Warzywa i owoce w laboratorium
czyli pomiar napięcia dla elektrolitów przygotowanych z produktów spożywczych
Celem projektu było zbadanie, który produkt jest najlepszy do budowy ogniwa.
Fot. 1.: Płytki z miedzi i z żelaza użyte w doświadczeniu.
Przygotowane zostały:
- płytki z miedzi i z żelaza o tych samych wymiarach
(wszystkie płytki mają identyczna powierzchnie (Fot.1) pozwala to porównywać ze sobą różne elektrolity. Napięcie bowiem zależy również od użytych elektrod)
- elektrolity czyli użyte w doświadczeniu produkty spożywcze
(o powierzchni takiej samej jak powierzchnia płytek, należy jednak pamiętać, że ich wymiary wpływają na opór wewnętrzny źródła, a nie na wartość napięcia)
- mierniki napięcia
- przewody
- dioda
Fot.2.: Pomiar napięcia na pojedynczym ogniwie, w którym elektrolitem jest miąższ gruszki.
Zbudowaliśmy układ pomiarowy (Rys.1.; Fot.2.):
- elektroda miedziana
- elektrolit
- elektroda z żelaza
- przewody łączące elektrody z miernikiem
Schemat układu pomiarowego:
Rys.1.: Pomiar napięcia uzyskanego przy użyciu elektrod (miedzianej i żelaznej) o grubości ok. 0,5 mm. Wymiary elektrod to około 1,7 x 2,0cm. Napięcie mierzone miernikiem elektronicznym z bezpośrednim przyłożeniem sond pomiarowych do elektrod.
Zarejestrowane pomiary:
| Elektrolit | Napięcie [V] |
| brzoskwinia | 0,54 |
| gruszka | 0,54 |
| awokado | 0,53 |
| kiwi | 0,50 |
| ziemniak gotowany (bez soli) | 0,50 |
| ogórek | 0,49 |
| cebula | 0,48 |
| pomidor | 0,47 |
| mleko spożywcze 3,2% tłuszczu | 0,46 |
| ziemniak surowy | 0,45 |
| kwas z kapusty kwaszonej | 0,39 |
| woda źródlana (z kranu) | 0,36 |
Tab. 1.: Przedstawia elektrolity i odpowiadające im napięcia dla pojedynczego ogniwa.
Należy pamiętać, że napięcie nie zależy tylko od elektrolitu, ale również od elektrod użytych w pomiarach. Jeżeli zamiast elektrody z żelaza użylibyśmy elektrody cynkowej z pewnością otrzymalibyśmy inne napięcia badając ten sam elektrolit. Napięcia w układzie z elektrodą cynkową byłyby wyższe. Jednak biorąc pod uwagę szkodliwy wpływ cynku dla zdrowia użyliśmy elektrod z żelaza.
Uzyskaliśmy zbyt małe napięcia, aby podłączona do ogniwa dioda zaświeciła. Postanowiliśmy łączyć pojedyncze układy szeregowo ( tak jak na Fot.3.) i chyba nikogo nie dziwi, że otrzymaliśmy w ten sposób większe napięcia.
Fot. 3.: (lewy górny róg) Cztery pojedyncze ogniwa, w których elektrolitem jest gotowany ziemniak (poniżej) te same cztery ogniwa połączone szeregowo.
Napięcia w przybliżeniu wzrastały wprost proporcjonalne do liczby ogniw w układzie:
(można to zauważyć analizując tabelę)
| Elektrolit | Napięcie [V] | ||
| Pojedyncze ogniwo | Podwójne ogniwo | Potrójne ogniwo | |
| Ogórek | 0,44 | 0,80 | 1,17 |
| Ziemniak surowy | 0,45 | 0,95 | 1,40 |
| Burak | 0,37 | 0,73 | 1,12 |
Tab. 2. Zarejestrowane napięcia dla wybranych elektrolitów dla pojedynczego, podwójnego i potrójnego ogniwa.
Na podstawie wcześniejszych pomiarów (Fot. 4.) wiemy, że aby dioda, użyta w doświadczeniu zabłysła należy przyłożyć doń napięcie 1,60V. (Zostały zbadane trzy diody. Dioda czerwona HB3B-446ARA potrzebowała mniejszego napięcia, żeby zaświecić - dlatego użyliśmy jej w doświadczeniu)
Fot. 4.: Podłączenie diody do zasilacza i zwiększenie napięcia do momentu zaświecenia diody (Ponieważ miernik napięcia na zasilaczu jest wskaźnikowy do poprawnego odczytu posłużono się miernikiem uniwersalnym).
Następnym etapem było znalezienie substancji spożywczej, która wygeneruje napięcie potrzebne do zaświecenia diody przy jak najmniejszej liczbie ogniw.
Przy trzech ogniwach zabłysła dioda dla:
- kiwi;
- Coca-Coli (pomiędzy płytki włożone zostały chusteczki nasączone colą - Fot. 5).
Fot. 5.: (Górny prawy róg) wskazania napięcie miernika uniwersalnego dla trzech ogniw połączonych szeregowo, w których elektrolitem jest cola-cola, (poniżej zaprezentowanie świecenia diody dla tego samego układu).
Każde ogniwo posiada opór wewnętrzny, który w układzie z diodą wpływa na napięcie odczytywane miernikiem.
Zgodnie ze wzorem:
U – mierzone napięcie;
Ɛ – siła elektromotoryczna ogniwa
Uw – spadek napięcia na ogniwie wywołany oporem wewnętrznym
Rozpisując Uw otrzymujemy wzór
rw - opór wewnętrzny ogniwa;
Opór zależy od ogniwa między innymi od elektrolitu.
Fot. 6.: Opór wewnętrzny ogniwa wyznaczyliśmy za pomocą miernika uniwersalnego. Aby nie generować napięcia na ogniwie użyliśmy dwóch elektrod miedzianych (np. opór wewnętrzny dla ziemniaka gotowanego wynosił 3,8kΩ).
Nie pomijamy faktu, że napięcie na ogniwie uległo zmianie, gdy podłączyliśmy do tego ogniwa diodę. Spadek napięcia okazał się niewielki - dla diody czerwonej wyniósł Uw = 0,04V.
Dobrze, wszystko się zgadza, ale jak to się dzieje, że płynie prąd???
Na granicy faz Fe/kwas owocowy kationy żelaza Fe++ przechodzą do roztworu, zaś uwolnione elektrony płyną przez żelazną anodę
Fe → Fe++ + 2e-.
która przekazała uprzednio własne elektrony kationom wodorowym podpływającym do granicy faz Cu/kwas owocowy
2H+ + 2e- → H2.
W wyniku tego przy miedzianej katodzie wydziela się gazowy wodór, który jest wypierany z roztworu na rzecz kationów żelaza. Ujemnie naładowane reszty kwasowe znajdujące się w roztworze mają z kolei skłonność do gromadzenia się wokół żelaznej anody.
Przy tego typu doświadczeniu należy pamiętać, żeby użyć do pomiarów wszystkich elektrolitów identycznych elektrod (powoduje to uzależnienie wyniku napięcia jedynie od elektrolitu). Ten sam elektrolit, którego my użyliśmy w doświadczeniu może generować inne napięcie dla innych elektrod (dowód na to, że napięcie jest zależne nie tylko od elektrolitu, ale też od elektrod). Wymiary elektrolitu wpływają na czas działania ogniwa, ale nie na wartość jego siły elektromotorycznej.
Fot. 7.: Uczestnicy KNF w trakcie pomiarów.
