- Як працює батарейка з апельсина
- Луїджі Гальвані і відкриття "тваринної електрики"
- Моделювання електрохімічних процесів на основі прикладу батарейки з апельсина
Наша сеть партнеров Banwar
Чи показували вам на уроках хімії принцип дії батарейки на прикладі апельсина або лимона? Ви повинні пам'ятати, як учитель чарівним чином проводив електрику між двома металевими стрижнями, вставленими в цитрусовий фрукт. Що, якщо зараз ми розповімо і покажемо, як працює батарейка з апельсина, за допомогою засобів CAE-моделювання? Надалі ви можете використовувати цю статтю, як введення в електрохімічне моделювання.
Геометрія батарейки з апельсина.
Як працює батарейка з апельсина
Очевидно, що ніякої магії тут немає. Електрика виробляється за рахунок електрохімічних процесів. Цитрусові містять лимонну кислоту, яка разом з іншими іонами виступає в ролі електроліту. Відбувається електрохімічна реакція між лимонною кислотою і двома стрижнями, які повинні бути з різних металів для освіти гальванічної пари. Щоб електричний ланцюг була замкнута, до стержнів підключаємо маленьку лампочку. В даному випадку стрижні є електродами, а в якості розчину з іонною провідністю виступає лимонна кислота в апельсині. Оскільки ми використовуємо хімічні реакції для перетворення хімічної енергії в електричну, можна розглядати батарейку з апельсина, як гальванічну батарейку, так само як і будь-яку іншу батарейку, в якій енергія запасена у вигляді хімічних речовин.
Луїджі Гальвані і відкриття "тваринної електрики"
Цікавий факт: італійський фізик Луїджі Гальвані виявив "електрику тваринного проісходженія", коли він прикріпив дві пластини з різних металів до лапок жаби і м'язи почали скорочуватися, що було викликано рухом іонів. Зацікавившись цим фактом, інший італійський фізик Алессандро Вольта провів власний експеримент і прийшов до висновку, що лапки жаби були одночасно провідником і індикатором електрики. Грунтуючись на своєму дослідженні, він відкрив електрохімічний закон Вольта, який назвали в його честь, а потім в 1800-х - першу батарею.
Моделювання електрохімічних процесів на основі прикладу батарейки з апельсина
Якщо ви тільки починаєте вивчати електрохімічні процеси, почніть з нашого навчального прикладу по моделювання батарейки з апельсина . Дотримуючись покрокового опису в прикріпленому PDF-файлі, ви можете змоделювати розтікання струмів і концентрацію розчинених іонів металу в батарейці з апельсина.
Один стрижень зроблений з цинку, а другий - з міді. Цинковий стрижень втрачає свої електрони через реакцію на електроді:
Zn (s) → Zn2 + 2e- E0 = -0.82 V
так що іони цинку приєднуються до електроліту (лимонної кислоти) в батареї. На поверхні мідного стержня позитивно заряджені іони водню приєднують електрони і перетворюються в атоми, які об'єднуються в нейтральну молекулу. Таким чином, мідний стрижень виступає в ролі електрокаталізаторів.
2H + + 2e- → H2 (g) E0 = 0 V
Фізичний інтерфейс Secondary Current Distribution (Вторинне Розподіл Струмів) використовується для завдання струмів в моделі. У цьому фізичному інтерфейсі протікання струму через електроліт ми замінюємо рухом іонів , В той час як реакції на електродах є функціями, залежними від електричного потенціалу і концентрації реагуючих речовин. Закон Ома застосовується спільно з балансом заряду для розрахунку електричних струмів в стрижнях і електроліті, які, в свою чергу, пов'язані рівняннями Батлера-Фольмера, що описують електрохімічні реакції. У цьому прикладі на одному зі стрижнів задається гальванічний потенціал 0.5 V, а другий стрижень заземлений. Розраховується при цьому розподіл струмів в системі.
Після налаштування параметрів і розрахунку моделі, можна буде оцінити ефективність батарейки з апельсина.
Як видно на малюнку зліва електричний потенціал зменшується в міру протікання струму від цинкового електрода (лівий стрижень) до мідного (правий стрижень). Втрати напруги між стрижнями обумовлені активними втратами в електроліті. Цитруси з більш високою провідністю, тобто містять більше лимонної кислоти, наприклад лимони, були б більш ефективними батарейками. В якості альтернативи, можна сбілізіть стрижні. На правому малюнку видно, що струм збільшується уздовж осі z. Це відбувається через те, що електроди, занурені в апельсин, мають велику площу зіткнення з реагують елементами і, отже, швидше віддають свої електрони.
Також можна розрахувати концентрацію іонів після включення батарейки і побудувати залежність струму, що протікає від часу. У міру збільшення іонів цинку, вони все більше перешкоджають здатності анода реагувати, тому струм зменшується до тих пір, поки не досягне сталого значення.