Альтернативные источники энергии

Опустим в ванну электроды в виде железных пластин. Электрод, подключенный к положительному полюсу батареи, называют анодом, а подключенный к отрицательному полюсу, катодом. Если замкнуть цепь ключом, то в электролите между электродами возникнет электрическое поле. Из изложенного выше видно, что прохождение электрического тока через электролиты сопровождается превращением вещества, то есть ток в электролитах производит химическое действие.

Рис. 2. Схема электрической ванны

1 – ванна; 2 – электролит; 3 – анод; 4 – катод; 5 – ключ; 6 –  источник питания; 7 – амперметр.

Прохождение электрического тока через электролиты, сопровождающееся химическими превращениями вещества и выделением его на электродах, называется электролизом.

Сосуд с электродами, в котором находится электролит, называют электролитической ванной. Положительные ионы, идущие к катоду, называют катионами, а отрицательные ионы — анионами. Ион водорода является катионом.

При прохождении тока через электролит выделение вещества происходит на обоих электродах. По химическому составу это разные части молекулы растворенного вещества. По количеству (М/n) они равны, а знаки зарядов у них противоположны.

В нашем примере вещества выделяются на обоих электродах. На катоде выделяется водород, на аноде — хлор. Выделение вещества на обоих электродах происходит при неактивном аноде, который не растворяется в электролите. В нашем примере пластины реагируют с электролитом, в результате чего анод разрушается вследствие образования кислоты, в растворе выделяется соль железа. Этим вызван рыжеватый цвет раствора.

Ток в электролите подчиняется закону Ома, то есть изменяется прямо пропорционально напряжению. Сопротивление электролитов при нагревании уменьшается.

Количество вещества, выделяющееся на электроде при электролизе. Явление электролиза было изучено М.Фарадеем. Измеряя протекший через раствор заряд и массу катода до и после электролиза. Фарадей установил, что масса вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна количеству электричества, протекшего через раствор

где m – масса вещества (кг); q – заряд, прошедший через раствор (Кл). Эта формула является численным выражением первого закона Фарадея.

Физический смысл закона. Каждый осаждающийся на электроде ион переносит с собой некоторый электрический заряд. Это значит, что полный заряд, перенесенный всеми ионами, должен быть строго пропорционален полному количеству ионов, осевших на электродах, то есть массе выделенного вещества.

Коэффициент пропорциональности , выражающий зависимость массы выделенного при электролизе вещества от его рода, называют электрохимическим эквивалентом вещества. Электрохимический эквивалент измеряется массой вещества, выделяющегося на электроде при прохождении через электролит единицы заряда

В системе СИ единицей электрохимического эквивалента к является 1 кг/Кл. Полагая заряд q=1 Кл, получают, что равно массе вещества, выделяемой зарядом в 1 Кл. или иначе — массе, выделяемой током в 1 А за 1 секунду.

Поскольку q=It, то первый закон Фарадея можно записать следующим образом

.

На опыте можно определить электрохимические эквиваленты с большой точностью. Электрохимические эквиваленты различных веществ очень существенно отличаются один от другого, их величина зависит от атомного веса и валентности.

Заряды, переносимые при электролизе каждым ионом, представляют собой целые кратные некоторого минимального значения количества электричества, равного Кл. Любой одновалентный ион (ион калия, серебра и др.) переносит один такой заряд. Любой двухвалентный ион (ион цинка, ртути и т.д.) переносит два таких заряда и т.д. Никогда не встречается при электролизе случаев, когда бы с ионом переносился заряд, содержащий дробную часть от Кл. Немецкий физик и физиолог Гельмгольц, обративший внимание на это следствие из законов Фарадея, сделал отсюда заключение, что указанное количество электричества представляет наименьшее количество электричества, существующее в природе. Этот минимальный заряд получил название элементарного заряда.

Таким образом, в явлениях электролиза исследователи впервые столкнулись с проявлениями атомной природы электричества и сумели определить величину элементарного электрического заряда

Экспериментальная часть

Первичным результатом электролиза является выделение на электродах составных частей молекулы растворенного вещества. Однако фактически мы часто обнаруживаем на одном или обоих электродах не те атомы или атомные группы, которые перемещались в растворе и первоначально выделялись на электродах, а другие, освобождающиеся при вторичных химических реакциях, в которые вступают освободившиеся первичные атомы и группы.

Вода взаимодействует с хлоридом натрия под действием электрического тока, получаем водород, хлор и гидроксид натрия

Независимо от того, выделяются ли на электродах первичные продукты электролиза или продукты вторичных реакций, законы Фарадея всегда сохраняют силу. Это происходит потому, что каждый атом какого-то вещества, выделяющийся на электродах, вступая в дальнейшие химические реакции, может заменить собой либо один атом или группу атомов той же валентности, либо несколько атомов, общая сумма валентностей которых равна его валентности.

Состояние водорода, выделяющегося в процессе электролиза, подчиняется уравнению Клапейрона-Менделеева

где P — давление водорода; V — объем водорода; m — масса водорода; получающегося в результате электролиза; М — молярная масса водорода. определенная по Периодической системе элементов Д. И.Менделеева с учетом числа атомов образующих молекулу; R — универсальная газовая постоянная, равная 8,31 Дж/моль∙К; Т – температура, К.

Как следует из законов Фарадея, масса выделившегося водорода

Так как водород – газообразное вещество, его массу в эксперименте измерить не удается, для этого и необходимо воспользоваться уравнением состояния идеального газа.

Давление столба жидкости на уровне соприкосновения жидкости и газа

Объем водорода, определяемы  в ходе эксперимента, равен

Значение электрохимического эквивалента для иона водорода берется из таблицы

Температура определяется с помощью жидкостного термометра, молярная масса водорода равна , атмосферное давление определяется по показаниям барометра. Погрешность измерений высоты столба жидкости на последней стадии опыта составит 1/50=0,02, то есть 2%. При проведении эксперимента температура составляла 18˚С=291 К, а давление P=99218 Па. Ускорение  свободного падения принято за 9.8

Порядок проведения эксперимента

Приборы и материалы: электрическая ванна, шприц с отрезанной узкой частью, графитовые электроды, амперметр, источник тока, соединительные провода, часы, поваренная соль, вода.

• Замыкаем электрическую цепь и наблюдаем на одном из электродов образование пузырьков.
• Пузырьки поднимаются вверх и вытесняют раствор из шприца.
• Достаем шприц из раствора. Газ не выходит, так как он легче воздуха.
• Подносим спичку к открытому концу шприца, раздается глухой хлопок, что подтверждает наличие водорода.

Результаты опыта заносим в таблицу.

Номер опыта	Время (с)	Напряжение (В)	Сила тока (А)	Объем водорода (мл)	Заряд (Кл)	Давление водорода (Па)
1
2
3
4
5

 

Атмосферное давление _________ Па.

 

Обсуждения полученных результатов

В результатах прослеживается прямая пропорциональная зависимость между временем прохождения тока и объемом образующегося водорода. С увеличением силы тока объем водорода увеличивается. Увеличение происходит за счет роста числа  носителей в растворе.

Наши измерения, проведенные в столь необычных условиях, используя низкое напряжение и доступные вещества: воду и поваренную соль – можно получить альтернативный источник энергии – водород [8].

 

3.3. Элективный курс по физике «Альтернативная энергетика»

 

Образовательная область: физика

Возрастная группа: 11 класс

Вид элективного курса: профильный.

Тип элективного курса: прикладные элективные курсы, цель которых – знакомство учащихся с важнейшими путями и методами применения знаний по физике на практике, развитие интереса учащихся к современной технике и производству.

Программа курса «Альтернативная электроэнергетика» предназначена для углубления знаний по физике и для ознакомления учащихся 11-го класса с нетрадиционными способами получения электрической энергии.

Энергия – не только одно из чаще всего обсуждаемых сегодня понятий; помимо своего основного физического (а в более широком смысле – естественнонаучного) содержания, оно имеет многочисленные экономические, технические, политические и иные аспекты.

Человечеству нужна энергия, причем потребности в ней увеличиваются с каждым годом. Вместе с тем запасы традиционных природных топлив (нефти, угля, газа и др.) конечны. Конечны также и запасы ядерного топлива - урана и тория, из которого можно получать в реакторах - размножителях плутоний. Практически неисчерпаемы запасы термоядерного топлива – водорода, однако управляемые термоядерные реакции пока не освоены и неизвестно, когда они будут использованы для промышленного получения энергии в чистом виде, т.е. без участия в этом процессе реакторов деления. Остаются два пути: строгая экономия при расходовании энергоресурсов и использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии.

Сегодня в мире использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии достигло промышленного уровня, ощутимого в энергобалансе ряда стран. Масштабы применения нетрадиционных возобновляемых источников энергии в мире непрерывно и интенсивно возрастают. Это направление является одним из наиболее динамично развивающихся среди других направлений в энергетике.

Данный элективный курс профильного обучения развивает интерес к физике и расширяет возможности социализации учащихся.

Курс рассчитан на 20 часов, однако, его программа может корректироваться.

Программа курса имеет традиционное деление на рубрики: тема, ее содержание, время изучения, творческие задания, экскурсии, в конце приводится список литературы. Занятия могут проводиться в разнообразной форме, обобщающее занятие проводится в форме конференции. Также могут быть проведены экскурсии, при этом внимание обращается на выделение физических явлений.

Дети должны научиться самостоятельно, приобретать знания, критически оценивать полученную информацию, излагать свою точку зрения по изучаемому вопросу, выслушивать другие мнения и конструктивно обсуждать их. Поэтому ведущими занятиями являются семинар и практическое занятие, конечно, есть и лекционный курс. Темы семинаров даются заранее.

 

Ожидаемыми результатами данного курса являются

• Получение представлений о нетрадиционном способе получения электрической энергии с помощью: энергии солнца, ветра, приливов и отливов, геотермальной энергии и т.д.
• Получение представлений о влиянии СЭС, ВЭС, ПЭС, ГеоТЭС на экологические проблемы.
• Приобретение опыта поиска информации по заданной теме; составления докладов, отчетности; навыков проектной деятельности и анализа полученных результатов.
• Развитие познавательных интересов, интеллектуальных и творческих способностей на основе самостоятельного приобретения новых знаний.
• Начальное формирование сознательного самоопределения учащихся относительно профиля дальнейшего обучения.
• Умение сотрудничать с товарищами, работая в группе.

Цели курса

1. Способствовать развитию интеллектуальных и творческих способностей учащихся.
2. Способствовать развитию познавательных интересов учащихся в процессе самостоятельного приобретения знаний и умений по физике с использованием различных источников информации.
3. Оказать помощь в принятии решения о направлении профессиональной деятельности.
4. Формировать умение моделировать физические процессы.
5. Расширить и углубить теоретические знания учащихся о получении  электрической энергии нетрадиционными способами