Засвітіть лампочку за допомогою... лимона!

Складність:

Небезпека:

Зробіть цей експеримент вдома

Безпека

Перед початком досвіду одягніть захисні рукавички та окуляри.

Проводьте експеримент на таці.

Загальні правила безпеки

• Не допускайте потрапляння хімічних реагентів у рот або очі.
• Не допускайте до місця проведення експериментів людей без захисних окулярів, а також маленьких дітей та тварин.
• Зберігайте експериментальний набір у місці, недоступному для дітей віком до 12 років.
• Помийте або очистіть обладнання та обладнання після використання.
• Переконайтеся, що всі контейнери з реагентами щільно закриті та зберігаються за правилами після використання.
• Переконайтеся, що всі одноразові контейнери правильно утилізовані.
• Використовуйте лише обладнання та реактиви, які постачаються в наборі або рекомендовані поточними інструкціями.
• Якщо ви використовували контейнер для їжі або посуд для експериментів, негайно викиньте їх. Вони більше не придатні для зберігання їжі.

Інформація про першу допомогу

• У разі потрапляння реагентів у вічі ретельно промийте очі водою, за необхідності тримаючи око відкритим. Негайно зверніться до лікаря.
• У разі ковтання промийте рот водою, випийте трохи чистої води. Не викликайте блювання. Негайно зверніться до лікаря.
• У разі вдихання реагентів виведіть потерпілого на свіже повітря.
• У разі контакту зі шкірою або опіками промивайте пошкоджену зону великою кількістю води протягом 10 хвилин або довше.
• У разі сумніву негайно зверніться до лікаря. Візьміть із собою хімічний реагент та контейнер від нього.
• У разі травм завжди звертайтеся до лікаря.

• Неправильне використання хімічних реагентів може спричинити травму та завдати шкоди здоров'ю. Проводьте лише вказані в інструкції експерименти.
• Даний набір дослідів призначений лише для дітей віком від 12 років і старше.
• Здібності дітей істотно різняться навіть усередині вікової групи. Тому батьки, які проводять експерименти разом з дітьми, повинні на власний розсуд вирішити, які досліди підходять для їхніх дітей та будуть безпечні для них.
• Батьки повинні обговорити правила безпеки з дитиною чи дітьми перед початком експериментів. Особливу увагу слід приділити безпечному поводженню з кислотами, лугами та горючими рідинами.
• Перед початком експериментів очистіть місце проведення дослідів від предметів, які можуть перешкодити. Слід уникати зберігання харчових продуктів поряд із місцем проведення дослідів. Місце проведення дослідів має добре вентилюватися та знаходитися близько до водопровідного крана або іншого джерела води. Для проведення експериментів знадобиться стійкий стіл.
• Речовини в одноразовій упаковці повинні бути використані повністю або утилізовані після одного експерименту, тобто. після відкриття упаковки.

Поширені запитання

Світлодіод не горить. Що робити?

По-перше, простежте, щоб пластини в лимоні не торкалися одна одної.

По-друге, перевірте якість з'єднання крокодилів із металевими пластинами.

По-третє, переконайтеся, що світлодіод підключений правильно: чорний крокодил кріпиться до короткої "ніжки", червоний - до довгої. При цьому крокодили не повинні торкатися іншої «ніжки», інакше станеться замикання ланцюга!

Сік біля магнієвої пластини шипить. Це нормально?

Все добре. Магній – активний метал, і він взаємодіє з лимонною кислотою з утворенням магнію цитрату і виділенням водню.

Інші експерименти

Покрокова інструкція

1. Візьміть 2 магнієві платівки зі баночки з написом «Mg».
2. Приготуйте 2 затискачі-крокодила: 1 чорний і 1 білий. Підключіть магнієві платівки до чорного та білого крокодилів.
3. Візьміть дві мідні пластини з баночки з написом «Cu».
4. Підключіть мідну пластину до вільного кінця білого крокодила. Підключіть мідну платівку до червоного крокодила.
5. Розріжте лимон навпіл. Вставте в одну половинку лимона мідну та магнієву пластинки на невеликій відстані один від одного (приблизно 1 см). Повторіть з двома пластинками, що залишилися, використовуючи другу половинку лимона. Переконайтеся, що платівки не торкаються.
6. Візьміть світлодіод. Підключіть вільний кінець червоного крокодила до довгої ніжки світлодіода. Підключіть вільний кінець чорного крокодила до короткої ніжки світлодіода. Світлодіод загориться!

Утилізація

Тверді відходи експерименту утилізуйте разом із побутовим сміттям. Розчини злийте в раковину і ретельно промийте її водою.

Що сталося

Чому діод починає світитись?

У разі досвіду протікає хімічна реакція: електрони з магнію Mg переходять на мідь Cu. Такий рух електронів є електричний струм. Проходячи через світлодіод, він змушує його світитись. Отже, зібрана у цьому досвіді установка діє як батарейка – хімічне джерело струму.

Дізнатися більше

Учасники цього досвіду – мідь Cu та магній Mg – дуже схожі. Обидва вони – метали. Це означає, що вони досить ковкі, блищать, добре проводять електрику та тепло. Всі ці характеристики – наслідки внутрішньої будови металів. Його можна уявити як розташовані у певному порядку позитивні іони, які утримуються разом за допомогою загальних для всього шматочка металу електронів. Саме через цю спільність електрони можуть «гуляти» по всьому обсягу металу.

Незважаючи на загальні мотиви у будові, мідь та магній відрізняються один від одного. Загальна "зграя" електронів утримується в шматочку міді сильніше, ніж у випадку з магнієм. Тому суто теоретично ми можемо собі уявити процес, у якому електрони з магнію «втікають» до міді. Однак це призведе до збільшення зарядів: позитивного в магнії та негативного – у міді. Довго так продовжуватися не може: через взаємне відштовхування негативно зарядженим електронам невигідно переходитиме далі в мідь. Заряд, таким чином, збирається біля поверхні зіткнення двох різних металів.

Цікаво, що ступінь перенесення електронів з одного металу в інший залежить від температури. Цей зв'язок використовують в електронних пристроях, що дозволяють вимірювати температуру. Найпростішим таким приладом, який використовує цей ефект, є термопара. Наразі використання термопар є повсюдним, і саме вони лежать в основі електронних термометрів.

Повернемося до нашого досвіду. Для того, щоб електрони з магнію на мідь перебігали постійно, а сам процес став незворотним, необхідно видаляти позитивний заряд з магнію та негативний заряд з міді. Тут свою роль вступає лимон. Важливо, яке середовище він створює для встромлених у нього мідної та магнієвої пластин. Всім відомо, що лимон має кислий смак переважно завдяки лимонній кислоті, що міститься в ньому. Звичайно, і вода в ньому теж присутня. Розчин лимонної кислоти здатний проводити електрику: за її дисоціації відбувається виникнення позитивно заряджених іонів водню H + і негативно зарядженого залишку лимонної кислоти. Таке середовище ідеально підходить для видалення позитивного заряду з магнію та негативного заряду з міді. Перший процес відбувається досить просто: позитивно заряджені іони магнію Mg 2+ переходять з поверхні магнієвої пластинки розчин (лимонний сік):

Mg 0 – 2e - → Mg 2+ розчин

Другий процес відбувається на мідній платівці. Оскільки на ній накопичується негативний заряд, це притягує іони водню H+. Вони здатні забирати електрони з мідної пластинки, перетворюючись спочатку на атоми H, а потім майже відразу на молекули H 2 , які відлітають додому:

2H + + 2e - → H 2

Чому не можна обійтися лише однією парою «мідь-магній»?

Найближчий аналог системи «мідна пластинка - лимон - магнієва пластинка» - це звичайна пальчикова батарейка. Вона працює за тим же принципом: хімічні реакції, що відбуваються всередині неї, призводять до виникнення струму електронів, тобто електрики. Ви, напевно, помічали, що в деяких приладах пальчикові батареї розташовуються поспіль (тобто мінусовий полюс однієї стикається з плюсовим полюсом іншої). Найчастіше вони це роблять не безпосередньо, а за допомогою проводків чи невеликих металевих пластинок. Але суть залишається незмінною – це потрібно, щоб збільшити силу, що діє на електрони, а значить – збільшити силу струму.

Так само і мідна пластинка в одному шматочку лимона з'єднується з магнієвою пластинкою іншого. Якщо з'єднати діод тільки з однією парою "мідь-магній", він не почне світитися, а ось використання двох пар призводить до бажаного результату.

Дізнатися більше

Для опису сили, яка змушує заряди рухатися, тобто призводить до виникнення електрики, використовують поняття напруга. Наприклад, на будь-якій батарейці вказано значення напруги, яке вона може створювати у підключеному до неї приладі або провіднику.

Напруги, що створює одна пара «магній-мідь», недостатньо для цього досвіду, але двох пар вже вистачає.

Чому ми використовуємо саме мідь та магній? Чи можна взяти якусь іншу пару металів?

Усі метали по-різному здатні утримувати електрони. Це дозволяє вибудувати їх у так званий електрохімічний ряд. Метали, які стоять у цьому ряду лівіше, утримують електрони гірше, а ті, що правіше, – краще. У нашому досвіді електричний струм виникає саме через різницю між міддю та магнієм у їх здатності утримувати електрони. У електрохімічному ряду мідь стоїть значно правіше магнію.

Ми цілком можемо взяти два інші метали – необхідно лише, щоб між їхнім бажанням утримувати при собі електрони була достатня різниця. Наприклад, у цьому досвіді замість міді можна використовувати срібло Ag, а замість магнію цинк Zn.

Тим не менш, ми вибрали саме магній та мідь. Чому?

По-перше, вони досить доступні, на відміну від того ж срібла. По-друге, магній – метал, який одночасно поєднує в собі достатню активність та стабільність. Подібно до лужних металів – натрію Na, калію K та літію Li – він легко окислюється, тобто віддає електрони. З іншого боку, поверхня магнію покрита тонкою плівкою його оксиду MgO, яка не руйнується при нагріванні до 600 o C. Вона захищає метал від подальшого окислення на повітрі, що робить його досить зручним у використанні на практиці.

Які ще фрукти та овочі можна використовувати замість лимона?

Багато фруктів та овочів підійдуть для цього досвіду. Достатньо лише наявності у них соковитої м'якоті. Наприклад, замість лимона можна взяти яблуко, банан, помідор чи картопля. Навіть велика виноградина підійде!

У всіх цих овочах, фруктах та ягодах достатньо води, а також речовин, які дисоціюють (розпадаються на заряджені частинки – іони) у воді. Тому в них також може протікати електричний струм!

Що таке діод та як він влаштований?

Діоди – це маленькі прилади, здатні пропускати через себе електричний струм та виконувати при цьому якусь корисну роботу. У цьому випадку йдеться про світлодіод – при пропусканні електричного струму він світиться.

Всі сучасні діоди містять у своїй основі напівпровідник - особливий матеріал, електропровідність якого не дуже велика, але може зростати, наприклад, при нагріванні. Що таке електропровідність? Це здатність матеріалу проводити через себе електричний струм.

На відміну від простого шматочка напівпровідника, будь-який діод містить два його «сорти». Сама назва "діод" (від грец. "δίς") означає, що в його складі є два елементи - зазвичай їх називають аноді катод.

Анод діода складається з напівпровідника, що містить так звані дірки – області, які можуть бути заповнені електронами (фактично порожні полички спеціально для електронів). Ці «полочки» можуть вільно переміщатися по всьому аноду. Катод діода також складається з напівпровідника, але іншого. Він містить електрони, які також можуть відносно вільно рухатися ним.

Виявляється, що такий склад діода дозволяє електронам легко рухатися через діод в один бік, але практично не дозволяє рухатися їм у зворотному напрямку. Коли електрони рухаються від катода до анода, на кордоні між ними відбувається зустріч «вільних» електронів у катоді та електронних вакансій (поличок) в аноді. Електрони із задоволенням займають ці вакансії, і струм рухається далі.

Уявимо, що електрони рухаються у зворотному напрямку – їм потрібно злізти з затишних поличок у матеріал, де цих поличок немає! Очевидно, це їм не вигідно і струм у цьому напрямі не піде.

Таким чином, будь-який діод може виступати в ролі свого роду клапана для електрики, що проходить через нього в один бік, але не проходить в інший. Саме ця властивість діодів дозволила використовувати їх як основу для обчислювальної техніки – будь-який комп'ютер, смартфон, ноутбук чи планшет містить у своєму складі процесор, в основі якого – мільйони мікроскопічних діодів.

У світлодіодів, звичайно ж, інше застосування – у висвітленні та індикації. Сам факт виникнення світла пов'язаний із особливим підбором напівпровідникових матеріалів, з яких складається діод. У деяких випадках цей перехід електронів з катода у вакансії анода супроводжується виділенням світла. У разі різних напівпровідників відбувається свічення різних кольорів. Важливими перевагами діодів у порівнянні з іншими електричними джерелами світла є їхня безпека та висока ефективність – ступінь перетворення енергії електричного струму на світло.

Буває, що опиняєшся у складній життєвій ситуації, коли терміново потрібне джерело енергії. Наприклад, потрібно зарядити мобільний телефон, увімкнути радіо і так далі. Елементарні знання фізики та хімії дозволять знайти вихід із подібних ситуацій. Для багатьох буде цікаво дізнатися, що "запитати" радіо чи зарядити мобілку можна від яблука чи лимона.

Для цих цілей знадобиться:
- сталевий контакт (цвях, скріпка, шматочок сталевого дроту, сталева монета тощо);
- мідний контакт (мідна монета, шматочок мідного дроту, будь-яка мідна пластинка тощо);
- лимон, а якщо буде використовуватися яблуко, потрібно вибирати якомога кисліше;
- два проводки для підключення до "батарейки".

Порядок дій:

Етап 1. Шукаємо відповідний "джерело енергії"
Найпростіше, перебуваючи на дачі, селі або просто заблукавши в лісі, знайти яблуко. Найкращим варіантом буде кисле яблуко, оскільки кислота є ключовим компонентом у роботі "батарейки". Якщо ж є лимон, то це найкращий варіант. Також можна використовувати апельсини, ківі та інші подібні фрукти.

Етап 2. Встановлюємо контакти
У лимон або яблуко потрібно вставити контакти, попередньо їх потрібно добре зачистити за допомогою наждакового паперу, напилка, ну або потерти об камінь. Контакти вставляють на відстань 2-3 сантиметри один від одного. Чим ширшими і довшими будуть вставлені електроди, тим більше напруги вироблятиме батарейка. Якщо контактами виступають монети, їх потрібно вставляти паралельно.

Етап 3. Підключаємо батарейку
Тепер залишається приєднати два проводки до встановлених контактів. Їх можна просто акуратно встромити в лимон або яблуко разом із контактами. Ось і все, батарейка готова до використання. На мідному електроді буде плюс, а на сталевому мінусі. Напруга залежатиме від площі електродів та кислотності яблука чи лимона.

Одна така батарейка здатна видавати близько 0.5-0.8 Вольт. Для того, щоб запрацював простий приймач або зарядився мобільний, потрібна напруга як мінімум 3-5 Вольт. Щоб отримати таку потужність, потрібно зробити кілька таких "батарейок" та з'єднати їх послідовно. У нашому випадку для отримання 3 Вольт знадобиться близько 5-6 таких "батарейок".

Етап 4. Заряджаємо лимони
Цікавим є той факт, що створені таким чином «батарейки» цілком можна заряджати. Для цього можна скористатися зарядним пристроєм від мобільного телефону. Автор для цього вирішив використовувати батарейку типу "Крона".

Червоний плюсовий провід підключається до мідного електрода, а чорний мінусовий до сталевого. Після зарядки на контактах "лимона" з'явиться напруга вже 1-1.3 Вольта.

Для любителів різноманітних експериментів і дослідів пропонуємо незвичайну ідею - спробувати спорудити власними руками примітивну батарейку з кисленьких лимонів. Ми витрачаємо масу грошей на батареї, акумулятори для живлення телефонів, годинників, іграшок, зовсім не замислюючись про те, що нас оточує безліч недорогих енергетичних джерел, з яких ми власноруч можемо в будь-який момент зібрати економний і простенький гальванічний елемент. Ми навіть не припускаємо, скільки цікавого нас оточує!

Для проведення експерименту нам знадобляться, як я вже згадував вище, лимони (8 штук), 9 тоненьких дротів із затискачами, 8 невеликих шматків мідного дроту та стільки ж оцинкованих цвяхів, годинник з батарейкою, ну і, звичайно ж, вольтметр для випробування можливостей ( напруги) спорудженої нами батарейки.

Легенько розім'явши в руках лимони, встромляємо в кожен з них шматочок мідного дроту та один оцинкований цвях. Беремо годинник, виймаємо з нього батарейку, і за допомогою проводів створюємо електричний ланцюг, як на малюнку. Вільні кінці проводів з першого та восьмого лимона підключаємо до годинника в тих місцях, де знаходилася раніше батарейка, створюючи замкнутий ланцюг. Після закінчення експерименту ми побачимо, як піде годинник. Під'єднавши кінці проводів до вольтметра, зможемо спостерігати напругу завбільшки 0,49 V.

Пояснити роботу нашої фруктової батареї просто. При контакті міді та цинку з лимонною кислотою відбувається хімічна реакція, внаслідок якої мідь стає позитивно зарядженою, а цинк – негативно. При замкнутому ланцюгу, створеному за допомогою мідного дроту та невеликих оцинкованих цвяхів, починає діяти електричний струм. Цинк (джерело електронів) – це негативний полюс фруктової батареїмідь - позитивний. Напруга в батарейки пов'язана зі здатністю цинку та міді віддавати електрони. Електричний струм залежить від кількості електронів, що вивільняються при пробігається хімічної реакції.

Якщо вдома не виявиться лимонів, як основний матеріал для експерименту можна використовувати будь-які інші цитрусові, ківі, банани, яблука, груші, картопля, помідори, огірки, цибулини. Ці овочі та фрукти також можуть працювати як батарейка, правда напруга у них буде дещо відрізнятися від лимонного джерела струму. Найбільш висока напруга дасть груша, найнижчою – ківі. На електричні характеристики батарей, що створюються, впливає кислотність застосовуваних продуктів. З'єднавши кілька фруктових батарейок послідовно, ми досягнемо збільшення напруги, пропорційно до кількості використовуваних фруктів.

Пару мідь і цинк можна замінити іншими складовими, наприклад, міддю та алюмінієм, алюмінієм та цинком. Щоправда, в останньому випадку батарейка вийти дещо слабшою за "оригінальну" лимонну.

Вищеописаний експеримент є прямим підтвердженням те, що задоволення своїх енергетичних потреб людина може вільно використовувати природні поновлювані матеріали. Ряд компаній у промислових масштабах вже почали займатися створенням незвичайних акумуляторних батарей із застосуванням продуктів переробки бананів, апельсинових кірок. Компанія Sonу нещодавно презентувала публіці батарейку, в якій замість електроліту використаний фруктовий сік. Заправивши батарею 8 мл соку, можна забезпечити живлення невеликої портативної електроніки протягом однієї години. Вчені з Великобританії створили аналогічний варіант акумулятора для малопотужного комп'ютера з процесором Iпtе1386. Експериментально було доведено, що 12 картоплин можуть стати повноцінним джерелом енергетичного живлення комп'ютера протягом 12 днів.

Соковиті фрукти, молода картопля та інші харчові продукти можуть бути харчуванням не тільки для людей, але і для електроприладів. Щоб видобути з них електрику, знадобляться оцинкований цвях або шуруп (тобто практично будь-який цвях або шуруп) та відрізок мідного дроту. Щоб зафіксувати присутність електрики, нам знадобиться побутовий мультиметр, а наочно продемонструвати успіх допоможе світлодіодний світильник або навіть вентилятор, розраховані на живлення від батарейок.

Розімніть лимон у руках, щоб зруйнувати внутрішні перегородки, але не пошкодіть шкірку. Вставте цвях (шуруп) і мідний дріт так, щоб електроди розташовувалися якомога ближче один до одного, але не стикалися. Чим ближче будуть електроди, тим менша ймовірність, що вони виявляться розділені перегородкою всередині фрукта. У свою чергу, чим кращий іонний обмін між електродами всередині батареї, тим більша її потужність.

Суть досвіду в тому, щоб помістити мідний і цинковий електроди в кисле середовище, будь то лимон або ванна з оцтом. Цвях послужить нам негативним електродом, або анодом. Мідний дріт призначимо позитивним електродом або катодом.

У кислому середовищі лежить на поверхні анода протікає реакція окислення, у процесі якої виділяються вільні електрони. З кожного атома цинку йде два електрони. Мідь – сильний окислювач, і вона може притягувати електрони, звільнені цинком. Якщо замкнути електричний ланцюг (підключити до імпровізованої батареї лампочку або мультиметр), електрони потечуть від анода до катода через неї, тобто в ланцюзі виникне електрика.

Картопля – від природи чудовий корпус та електроліт для гальванічного елемента. Картопля стабільно давала нам напругу понад 0,5 В з одного елемента, тоді як лимон демонстрував результат у районі 0,4 В. Чемпіон з вольтажу - оцет: 0,8 В з комірки. Щоб отримати більшу напругу, послідовно з'єднуйте елементи. Для живлення потужніших споживачів (вентилятор) — паралельно.

На поверхні катода, тобто негативно зарядженого електрода, йде реакція відновлення: катіони (позитивно заряджені іони) водню, що містяться в кислоті, отримують електрони, що відсутні, і перетворюються на водень, що виходить назовні у вигляді бульбашок. У катода з'являється концентрація аніонів (негативно заряджених іонів) кислоти, а й у анода — катіонів цинку. Щоб збалансувати заряди електроліту, необхідно забезпечити іонний обмін між електродами всередині батареї.

Підвищена кислотність ґрунту – проблема для агрономів, але радість для електротехніків. Вміст іонів водню та алюмінію в землі дозволяє буквально встромити в горщик дві палиці (як зазвичай, цинкову та мідну) та отримати електрику. Наш результат — 0,2 В. Для покращення результату ґрунт варто полити.

Важливо розуміти: електрика виробляється не з лимона чи картоплі. Це зовсім не та енергія хімічних зв'язків в органічних молекулах, яка засвоюється нашим організмом через споживання їжі. Електроенергія виникає завдяки хімічним реакціям за участю цинку, міді та кислоти, і в нашій батарейці саме цвях служить витратним матеріалом.