Πείραμα μπαταρίας λεμονιού

Το πείραμα μπαταρίας λεμόνι είναι ένα κλασικό επιστημονικό έργο που απεικονίζει ένα ηλεκτρικό κύκλωμα, ηλεκτρολύτες, την ηλεκτροχημική σειρά μετάλλων και αντιδράσεις οξείδωσης-αναγωγής (οξειδοαναγωγής). Η μπαταρία παράγει αρκετή ηλεκτρική ενέργεια για να τροφοδοτήσει ένα LED ή άλλη μικρή συσκευή, αλλά όχι αρκετή για να προκαλέσει βλάβη, ακόμα κι αν αγγίξετε και τα δύο ηλεκτρόδια. Δείτε πώς να κατασκευάσετε μια μπαταρία λεμονιού, μια ματιά στον τρόπο λειτουργίας της και τρόπους μετατροπής του έργου σε πείραμα.

Υλικά μπαταρίας λεμόνι

Χρειάζεστε μερικά βασικά υλικά για μια μπαταρία λεμονιού, τα οποία είναι διαθέσιμα σε ένα παντοπωλείο και ένα κατάστημα υλικού.

Λεμόνι
Γαλβανισμένο καρφί
Χάλκινη πένα, ταινία ή σύρμα
Σύρματα ή λωρίδες από φύλλο αλουμινίου
Κλιπ αλιγάτορα ή ηλεκτρική ταινία
Λαμπτήρας LED, πολύμετρο, ψηφιακό ρολόι ή αριθμομηχανή

Εάν δεν έχετε λεμόνι, χρησιμοποιήστε οποιοδήποτε εσπεριδοειδές. Ένα γαλβανισμένο καρφί είναι ένα ατσάλινο καρφί που είναι επιμεταλλωμένο με ψευδάργυρο. Το κλασικό έργο χρησιμοποιεί χαλκό και ψευδάργυρο επειδή αυτά τα δύο μέταλλα είναι φθηνά και άμεσα διαθέσιμα. Ωστόσο, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε οποιαδήποτε δύο αγώγιμα μέταλλα, αρκεί να είναι διαφορετικά μεταξύ τους.

Φτιάξτε μια μπαταρία λεμονιού

Στίψτε απαλά το λεμόνι ή κυλήστε το σε ένα τραπέζι για να μαλακώσει. Αυτό βοηθά τη ροή του χυμού μέσα στα φρούτα.
Βάλτε τον χαλκό και τον ψευδάργυρο στα φρούτα. Θέλετε τη μέγιστη επιφάνεια στο ζουμερό μέρος του φρούτου. Η φλούδα λεμονιού βοηθά στη στήριξη του μετάλλου, αλλά αν είναι πολύ πηχτή και το μέταλλο δεν φτάνει στο χυμό, ξύστε ένα μέρος της φλούδας. Στην ιδανική περίπτωση, διαχωρίστε τα μεταλλικά κομμάτια κατά περίπου 2 ίντσες (5 εκατοστά). Βεβαιωθείτε ότι τα μέταλλα δεν αγγίζουν το ένα το άλλο.
Συνδέστε ένα καλώδιο στο γαλβανισμένο καρφί χρησιμοποιώντας ένα κλιπ αλιγάτορα ή μια ηλεκτρική ταινία. Επαναλάβετε τη διαδικασία με το χάλκινο στοιχείο.
Συνδέστε τα ελεύθερα άκρα του καλωδίου σε LED ή άλλη μικρή ηλεκτρονική συσκευή. Όταν συνδέετε το δεύτερο καλώδιο, το φως ανάβει.

Αυξήστε την ισχύ

Η τάση μιας μπαταρίας λεμόνι είναι περίπου 1,3 V έως 1,5 V, αλλά παράγει πολύ λίγο ρεύμα. Υπάρχουν δύο εύκολοι τρόποι για να αυξήσετε την ισχύ της μπαταρίας.

Χρησιμοποιήστε δύο πένες και δύο χάλκινα κομμάτια στο λεμόνι. Δεν θέλετε να ακουμπήσει κανένα από τα μεταλλικά κομμάτια μέσα στο φρούτο. Όπως και πριν, συνδέστε ένα κομμάτι ψευδαργύρου και ένα χάλκινο κομμάτι στο LED. Αλλά, συνδέστε το άλλο ψευδάργυρο και χαλκό μεταξύ τους.
Συνδέστε περισσότερα λεμόνια σε σειρά μεταξύ τους. Τοποθετήστε ένα καρφί και ένα κομμάτι χαλκού σε κάθε καρφί. Συνδέστε τον χαλκό ενός λεμονιού με τον ψευδάργυρο του επόμενου λεμονιού. Συνδέστε το καρφί στο τέλος της σειράς στο LED και το χάλκινο στο τέλος της σειράς στο LED. Εάν δεν έχετε πολλά λεμόνια, μπορείτε να κόψετε ένα λεμόνι σε κομμάτια.

Πώς λειτουργεί μια μπαταρία λεμονιού

Μια μπαταρία λεμονιού είναι παρόμοια με την πρώτη μπαταρία του Βόλτα, με τη διαφορά ότι χρησιμοποίησε αλατόνερο αντί για χυμό λεμονιού. Ο ψευδάργυρος και ο χαλκός είναι ηλεκτρόδια. Ο χυμός λεμονιού είναι ηλεκτρολύτης. Ο χυμός λεμονιού περιέχει κιτρικό οξύ. Ενώ τόσο τα άλατα όσο και τα οξέα είναι παραδείγματα ηλεκτρολυτών, τα οξέα συνήθως κάνουν καλύτερη δουλειά στις μπαταρίες.

Η σύνδεση των ηλεκτροδίων ψευδαργύρου και χαλκού χρησιμοποιώντας ένα καλώδιο (ακόμη και με LED ή πολύμετρο ανάμεσά τους) ολοκληρώνει ένα ηλεκτρικό κύκλωμα. Το κύκλωμα είναι ένας βρόχος μέσω του ψευδάργυρου, του σύρματος, του χαλκού και του ηλεκτρολύτη, πίσω στον ψευδάργυρο.

Ο ψευδάργυρος διαλύεται στο χυμό λεμονιού, αφήνοντας ιόντα ψευδαργύρου (Zn) στον χυμό, ενώ τα δύο ηλεκτρόνια ανά άτομο κινούνται μέσω του σύρματος προς τον χαλκό. Η ακόλουθη χημική αντίδραση αντιπροσωπεύει αυτήν την αντίδραση οξείδωσης:

Zn → Zn + 2e

Το κιτρικό οξύ είναι ένα ασθενές οξύ, αλλά διασπάται μερικώς και αφήνει μερικά θετικά φορτισμένα ιόντα υδρογόνου (Η) στο χυμό. Το ηλεκτρόδιο χαλκού δεν διαλύεται. Τα πλεονάζοντα ηλεκτρόνια στο ηλεκτρόδιο χαλκού συνδυάζονται με τα ιόντα υδρογόνου και σχηματίζουν αέριο υδρογόνο στο ηλεκτρόδιο χαλκού. Αυτή είναι μια αντίδραση μείωσης.

2H+ 2e → H₂

Εάν εκτελείτε το προϊόν χρησιμοποιώντας χυμό λεμονιού αντί για λεμόνι, μπορεί να παρατηρήσετε μικροσκοπικές φυσαλίδες αερίου υδρογόνου να σχηματίζονται στο χάλκινο ηλεκτρόδιο.

Δοκιμάστε άλλα φρούτα και λαχανικά

Το κλειδί για τη χρήση προϊόντων σε μια μπαταρία είναι η επιλογή ενός φρούτου λαχανικού με υψηλή περιεκτικότητα σε οξύ (με χαμηλό pH). Τα εσπεριδοειδή (λεμόνι, πορτοκάλι, λάιμ, γκρέιπφρουτ) περιέχουν κιτρικό οξύ. Δεν χρειάζεσαι ολόκληρο φρούτο. Ο χυμός πορτοκαλιού και η λεμονάδα λειτουργούν μια χαρά. Οι πατάτες λειτουργούν καλά επειδή περιέχουν φωσφορικό οξύ. Το βράσιμο των πατατών πριν τις χρησιμοποιήσετε αυξάνει την αποτελεσματικότητά τους. Το ξινολάχανο περιέχει γαλακτικό οξύ. Το ξύδι λειτουργεί επειδή περιέχει οξικό οξύ.

Ιδέες πειράματος

Μετατρέψτε την μπαταρία λεμονιού σε πείραμα εφαρμόζοντας την επιστημονική μέθοδο. Κάντε παρατηρήσεις σχετικά με την μπαταρία, κάντε ερωτήσεις και σχεδιάστε πειράματα για να ελέγξετε προβλέψεις ή μια υπόθεση.

Πειραματιστείτε με άλλα υλικά για τα ηλεκτρόδια εκτός από ένα γαλβανισμένο καρφί και ένα χάλκινο αντικείμενο. Άλλα κοινά μέταλλα που διατίθενται στην καθημερινή ζωή περιλαμβάνουν τον σίδηρο, τον χάλυβα, το αλουμίνιο, τον κασσίτερο και το ασήμι. Δοκιμάστε να χρησιμοποιήσετε ένα νικέλιο και μια δεκάρα. Τι πιστεύετε ότι θα συμβεί αν χρησιμοποιήσετε δύο γαλβανισμένα καρφιά χωρίς χαλκό ή δύο πένες και κανένα καρφί; Τι συμβαίνει εάν προσπαθήσετε να χρησιμοποιήσετε πλαστικό, ξύλο ή γυαλί ως ηλεκτρόδιο; Μπορείτε να εξηγήσετε τα αποτελέσματά σας;
Εάν έχετε πολύμετρο, διερευνήστε εάν η απόσταση μεταξύ των ηλεκτροδίων επηρεάζει την τάση και το ρεύμα του κυκλώματος σας.
Πόσο μεγάλο είναι το αποτέλεσμα της προσθήκης ενός δεύτερου λεμονιού στο κύκλωμα; Αλλάζει την τάση; Αλλάζει το ρεύμα;
Δοκιμάστε να φτιάξετε μπαταρίες χρησιμοποιώντας άλλα τρόφιμα από την κουζίνα. Προβλέψτε ποια πιστεύετε ότι θα λειτουργήσουν και δοκιμάστε τα. Φυσικά, δοκιμάστε φρούτα και λαχανικά. Σκεφτείτε επίσης υγρά όπως νερό, αλμυρό νερό, γάλα και χυμούς και καρυκεύματα, όπως κέτσαπ, μουστάρδα και σάλσα.

Ιστορικό

Η μπαταρία λεμονιού χρονολογείται πριν από τουλάχιστον 2000 χρόνια. Οι αρχαιολόγοι ανακάλυψαν μια μπαταρία στο Ιράκ χρησιμοποιώντας ένα πήλινο δοχείο, χυμό λεμονιού, χαλκό, σίδηρο και πίσσα. Φυσικά, οι άνθρωποι που χρησιμοποιούσαν αυτήν την μπαταρία δεν γνώριζαν για την ηλεκτροχημεία ή ακόμη και τι ήταν ο ηλεκτρισμός. Η χρήση της αρχαίας μπαταρίας είναι άγνωστη.

Τα εύσημα για την ανακάλυψη της μπαταρίας πάνε στους Ιταλούς επιστήμονες Luigi Galvani και Alessandro Volta. Το 1780, ο Luigi Galvani έδειξε ότι τα πόδια από χαλκό, ψευδάργυρο και βάτραχο (που λειτουργούν ως ηλεκτρολύτης) παρήγαγαν ηλεκτρισμό. Ο Galvani δημοσίευσε το έργο του το 1790. Ένα ηλεκτροχημικό στοιχείο ονομάζεται γαλβανικό στοιχείο προς τιμήν του.

Ο Alessandro Volta απέδειξε ότι η ηλεκτρική ενέργεια δεν απαιτεί ζώο. Χρησιμοποίησε χαρτί εμποτισμένο με άλμη ως ηλεκτρολύτη και εφηύρε τον βολταϊκό σωρό το 1799. Ένας βολταϊκός σωρός είναι μια στοίβα γαλβανικών στοιχείων, με κάθε στοιχείο να αποτελείται από έναν μεταλλικό δίσκο, ένα στρώμα ηλεκτρολύτη και έναν δίσκο από διαφορετικό μέταλλο.

Αναφορές

Goodisman, Jerry (2001). «Παρατηρήσεις στα κύτταρα λεμονιού». Journal of Chemical Education . 78(4):516–518. doi:10.1021/ed078p516
Margles, Samantha (2011). «Λειτουργεί πραγματικά μια μπαταρία λεμονιού;». Βιβλίο Mythbusters Science Fair . Σχολαστικός. ISBN 9780545237451.
Naidu, M. S.; Kamakshiaih, S. (1995). Εισαγωγή στην Ηλεκτρολογία . Εκπαίδευση Tata McGraw-Hill. ISBN 9780074622926.
Schmidt, Hans-Jürgen; Marohn, Annette; Harrison, Allan G. (2007). «Παράγοντες που εμποδίζουν τη μάθηση στην ηλεκτροχημεία». Journal of Research in Science Teaching . 44 (2):258–283. doi:10.1002/tea.20118
Swartling, Daniel J.; Morgan, Charlotte (1998). «Επανεξέταση των κυττάρων λεμονιού—Η αριθμομηχανή που λειτουργεί με λεμόνι». Journal of Chemical Education . 75 (2):181–182. doi:10.1021/ed075p181