Химия и Химики № 8 2009. Фруктовая батарейка

В окружающем нас мире очень важную роль играют химические источники тока. Они используются в мобильных телефонах и космических кораблях, в крылатых ракетах и ноутбуках, в автомобилях, фонариках и обыкновенных игрушках. Мы каждый день сталкиваемся с батарейками, аккумуляторами, топливными элементами. Несмотря на большие различия в конструкции и назначении, химические источники тока работают по схожему принципу.

В раствор электролита погружено два электрода. На первом электроде какое-то вещество отдает свои электроны, они двигаются по внешней электрической цепи ко второму электроду, где эти электроны присоединяет другое вещество. На первом электроде проходит процесс окисления, на втором - восстановления. Окисляться может, как материал электрода (цинк, железо, магний, натрий), так и вещество, растворенное в электролите (водород, метанол). Окислителем служит вещество, растворенное в электролите, например, ионы водорода и металлов, кислород или расплавленная сера. Первый электрод заряжен отрицательно (он отдает электроны в систему), второй - положительно (он забирает электроны из системы). В цепи течет электрический ток.

Рассмотрим это на простом примере. В стакан с раствором сульфата меди опустим две пластинки: цинковую и медную. Соединим пластинки проводом. Ионы цинка будут переходить в раствор, а электроны, которые при этом освободятся, перейдут через проводник к медной пластинке. На поверхности меди ионы Cu²⁺ присоединяют электроны, превращаясь в нейтральные атомы.

В результате, цинковая пластинка будет растворяться, на поверхности медной пластинки будет оседать металлическая медь, а по проводу потечет электрический ток:

Zn - 2e^- => Zn²⁺
Cu²⁺ + 2e^- => Cu

Цинковый электрод заряжен отрицательно, медный положительно. Восстановителем служит цинк, окислителем - ионы меди в растворе. Если вместо раствора медного купороса использовать разбавленную серную кислоту, то окислителем будут ионы водорода, а если просто подсоленную воду - роль окислителя будет играть кислород.

Итак, чтобы сделать гальванический элемент нам необходимо: два электрода, окислитель, восстановитель и электролит.

Возьмем три пластинки: медную, железную и магниевую - они будут служить электродами. Чтобы измерить напряжение, нам необходим вольтметр, для этих целей вполне подойдет цифровой (или аналоговый) тестер. А в качестве "стакана" с электролитом мы используем большой и красивый... апельсин. Сок фруктов и овощей содержит растворенные электролиты - соли и органические кислоты. Их концентрация не очень высока, но нас это вполне устраивает.

Итак, положим апельсин на стол и воткнем в него три наших электрода (медный, железный и магниевый) [1]. К каждому из электродов предварительно прикрепите по проводку (для этого удобно пользоваться "крокодильчиками"). Теперь присоедините контакты тестера к медному и железному электроду. Прибор покажет напряжение около 0.4-0.5 В. Отсоедините контакт от железного электрода и подключите его к магниевому. Между медным и магниевым электродами возникнет разница потенциалов около 1.4-1.5 В - примерно как у "пальчиковой" батарейки. И наконец, гальванический элемент железо-магний даст напряжение около 0.8-0.9 В. Если поменять контакты местами, то показаниях прибора изменится знак ("+" на "-" или наоборот). Другими словами, ток потечет через вольтметр в противоположном направлении.

__________________________________________________
¹ Разумеется, электроды не должны между собой соприкасаться.

Вместо апельсина можно использовать грейпфрут, яблоко, лимон, луковицу, картофель и многие другие фрукты или овощи. Любопытно, что батарейки из апельсина, яблока, грейпфрута и луковицы давали довольно близкие значения напряжения - разница не превышала 0.1 В [2]. Восстановителем в нашем случае служит железо или магний, окислителем - ионы водорода и кислород (которые содержатся в соке). Обратите внимание, что железо в гальваническом элементе медь-железо заряжено отрицательно, а в элементе железо-магний - положительно. Если у вас нет магния, эксперимент можно провести и с двумя электродами - медным и железным. Вместо железа можно взять цинк или кусочек оцинкованной жести. Цинковый электрод должен дать большую разность потенциалов с медью и меньшую с магнием.

__________________________________________________
² Во всех случаях электроды были те же самые.

Смотреть Видео (86 Мб, .avi )

В случае цитрусовых, эксперимент выглядит особенно красиво, если разрезать плод поперек, так, чтобы были видны "дольки" и вставить в них электроды (обычно так разрезают лимон). Если плод разрезать вдоль, это будет выглядеть не так эффектно.

Приведенные цифры не следует воспринимать как абсолютные. Напряжение нашей батарейки зависит от концентрации ионов водорода (а также - других ионов) в соке фруктов и овощей, скорости диффузии кислорода, состояния поверхности электродов и других факторов. Напряжение сделанной вами батарейки может значительно отличатся от того, что наблюдалось в данном эксперименте.

Можно соединить несколько фруктовых батареек последовательно - это увеличит напряжение пропорционально количеству взятых фруктов (см. схему ниже). Предлагаю вам сделать этот эксперимент самостоятельно.