностью.

 

Слайд 11

Решение:

ЭДС определяется природой протекающих в гальваническом элементе процессов.

 

1. Предполагаемый в «багдадской батарейке» гальванический элемент состоит из железного анода и медного катода, т.к. медь обладает большим потенциалом, чем железо.

2. Мы не знаем, какие электролиты использовали в древности (это мог быть фруктовый сок, морская вода, уксусная кислота) и не знаем концентрацию ионов железа и меди в электролите, поэтому примем ее равной 0,1 моль/л

 

Схема гальванического элемента и электродные реакции:

анод ( — ) Fe | Fe2+ (0,1 М) || Cu2+ (0,1 М) | Cu ( + ) катод 

Анодная реакция: Fe = Fe2+ + 2e

Катодная реакция: Cu2+ + 2e = Cu

Суммарная реакция: Fe + Cu2+ = Cu + Fe2+

Для расчета ЭДС необходимо рассчитать потенциалы катода и анода по уравнению Нернста

E = E0Me + (R • T / z • F) • ln [Mez+] = E0Me + (0,059 / z) • lg [Mez+], 

где E0Me – стандартный потенциал металла, В 

R – универсальная газовая постоянная, Дж/моль•К 

T – температура, К 

z – число электронов, принимающих участие в электродной реакции 

F – число Фарадея, Кл/моль 

Mez+ – концентрация катионов металла, моль/л 

ЭДС = Екатода Еанода. 

 

Екатода = 0,34 + (8,31 • 298 / 2 • 96500) • ln [0,1] = 0,34 + (0,059 / 2) • lg [0,1] = 0,31 В

Еанода = -0,44 + (8,31 • 298 / 2 • 96500) • ln [0,1] = -0,44 + (0,059 / 2) • lg [0,1] = -0,41 В 

ЭДС = 0,72 В 

Слайд 12

Т.к. у нас отсутствуют данные о сопротивлении, площади поперечного сечения электродов, температуре эксплуатации гальванического элемента, то точно рассчитать удельную энергоемкость багдадской батарейки не представляется возможным. Поэтому воспользуемся соотношением.

Если напряжение на клеммах аккумулятора равно 1 вольту и протекает заряд, равный 1 ампер-час, то мы получаем, что аккумулятор отдал 1В•1А•ч = 1 Вт•ч энергии, т.е.

1В пропорционален 1 Вт•ч энергии, следовательно

0,72 В пропорциональны 0,72 Вт•ч; а в пересчете на 1 кг массы электролита получится

0,72 Вт•ч/1 кг.

 

Слайд 13

Доклад окончен. Спасибо за внимание

Слайд 14

Напряжение гальванического элемента U всегда меньше его ЭДС в силу поляризации электродов и потерь сопротивления:

U = Eэ – I(r1–r2) – ΔE,

где Еэ – ЭДС элемента; I – сила тока в режиме работы элемента;

r1 и r2 – сопротивление проводников I и II рода внутри гальванического элемента;

ΔЕ – поляризация гальванического элемента, складывающаяся из поляризаций его электродов (анода и катода).

Поляризация возрастает с увеличением плотности тока (i), определяемой по формуле

i = I/S, где S – площадь поперечного сечения электрода, и ростом сопротивления системы. В процессе работы гальванического элемента его ЭДС и, соответственно, напряжение постепенно снижаются в связи с уменьшением концентрации реагентов и увеличением концентрации продуктов окислительно-восстановительных процессов на электродах (вспомним уравнение Нернста). Однако чем медленнее снижается напряжение при разряде гальванического элемента, тем больше возможностей его применения на практике.

 

Слайд 15

Емкостью элемента называют общее количество электричества Q, которое гальванический элемент способен отдать в процессе работы (при разрядке). Емкость определяется массой запасенных в гальваническом элементе реагентов и степенью их превращения. При увеличении тока разряда и снижении температуры работы элемента, особенно ниже 00С, степень превращения реагентов и емкость элемента снижаются.

 

Энергия гальванического элемента равна произведению его емкости на напряжение: ΔН = Q.U. Наибольшей энергией обладают элементы с большим значением ЭДС, малой массой и высокой степенью превращения реагентов.

 

.

 




Комментариев нет

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

заявление с фотографией (1)

Директору МОУ «СОШ «ТЦО» Н. Г. Никандровой от                , (ф. и. о. законного представителя / опекуна) проживающей(го) по адресу:                                    заявление.    Прошу разрешить моей(му) дочери (сыну)                                         , ученице(ку)           класса, после занятий уходить домой самостоятельно без сопровождения. С правилами дорожного движения и личной безопасности ребенок ознакомлен. Безопасный маршрут до …

заявление РВП м

Приложение № 3к Административному регламенту предоставленияМинистерством внутренних дел государственной услугипо выдаче иностранным гражданам и лицам без гражданстваразрешения на временное проживание в Российской Федерации   ЗАЯВЛЕНИЕО ВЫДАЧЕ РАЗРЕШЕНИЯ НА ВРЕМЕННОЕ ПРОЖИВАНИЕ 11   УМВ ГУ МВД России по Воронежской области (наименование территориального органа Министерства внутренних дел Российской Федерации ) Регистрационный номер …

Заявление председ правл_А80 о предоставлении документов в ДГИ

  Председателю правления Автостоянки № 80 МГСА, расположенной по адресу: г. Москва, ул. Красной Сосны, проектируемый проезд 3453,   С.Б.Горшкову   От владельца гаражного бокса №_________ _______________________________________ (Ф.И.О.) Конт. тел. 8- ___________________________       З А Я В Л Е Н И Е   В целях подачи заявления-запроса в …