Bateria z Bagdadu - pierwszym ...

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Metodyka i praktyka szkolna
Bateria z Bagdadu – pierwszym
ogniwem galwanicznym?
Praca konkursowa –II nagroda
KRZYSZTOF ORLIŃSKI
zbudową ogniw galwanicznych od
strony praktycznej, określaniem
znaków elektrod oraz pomiarem potencja-
łów skonstruowanych układów. Niniejszy
scenariusz zajęć przeznaczony jest dla klas
szkół ponadgimnazjalnych, realizujących
program nauczania chemii w zakresie roz-
szerzonym. Scenariusz może być również
wykorzystany w gimnazjum lub klasie szko-
ły ponadgimnazjalnej, realizującej program
chemii w zakresie podstawowym jako temat
fakultatywny lub przeznaczony do realizacji
podczas zajęć dodatkowych (typu „wieczór
ciekawej chemii”) – w tym przypadku nale-
ży odpowiednio zmodyfikować zakres prze-
kazywanych treści. Za pomocą przedsta-
wionych eksperymentów można wzbudzić
zainteresowanie chemią uczniów z klas,
w których nie jest ona przedmiotem wybie-
ranym do zdawania na maturze oraz wy-
kształcić umiejętności przydatne nie tylko
na zajęciach tego przedmiotu (doświadczal-
na weryfikacja hipotezy).
PRZEBIEG ZAJĘĆ
1. Wstęp do zajęć – przypomnienie
wiadomości dotyczących budowy
ogniw galwanicznych i stosowanego
nazewnictwa
Początek zajęć poświęcamy na krótkie
przypomnienie najważniejszych wiadomo-
ści dotyczących ogniw galwanicznych.
l
Co to jest ogniwo galwaniczne?
Ogniwo galwaniczne to układ dwóch
różnych metali (elektrod ogniwa), zanu-
rzonych w roztworze elektrolitu. Elek-
trolit może być wspólny dla obu elektrod
lub też każda z nich może być zanurzona
winnym roztworze (wtedy jednak nale-
ży zapewnić kontakt elektryczny pomię-
dzy roztworami, najczęściej za pomocą
tzw. klucza elektrolitycznego).
l
Jak nazywają się elektrody w ogniwie
galwanicznym?
Elektrody w ogniwie to katoda i anoda.
l
Jakie reakcje przebiegają na poszcze-
gólnych elektrodach ogniwa galwa-
nicznego?
Anoda jest elektrodą, która odprowadza
elektrony z przestrzeni reakcyjnej do ze-
wnętrznego obwodu prądu. Zachodzi
na niej utlenianie, np. atomy metalu tej
elektrody oddają elektrony i w postaci
jonów przechodzą do roztworu. Anoda
w ogniwie jest ujemna w stosunku do
drugiej elektrody – katody.
Katoda jest elektrodą, która doprowa-
dza elektrony z zewnętrznego obwodu
do układu. Na niej z kolei zachodzi re-
dukcja, np. jony metalu elektrolitu po-
bierają elektrony i osadzają się na kato-
dzie w postaci obojętnych atomów.
Cele szczegółowe
Uczeń umie:
l
budować ogniwa galwaniczne z ogólnie
dostępnych materiałów;
l
stosować nazewnictwo dotyczące ogniw
galwanicznych do elementów skonstru-
owanych układów;
l
mierzyć SEM ogniw i zapisywać równa-
nia przebiegających w nich reakcji;
l
doświadczalnie weryfikować postawioną
hipotezę.
Metoda prowadzenia zajęć:
problemowa.
3/2010
35
C
elem zajęć jest zapoznanie uczniów
Metodyka i praktyka szkolna
Katoda w ogniwie jest dodatnia w sto-
sunku do anody.
l
Jak zapisuje się schemat ogniwa?
Zgodnie z konwencją sztokholmską
schematyczny zapis budowy ogniwa jest
następujący (od lewej strony):
– anoda (materiał anody, np. Zn);
– elektrolit anodowy (np. ZnSO
4aq
,
Zn
a
2+
);
– kontakt elektryczny (np. klucz elek-
trolityczny oznaczony symbolem ||);
– elektrolit katodowy (np. CuSO
4aq
,
Cu
a
2+
);
– katoda (materiał katody, np. Cu).
Granice faz (metal – elektrolit) zazna-
czamy za pomocą pionowej kreski |.
Przykładowy schemat ogniwa (ogniwo
Daniella):
(–)Zn | ZnSO
4aq
|| CuSO
4aq
| Cu(+).
Bateria z Bagdadu
Źródło: Wikipedia
w 1936 roku przez niemieckiego archeolo-
ga Wilhelma Königa w okolicach Bagdadu
(następne zaś dopiero w latach 60. XX wie-
ku). Powstanie naczyń jest datowane na
III wiek p.n.e. Uczeni postawili hipotezę,
że baterie służyły do pokrywania wyrobów
powłokami z metali szlachetnych (jeszcze
do niedawna złotnicy na Bliskim Wscho-
dzie używali własnoręcznie wykonanych
przyrządów o podobnej konstrukcji). Nie-
którzy archeolodzy jednak podchodzą
sceptycznie do tych rewelacji, twierdząc, że
nie zachowały się żadne dowody użycia
elektryczności w owych czasach.
l
Jak określa się potencjał ogniwa gal-
wanicznego?
Potencjał ogniwa (różnica potencjałów
półogniw) nazywamy siłą elektromoto-
ryczną ogniwa – SEM. Ponieważ SEM
musi mieć wartość dodatnią, od poten-
cjału katody E
K
odejmujemy potencjał
anody E
A
.
SEM = E
K
– E
A
Należy pamiętać, że SEM mierzymy dla
ogniwa niepracującego (w praktyce używa
się woltomierza o bardzo dużym oporze
wewnętrznym).
Nauczyciel:
Hipoteza jest niezmiernie
interesująca. Jej potwierdzenie pozwoliło-
by przesunąć początek przygody ludzkości
z elektrycznością o ponad 2000 lat (pierw-
sze doświadczenia w Europie przeprowa-
dzono na przełomie wieku XVIII i XIX).
Ponadto sami archeolodzy często wykonu-
ją rozmaite przedmioty starożytnymi tech-
nikami, aby lepiej poznać życie i działal-
ność naszych przodków. Pozwólmy więc,
aby spór między uczonymi rozstrzygnęło
doświadczenie (patrz Doświadczenie 1.)!
2. Bateria z Bagdadu
Uczniowi prezentują krótki, kilkuminu-
towy referat dotyczący baterii z Bagdadu
(praca zlecona przez nauczyciela na po-
przednich zajęciach), ilustrowany zdjęcia-
mi i rysunkami.
Referat:
„Bateria z Bagdadu” to wypeł-
nione octem gliniane naczynie, zawierające
odizolowane od siebie: miedziany rulon
iżelazny pręt. Do uszczelnienia naczynia
użyto występującej naturalnie smoły.
Pierwszy egzemplarz został znaleziony
3. „Owocowe” ogniwa galwaniczne
Nauczyciel:
Jednak nie tylko bateria
zBagdadu mogła być ogniwem galwanicz-
nym znanym w starożytności. Zbudujemy
także inne układy, których skonstruowanie
było możliwe w owych czasach (Doświad-
czenie 2.).
36
Chemia w Szkole
Metodyka i praktyka szkolna
Doświadczenie 1.
Konstrukcja baterii z Bagdadu
Sprzęt i odczynniki:
kolba Erlenmey-
era (można użyć także glinianego naczy-
nia dla osiągnięcia bardziej „autentyczne-
go” efektu), miedziana blacha z przyluto-
wanym przewodem, drut żelazny lub duży
gwóźdź z przylutowanym przewodem,
spożywczy ocet winny (dostępny również
w III wieku p.n.e.) lub roztwór kwasu
octowego o stężeniu ok. 6%, plastelina
do uszczelnienia zestawu, miernik uni-
wersalny. Powierzchnia metali powinna
być dobrze oczyszczona przed zanurze-
niem w roztworze octu winnego.
Przebieg doświadczenia:
Zwiniętą
w rulon blachę miedzianą umieszczamy
w kolbie, a w środku rulonu gwóźdź żela-
zny (metale nie mogą się zetknąć ze so-
bą). Kolbę napełniamy octem winnym,
acały układ stabilizujemy i uszczelniamy
za pomocą plasteliny (przewody należy
wyprowadzić na zewnątrz). Za pomocą
miernika uniwersalnego mierzymy napię-
cie na końcach przewodów.
Obserwacje:
Napięcie wskazywane
przez miernik wynosi ok. 0,4–0,5 V. Spo-
sób przyłączenia zacisków miernika
do wyprowadzeń elektrod pozwala rów-
nież określić ich znaki
(pokazywane napięcie
jest „dodatnie” tylko
w jednym z przypad-
ków połączenia prze-
wodów z miernikiem).
Wnioski:
W zbudo-
wanym układzie elek-
troda żelazna jest
ujemna (anoda), zaś
miedziana – dodat-
nia (katoda). Prze-
biegające na elek-
trodach reakcje
zapiszemy za po-
mocą następu-
jących równań:
A(–): Fe
0
Fe
2+
+2e
–
H
2
(jony wodorowe pochodzą z dysocjacji
kwasu octowego)
Schemat ogniwa (elektrody są zanu-
rzone we wspólnym elektrolicie):
(–)Fe | CH
3
COOH
aq
| Cu(+)
Doświadczenie 2.
„Owocowe ogniwa”
Sprzęt i odczynniki:
Kilka rodzajów
owoców (należy wybrać owoce soczyste
ze względu na lepsze prze-
wodnictwo), druciki z ró-
żnych metali: żelaza, mie-
dzi, aluminium, cynku (waż-
ne jest staranne oczyszcze-
nie ich powierzchni przed
rozpoczęciem eksperymen-
tu), miernik uniwersalny,
zegarek elektroniczny (zasi-
lany małym ogniwem lito-
wym).
Przebieg doświadczenia:
Wbijamy dru-
ciki z różnych metali w owoce i za pomocą
miernika uniwersalnego mie-
rzymy napięcie na ich koń-
cach. Określamy znaki elek-
trod poprzez przyłączenie
do odpowiednich zacisków
miernika. Łączymy „owoco-
we” ogniwa w baterie (sze-
regowo), po czym ponownie
mierzymy napięcie. Do zaci-
sków tak skonstruowanej ba-
terii podłączamy zegarek.
3/2010
37
K(+): 2H
+
+2e
–
Metodyka i praktyka szkolna
Wnioski:
Zmierzone wartości napięcia
różnią się w zależności od użytych metali
i owoców. Uzyskane napięcia są wystar-
czające do zasilenia drobnego sprzętu
elektronicznego, nie wymagającego prze-
pływu prądu o dużym natężeniu. Dla
ogniwa złożonego z pręcików: cynkowego
(anoda) i miedzianego (katoda), wbitych
w jabłko, reakcje elektrodowe zapiszemy
za pomocą następujących równań:
A(–): Zn
0
Ze
2+
+2e
–
H
2
(jony wodorowe pochodzą z dysocjacji
kwasów organicznych zawartych
w miąższu jabłka)
Schemat ogniwa (elektrody zanurzone
są we wspólnym elektrolicie, będącym
roztworem różnych kwasów organicznych
o wzorze ogólnym HA):
(–)Zn | HA
aq
| Cu(+)
„Cytrynowe” ogniwo zbudowane z pręcików aluminio-
wego i miedzianego
Obserwacje:
Mierzone napięcia są rzę-
du 0,3–0,5V. Szeregowe połączenie ze-
stawionych układów pozwala uzyskać wy-
ższe wartości napięcia.
4. Podsumowanie zajęć
Weryfikacja hipotezy przez uczniów:
Bateria z Bagdadu istotnie mogła działać
jako pierwsze znane ogniwo galwaniczne.
Do jej konstrukcji użyto bowiem materia-
łów powszechnie dostępnych w owych cza-
sach: miedzi, żelaza, octu, gliny i smoły.
Ponadto otrzymywane napięcia i możli-
wość ich zwiększenia poprzez szeregowe
łączenie poszczególnych ogniw w baterie
umożliwiały praktyczne wykorzystanie ba-
terii z Bagdadu (np. podczas galwaniczne-
go złocenia). Łatwość skonstruowania
prostych ogniw i zwiększania uzyskiwane-
go napięcia potwierdzają również do-
świadczenia wykonane z „owocowymi”
ogniwami.
Nauczyciel:
Do identycznych wniosków
doszli także autorzy popularnego programu
„Pogromcy mitów” („Myth Busters”), któ-
rzy w odcinku 29. z 2005 roku sporządzili
kilka egzemplarzy baterii z Bagdadu i zba-
dali ich działanie. Oni także uznali za praw-
dopodobną hipotezę, że były to pierwsze
znane ogniwa galwaniczne. Może więc po-
winno się, dzięki przeprowadzonemu eks-
perymentowi, zapisać nowe karty historii
techniki i ludzkiej cywilizacji?
Po zajęciach uczniowie umieją:
1. Określić znaki, podać nazwy elektrod
oraz zmierzyć SEM skonstruowanych
przez siebie ogniw galwanicznych.
2. Zapisać równania reakcji przebiegają-
cych na elektrodach.
3. Doświadczalnie zweryfikować postawio-
ną hipotezę.
mgr
KRZYSZTOF ORLIŃSKI
Ze spół Szkół Po nad gim na zjal nych Nr 3 w Koń skich.
L
ITERATURA
[1] Bateria z Bagdadu: zasoby Internetu – słowa kluczowe dla wyszuki-
warki
Baghdad Battery
.
[2] Owocowe ogniwa: zasoby Internetu – słowa kluczowe dla wyszuki-
warki
fruit cell
.
[3] Mizerski W.,
Pomarańczowa elektroda wzorcowa (PEW)
, Kurier
Chemiczny nr 5 (23), 1994.
38
Chemia w Szkole
K(+): 2H
+
+2e
–
[ Pobierz całość w formacie PDF ]