Zapalte žárovku... citronem!

Složitost:

Nebezpečí:

Udělejte si tento experiment doma

Bezpečnost

Před zahájením experimentu si nasaďte ochranné rukavice a brýle.

Proveďte experiment na podnosu.

Obecná bezpečnostní pravidla

• Nedovolte, aby se chemikálie dostaly do kontaktu s očima nebo ústy.
• Udržujte lidi mimo místo experimentu bez ochranných brýlí, stejně jako malé děti a zvířata.
• Uchovávejte experimentální sadu mimo dosah dětí mladších 12 let.
• Po použití umyjte nebo vyčistěte veškeré vybavení a příslušenství.
• Zajistěte, aby byly všechny nádoby s reagenciemi po použití těsně uzavřeny a řádně uloženy.
• Ujistěte se, že všechny jednorázové nádoby jsou zlikvidovány správně.
• Používejte pouze vybavení a činidla dodaná v sadě nebo doporučená aktuálními pokyny.
• Pokud jste k pokusům použili nádobu na jídlo nebo skleněné nádobí, okamžitě je vyhoďte. Nejsou již vhodné pro skladování potravin.

Informace o první pomoci

• Pokud se vám činidla dostanou do očí, důkladně je vypláchněte vodou a v případě potřeby mějte oči otevřené. Okamžitě kontaktujte svého lékaře.
• Při požití vypláchněte ústa vodou a vypijte trochu čisté vody. Nevyvolávejte zvracení. Okamžitě kontaktujte svého lékaře.
• Pokud dojde k vdechnutí činidel, přeneste postiženého na čerstvý vzduch.
• V případě kontaktu s pokožkou nebo popálenin oplachujte postižené místo velkým množstvím vody po dobu 10 minut nebo déle.
• V případě pochybností se ihned poraďte s lékařem. Vezměte s sebou chemické činidlo a jeho nádobu.
• V případě poranění vždy vyhledejte lékařskou pomoc.

• Nesprávné použití chemikálií může způsobit zranění a poškození zdraví. Provádějte pouze pokusy uvedené v návodu.
• Tato sada zážitků je určena pouze pro děti od 12 let.
• Schopnosti dětí se výrazně liší i v rámci věkových skupin. Proto by rodiče provádějící experimenty se svými dětmi měli podle vlastního uvážení rozhodnout, které experimenty jsou pro jejich děti vhodné a bezpečné.
• Rodiče by měli s dítětem nebo dětmi před experimentováním probrat bezpečnostní pravidla. Zvláštní pozornost je třeba věnovat bezpečnému zacházení s kyselinami, louhy a hořlavými kapalinami.
• Před zahájením experimentů vyčistěte místo experimentu od předmětů, které by vám mohly překážet. Vyhněte se skladování potravin v blízkosti testovacího místa. Testovací prostor by měl být dobře větraný a blízko kohoutku nebo jiného zdroje vody. K provádění experimentů budete potřebovat stabilní stůl.
• Látky v jednorázových obalech je nutné po jednom pokusu zcela spotřebovat nebo zlikvidovat, tzn. po otevření obalu.

FAQ

LED nesvítí. Co dělat?

Nejprve se ujistěte, že se plátky citronu navzájem nedotýkají.

Za druhé zkontrolujte kvalitu spojení mezi krokosvorkami a kovovými deskami.

Za třetí se ujistěte, že je LED správně připojena: černý krokodýl je připojen ke krátké „nohě“, červený k dlouhé. V tomto případě by se krokodýli neměli dotýkat druhé „nohy“, jinak se okruh uzavře!

Šťáva poblíž hořčíkové desky zasyčí. Tohle je fajn?

Vše je v pořádku. Hořčík je reaktivní kov a reaguje s kyselinou citrónovou za vzniku citrátu hořečnatého a uvolňování vodíku.

Jiné experimenty

Návod krok za krokem

1. Vezměte 2 hořčíkové destičky z nádoby označené „Mg“.
2. Připravte si 2 krokosvorky: 1 černou a 1 bílou. Připojte hořčíkové destičky k černým a bílým krokodýlům.
3. Vezměte 2 měděné destičky z nádoby označené "Cu".
4. Připojte měděný pásek k volnému konci bílého krokodýla. Připojte měděnou desku k červenému krokodýlovi.
5. Citron nakrájejte na polovinu. Vložte měděné a hořčíkové proužky do jedné poloviny citronu v krátké vzdálenosti od sebe (asi 1 cm). Opakujte se zbývajícími dvěma plátky, použijte druhou polovinu citronu. Ujistěte se, že se desky nedotýkají.
6. Vezměte LED. Připojte volný konec červeného krokodýla k dlouhé noze LED. Připojte volný konec černého krokodýla ke krátké noze LED. LED se rozsvítí!

Likvidace

Pevný odpad z experimentu zlikvidujte společně s domovním odpadem. Roztoky vypusťte do dřezu a poté důkladně opláchněte vodou.

Co se stalo

Proč dioda začne svítit?

Za experimentálních podmínek dochází k chemické reakci: elektrony z hořčíku Mg se přenášejí na měď Cu. Tento pohyb elektronů je elektrický proud. Při průchodu LED diodou se rozsvítí. Instalace sestavená v tomto experimentu tedy funguje jako baterie - chemický zdroj proudu.

Chcete-li se dozvědět více

Účastníci tohoto experimentu – měď Cu a hořčík Mg – jsou si velmi podobní. Oba jsou kovy. To znamená, že jsou docela tvárné, lesklé a dobře vedou elektrický proud a teplo. Všechny tyto vlastnosti jsou důsledky vnitřní struktury kovů. Lze si to představit jako kladné ionty uspořádané v určitém pořadí, které jsou drženy pohromadě pomocí elektronů společných celému kusu kovu. Právě díky této společné vlastnosti mohou elektrony „procházet“ celým objemem kovu.

Navzdory společným motivům ve struktuře se měď a hořčík navzájem liší. Celková „sada“ elektronů je držena v kousku mědi silněji než v případě hořčíku. Čistě teoreticky si tedy můžeme představit proces, při kterém elektrony z hořčíku „uniknou“ do mědi. To však povede ke zvýšení nábojů: kladných u hořčíku a záporných u mědi. To nemůže trvat dlouho: kvůli vzájemnému odpuzování bude nerentabilní, aby se záporně nabité elektrony pohybovaly dále do mědi. Náboj se tak shromažďuje na kontaktním povrchu dvou různých kovů.

Je zajímavé, že míra přenosu elektronů z jednoho kovu na druhý závisí na teplotě. Toto zapojení se používá v elektronických zařízeních, která měří teplotu. Nejjednodušší takové zařízení, které tento efekt využívá, je termočlánek. Použití termočlánků je nyní velmi rozšířené a tvoří základ elektronických teploměrů.

Vraťme se k naší zkušenosti. Aby elektrony neustále přecházely z hořčíku na měď a aby se proces stal nevratným, je nutné odstranit kladný náboj z hořčíku a záporný náboj z mědi. Zde přichází na řadu citron. Je důležité, jaké prostředí vytváří pro měděné a hořčíkové pláty, které jsou do něj zapíchnuté. Každý ví, že citron má kyselou chuť hlavně díky kyselině citronové, kterou obsahuje. Přirozeně je v něm i voda. Roztok kyseliny citrónové je schopen vést elektřinu: když se disociuje, objeví se kladně nabité vodíkové ionty H + a záporně nabitý zbytek kyseliny citrónové. Toto prostředí je ideální pro odstranění kladného náboje z hořčíku a záporného náboje z mědi. První proces je poměrně jednoduchý: kladně nabité hořčíkové ionty Mg 2+ přecházejí z povrchu hořčíkové desky do roztoku (citronová šťáva):

Mg 0 – 2e - → Mg 2+ roztok

Druhý proces probíhá na měděné desce. Protože akumuluje záporný náboj, přitahuje vodíkové ionty H+. Jsou schopny odebírat elektrony z měděné desky a přeměňovat se nejprve na atomy H a poté téměř okamžitě na molekuly H2, které odlétají:

2H++ 2e- -> H2

Proč si nevystačíme s jedním párem mědi a hořčíku?

Nejbližší obdobou systému „měděný talíř – citron – hořčíkový talíř“ je obyčejná AA baterie. Funguje na stejném principu: chemické reakce probíhající uvnitř vedou ke vzniku proudu elektronů, tedy elektřiny. Pravděpodobně jste si všimli, že v některých zařízeních jsou AA baterie uspořádány v řadě (to znamená, že záporný pól jednoho je v kontaktu s kladným pólem druhého). Častěji to nedělají přímo, ale prostřednictvím drátů nebo malých kovových desek. Podstata ale zůstává stejná – to je nutné pro zvýšení síly, která na elektrony působí, a tedy pro zvýšení proudu.

Stejně tak je měděná deska v jednom kusu citronu spojena s hořčíkovou deskou druhého. Pokud připojíte diodu pouze s jedním párem měď-hořčík, nezačne svítit, ale použití dvou párů vede k požadovanému výsledku.

Chcete-li se dozvědět více

K popisu síly, která způsobuje pohyb nábojů, to znamená, že vede k výrobě elektřiny, se používá pojem Napětí. Každá baterie například udává hodnotu napětí, kterou může vytvořit v zařízení nebo vodiči, který je k ní připojen.

Napětí vytvořené jedním párem hořčík-měď pro tento experiment nestačí, ale dva páry již stačí.

Proč používáme měď a hořčík? Je možné vzít nějaký jiný pár kovů?

Všechny kovy mají různé schopnosti držet elektrony. To vám umožňuje uspořádat je do tzv elektrochemická řada. Kovy, které jsou v této řadě vlevo, drží elektrony hůře a ty, které jsou vpravo, drží elektrony lépe. Podle našich zkušeností vzniká elektrický proud právě kvůli rozdílu mezi mědí a hořčíkem v jejich schopnosti držet elektrony. V elektrochemické řadě je měď výrazně vpravo od hořčíku.

Klidně můžeme vzít dva další kovy – je jen nutné, aby byl dostatečný rozdíl mezi jejich touhou zadržet elektrony. Například v tomto experimentu lze místo mědi použít stříbro Ag a místo hořčíku zinek Zn.

My jsme však zvolili hořčík a měď. Proč?

Za prvé, jsou velmi dostupné, na rozdíl od stříbra. Za druhé, hořčík je kov, který současně kombinuje dostatečnou aktivitu a stabilitu. Stejně jako alkalické kovy - sodík Na, draslík K a lithium Li - se snadno oxiduje, to znamená, že se vzdává elektronů. Na druhé straně je povrch hořčíku pokryt tenkým filmem jeho oxidu MgO, který se neničí při zahřátí na 600 o C. Chrání kov před další oxidací na vzduchu, díky čemuž je velmi pohodlné použití v praxe.

Jaké jiné ovoce a zeleninu lze použít místo citronu?

Pro tento experiment se hodí mnoho ovoce a zeleniny. Stačí, aby měly šťavnatou dužninu. Například místo citronu si můžete vzít jablko, banán, rajče nebo bramboru. I velký hrozen bude stačit!

Všechna tato zelenina, ovoce a bobule obsahují dostatek vody a také látek, které se ve vodě disociují (rozpadají na nabité částice – ionty). I jimi tedy může protékat elektrický proud!

Co je to dioda a jak funguje?

Diody jsou malá zařízení, která mohou sama procházet elektrickým proudem a vykonávat nějakou užitečnou práci. V tomto případě mluvíme o LED - když prochází elektrický proud, svítí.

Všechny moderní diody obsahují ve svém jádru polovodič - speciální materiál, jehož elektrická vodivost není příliš vysoká, ale může se zvýšit například při zahřátí. Co je elektrická vodivost? Jedná se o schopnost materiálu vést elektrický proud skrz sebe.

Na rozdíl od jednoduchého kusu polovodiče každá dioda obsahuje dva jeho „třídy“. Samotný název „dioda“ (z řeckého „δίς“) znamená, že obsahuje dva prvky - obvykle se nazývají anoda A katoda.

Anodu diody tvoří polovodič obsahující tzv. „díry“ – oblasti, které lze zaplnit elektrony (ve skutečnosti prázdné police speciálně pro elektrony). Tyto „police“ se mohou po anodě pohybovat zcela volně. Katoda diody se také skládá z polovodiče, ale jiného. Obsahuje elektrony, které se jím mohou také relativně volně pohybovat.

Ukazuje se, že toto složení diod umožňuje elektronům snadný pohyb diodou v jednom směru, ale prakticky jim neumožňuje pohyb opačným směrem. Když se elektrony pohybují od katody k anodě, na rozhraní mezi nimi dochází k setkání „volných“ elektronů v katodě a elektronových vakancí (polic) v anodě. Elektrony vesele obsazují tato volná místa a proud jde dál.

Představme si, že se elektrony pohybují opačným směrem – potřebují se dostat z útulných polic do materiálu, kde takové poličky nejsou! Evidentně to pro ně není výhodné a proud tímto směrem nepoteče.

Jakákoli dioda tedy může fungovat jako jakýsi ventil, aby přes ni proudila elektřina v jednom směru, ale ne ve druhém. Právě tato vlastnost diod umožnila jejich využití jako základu pro výpočetní techniku ​​– každý počítač, smartphone, notebook nebo tablet obsahuje procesor založený na milionech mikroskopických diod.

LEDky mají samozřejmě další uplatnění – v osvětlení a zobrazování. Samotná skutečnost vzhledu světla je spojena se speciálním výběrem polovodičových materiálů, které tvoří diodu. V některých případech je stejný přechod elektronů z katodových do anodových vakancí doprovázen uvolněním světla. V případě různých polovodičů dochází k luminiscenci různých barev. Důležitými výhodami diod oproti jiným elektrickým světelným zdrojům je jejich bezpečnost a vysoká účinnost – stupeň přeměny elektrické energie na světlo.

Stává se, že se ocitnete v těžké životní situaci, kdy nutně potřebujete zdroj energie. Potřebujete například nabít mobilní telefon, zapnout rádio a podobně. Základní znalosti fyziky a chemie vám umožní najít východisko z takových situací. Pro mnohé bude zajímavé, že z jablka či citronu můžete „napájet“ rádio nebo nabíjet mobilní telefon.

Pro tyto účely budete potřebovat:
- ocelový kontakt (hřebík, kancelářská sponka, kus ocelového drátu, ocelová mince atd...);
- měděný kontakt (měděná mince, kus měděného drátu, jakákoli měděná deska atd.);
- citron, a pokud použijete jablko, musíte si vybrat takové, které je co nejkyselejší;
- dva vodiče pro připojení k „baterii“.

Postup:

Fáze 1. Hledání vhodného „zdroje energie“
Nejjednodušší způsob je najít jablko, když jste na venkově, na vesnici nebo se prostě ztratíte v lese. Nejlepší možností by bylo kyselé jablko, protože kyselina je klíčovou složkou při provozu baterie. Pokud je tam citron, pak je to nejvhodnější varianta. Použít můžete i pomeranče, kiwi a další podobné ovoce.

Fáze 2. Navázání kontaktů
Kontakty je potřeba vložit do citronu nebo jablka, nejprve je důkladně očistit smirkovým papírem, pilníkem nebo otřít o kámen. Kontakty jsou vloženy ve vzdálenosti 2-3 centimetrů od sebe. Čím širší a delší jsou vložené elektrody, tím větší napětí bude baterie produkovat. Pokud mince fungují jako kontakty, musí být vkládány paralelně.

Krok 3. Připojte baterii
Nyní zbývá pouze připojit dva vodiče k nainstalovaným kontaktům. Můžete je jednoduše opatrně zapíchnout do citronu nebo jablka spolu s kontakty. To je vše, baterie je připravena k použití. Na měděné elektrodě bude plus a na ocelové elektrodě mínus. Napětí bude záviset na ploše elektrod a kyselosti jablka nebo citronu.

Jedna taková baterie je schopna dodávat přibližně 0,5-0,8 V. Aby fungoval jednoduchý přijímač nebo nabíjel mobilní telefon, je potřeba napětí alespoň 3-5 Voltů. Abyste získali takový výkon, musíte vyrobit několik těchto „baterií“ a zapojit je do série. V našem případě, abyste získali 3 volty, budete potřebovat asi 5-6 těchto „baterií“.

Fáze 4. Nabijte citrony
Zajímavostí je, že takto vytvořené „baterie“ lze nabíjet. Pro tyto účely můžete použít nabíječku mobilního telefonu. Pro tyto účely se autor rozhodl použít baterii Krona.

Červený kladný vodič je připojen k měděné elektrodě a černý záporný vodič k ocelové elektrodě. Po nabití se na „citronových“ kontaktech objeví napětí 1-1,3 V.

Pro milovníky všech druhů experimentů a experimentů nabízíme neobvyklý nápad - zkuste si postavit primitivní baterii z kyselých citronů vlastníma rukama. Utrácíme spoustu peněz za baterie, akumulátory pro napájení telefonů, hodinek, hraček, aniž bychom si mysleli, že jsme obklopeni spoustou levných zdrojů energie, ze kterých si vlastníma rukama sestavíme ekonomický a jednoduchý galvanický článek. kdykoliv. Ani si nedokážeme představit, kolik zajímavých věcí nás obklopuje!

K provedení pokusu budeme potřebovat, jak jsem uvedl výše, citrony (8 kusů), 9 tenkých drátků se svorkami, 8 malých kousků měděného drátu a stejný počet pozinkovaných hřebíků, hodinky s baterií a samozřejmě , voltmetr pro testování schopností (napětí) námi vyrobené baterie.

Když citrony lehce prohněteme v rukou, zapíchneme do každého z nich kousek měděného drátu a jeden pozinkovaný hřebík. Vezmeme hodinky, vyjmeme z nich baterii a pomocí vodičů vytvoříme elektrický obvod, jako na obrázku. Volné konce vodičů z prvního a osmého citronu připojíme k hodinám v místech, kde se dříve nacházela baterie, čímž vznikne uzavřený obvod. Na konci experimentu uvidíme, jak jdou hodiny. Připojením konců vodičů k voltmetru můžeme pozorovat napětí 0,49 V.

Je snadné vysvětlit, jak naše ovocná baterie funguje. Když se měď a zinek dostanou do kontaktu s kyselinou citronovou, dojde k chemické reakci, v jejímž důsledku se měď nabije kladně a zinek záporně. Když se pomocí měděného drátu a malých pozinkovaných hřebíků vytvoří uzavřený okruh, začne fungovat elektrický proud. Zinek (zdroj elektronů) je záporný pól ovocná baterie, měď – pozitivní. Napětí v bateriích souvisí se schopností zinku a mědi odevzdávat elektrony. Elektrický proud závisí na počtu elektronů uvolněných během chemické reakce.

Pokud nemáte doma citrony, můžete jako hlavní materiál pro experiment použít jakékoli jiné citrusové plody, kiwi, banány, jablka, hrušky, brambory, rajčata, okurky a cibuli. Tato zelenina a ovoce mohou také fungovat jako baterie, i když jejich napětí se bude mírně lišit od zdroje proudu citronu. Hruška dá nejvyšší napětí a kiwi nejnižší. Elektrické vlastnosti vytvářených baterií jsou ovlivněny kyselostí použitých produktů. Zapojením více ovocných baterií do série docílíme zvýšení napětí úměrného počtu použitých plodů.

Pár měď a zinek lze nahradit jinými součástmi, například mědí a hliníkem, hliníkem a zinkem. Je pravda, že v druhém případě se baterie ukáže být poněkud slabší než „původní“ citronová.

Výše popsaný experiment je přímým potvrzením toho, že lidé mohou volně používat přírodní, obnovitelné materiály k uspokojení svých energetických potřeb. Řada společností v průmyslovém měřítku již začala vytvářet neobvyklé baterie pomocí zpracovaných produktů z banánů a pomerančových slupek. Společnost Sony nedávno představila veřejnosti baterii, ve které byla místo elektrolytu použita ovocná šťáva. Naplněním baterie 8 ml šťávy můžete napájet malou přenosnou elektroniku po dobu jedné hodiny. Vědci z UK vytvořili podobnou verzi baterie pro počítač s nízkou spotřebou s procesorem IPte1 386. Experimentálně bylo prokázáno, že 12 brambor se může stát plnohodnotným zdrojem energie pro počítač na 12 dní.

Šťavnaté ovoce, nové brambory a další potravinářské výrobky mohou sloužit jako potrava nejen lidem, ale i elektrospotřebičům. K výrobě elektřiny z nich budete potřebovat pozinkovaný hřebík nebo šroub (tedy téměř jakýkoli hřebík nebo šroub) a kus měděného drátu. K detekci přítomnosti elektřiny budeme potřebovat domácí multimetr a k názornějšímu demonstrování úspěchu nám pomůže LED lampa nebo dokonce ventilátor napájený z baterií.

Citron rozmačkejte v dlaních, abyste narušili vnitřní membrány, ale nepoškodili kůru. Vložte hřebík (šroub) a měděný drát tak, aby byly elektrody umístěny co nejblíže k sobě, ale nedotýkaly se. Čím blíže jsou elektrody, tím menší je pravděpodobnost, že budou odděleny přepážkou uvnitř ovoce. Na druhé straně, čím lepší je výměna iontů mezi elektrodami uvnitř baterie, tím větší je její výkon.

Podstatou experimentu je umístit měděné a zinkové elektrody do kyselého prostředí, ať už je to citron nebo octová lázeň. Hřebík nám poslouží jako záporná elektroda neboli anoda. Měděný drát přiřadíme jako kladnou elektrodu nebo katodu.

V kyselém prostředí dochází na povrchu anody k oxidační reakci, při které se uvolňují volné elektrony. Každý atom zinku ztrácí dva elektrony. Měď je silné oxidační činidlo a může přitahovat elektrony uvolněné zinkem. Pokud uzavřete elektrický obvod (připojíte žárovku nebo multimetr k improvizované baterii), budou přes něj proudit elektrony z anody na katodu, to znamená, že se v obvodu objeví elektřina.

Brambory jsou přirozeně vynikajícím obalem a elektrolytem pro galvanický článek. Brambory nám trvale dodávaly napětí více než 0,5 V na článek, zatímco citron vykazoval výsledek kolem 0,4 V. Přeborníkem v napětí je ocet: 0,8 V na článek. Pro získání vyššího napětí zapojte prvky do série. Pro napájení výkonnějších spotřebičů (ventilátor) - paralelně.

Na povrchu katody, tedy záporně nabité elektrody, probíhá redukční reakce: kationty (kladně nabité ionty) vodíku obsažené v kyselině přijímají chybějící elektrony a mění se na vodík, který vychází ve formě bublin. V blízkosti katody se vyskytuje koncentrace kyselých aniontů (záporně nabitých iontů) a v blízkosti anody se vyskytují kationty zinku. Pro vyrovnání nábojů v elektrolytu je nutné zajistit výměnu iontů mezi elektrodami uvnitř baterie.

Zvýšená kyselost půdy je problém pro agronomy, ale radost pro elektrotechniky. Obsah vodíkových a hliníkových iontů v půdě umožňuje doslova zapíchnout dvě tyčinky (jako obvykle zinek a měď) do květináče a vyrobit elektřinu. Náš výsledek je 0,2 V. Pro zlepšení výsledku by se měla půda zalévat.

Je důležité pochopit: elektřina se nevyrábí z citronů nebo brambor. To vůbec není energie chemických vazeb v organických molekulách, kterou naše tělo absorbuje v důsledku konzumace potravy. Elektřina vzniká chemickými reakcemi zahrnujícími zinek, měď a kyselinu a v naší baterii je to hřebík, který slouží jako spotřební materiál.