Батарейка из лимона

Зажгите лампочку с помощью ... лимона!

Сложность:
Опасность:
Время:
10 минут
Видео эксперимента
Химическая формула

Безопасность

  • Перед началом опыта наденьте защитные перчатки и очки.

  • Проводите эксперимент на подносе.

Общие правила безопасности
  • Не допускайте попадания химических реагентов в глаза или рот.
  • Не допускайте к месту проведения экспериментов людей без защитных очков, а также маленьких детей и животных.
  • Храните экспериментальный набор в месте, недоступном для детей младше 12 лет.
  • Помойте или очистите всё оборудование и оснастку после использования.
  • Убедитесь, что все контейнеры с реагентами плотно закрыты и хранятся по правилам после использования.
  • Убедитесь, что все одноразовые контейнеры правильно утилизированы.
  • Используйте только оборудование и реактивы, поставляемые в наборе или рекомендуемые текущими инструкциями.
  • Если вы использовали контейнер для еды или посуду для проведения экспериментов, немедленно выбросьте их. Они больше не пригодны для хранения пищи.
Информация о первой помощи
  • В случае попадания реагентов в глаза тщательно промойте глаза водой, при необходимости держа глаз открытым. Немедленно обратитесь к врачу.
  • В случае проглатывания промойте рот водой, выпейте немного чистой воды. Не вызывайте рвоту. Немедленно обратитесь к врачу.
  • В случае вдыхания реагентов выведите пострадавшего на свежий воздух.
  • В случае контакта с кожей или ожогов промывайте поврежденную зону большим количеством воды в течение 10 минут или дольше.
  • В случае сомнений немедленно обратитесь к врачу. Возьмите с собой химический реагент и контейнер от него.
  • В случае травм всегда обращайтесь к врачу.
Рекомендации для родителей
  • Неправильное использование химических реагентов может вызвать травму и нанести вред здоровью. Проводите только указанные в инструкции эксперименты.
  • Данный набор опытов предназначен только для детей 12 лет и старше.
  • Способности детей существенно различаются даже внутри возрастной группы. Поэтому родители, проводящие эксперименты вместе с детьми, должны по своему усмотрению решить, какие опыты подходят для их детей и будут безопасны для них.
  • Родители должны обсудить правила безопасности с ребенком или детьми перед началом проведения экспериментов. Особое внимание следует уделить безопасному обращению с кислотами, щелочами и горючими жидкостями.
  • Перед началом экспериментов очистите место проведения опытов от предметов, которые могут вам помешать. Следует избегать хранения пищевых продуктов рядом с местом проведения опытов. Место проведения опытов должно хорошо вентилироваться и находиться близко к водопроводному крану или другому источнику воды. Для проведения экспериментов потребуется устойчивый стол.
  • Вещества в одноразовой упаковке должны быть использованы полностью или утилизированы после проведения одного эксперимента, т.е. после открытия упаковки.

Часто задаваемые вопросы

Светодиод не горит. Что делать?

Во-первых, проследите, чтобы пластины в лимоне не касались друг друга.

Во-вторых, проверьте качество соединения крокодилов с металлическими пластинами.

В-третьих, убедитесь, что светодиод подключён верно: чёрный крокодил крепится к короткой «ножке», красный – к длинной. При этом крокодилы не должны касаться другой «ножки», иначе произойдёт замыкание цепи!

Сок около магниевой пластины шипит. Это нормально?

Всё хорошо. Магний – активный металл, и он взаимодействует с лимонной кислотой с образованием цитрата магния и выделением водорода.

Пошаговая инструкция

  1. Возьмите 2 магниевые пластинки из баночки с надписью «Mg».

  2. Приготовьте 2 зажима-крокодила: 1 чёрный и 1 белый. Подсоедините магниевые пластинки к чёрному и белому крокодилам.

  3. Возьмите 2 медные пластины из баночки с надписью «Cu».

  4. Подсоедините медную пластинку к свободному концу белого крокодила. Подсоедините медную пластинку к красному крокодилу.

  5. Разрежьте лимон пополам. Вставьте в одну половинку лимона медную и магниевую пластинки на небольшом расстоянии друг от друга (примерно 1 см). Повторите с двумя оставшимися пластинками, используя вторую половинку лимона. Убедитесь, что пластинки не соприкасаются.

  6. Возьмите светодиод. Подсоедините свободный конец красного крокодила к длинной ножке светодиода. Подсоедините свободный конец чёрного крокодила к короткой ножке светодиода. Cветодиод загорится!
Детальная пошаговая инструкция

Утилизация

Твёрдые отходы эксперимента утилизируйте вместе с бытовым мусором. Растворы слейте в раковину и затем тщательно промойте её водой.

Что произошло

Почему диод начинает светиться?

В условиях опыта протекает химическая реакция: электроны с магния Mg переходят на медь Cu. Такое движение электронов и есть электрический ток. Проходя через светодиод, он заставляет его светиться. Таким образом, собранная в данном опыте установка действует как батарейка – химический источник тока.

Узнать больше

Участники этого опыта − медь Cu и магний Mg − весьма схожи. Оба они – металлы. Это означает, что они достаточно ковкие, блестят, хорошо проводят электричество и тепло. Все эти свойства – следствия внутреннего строения металлов. Его можно представить как расположенные в определённом порядке положительные ионы, которые удерживаются вместе с помощью общих для всего кусочка металла электронов. Именно из-за этой общности электроны могут «гулять» по всему объёму металла.

Несмотря на общие мотивы в строении, медь и магний отличаются друг от друга. Общая «свора» электронов удерживается в кусочке меди сильнее, чем в случае с магнием. Поэтому чисто теоретически мы можем себе представить процесс, в котором электроны из магния «убегают» к меди. Однако это приведёт к увеличению зарядов: положительного в магнии и отрицательного − в меди. Долго так продолжаться не может: из-за взаимного отталкивания отрицательно заряженным электронам будет невыгодно переходить дальше в медь. Заряд, таким образом, собирается у поверхности соприкосновения двух разных металлов.

Любопытно, что степень переноса электронов с одного металла на другой зависит от температуры. Эту связь используют в электронных устройствах, позволяющих измерять температуру. Простейшим таким прибором, который использует данный эффект, является термопара. Сейчас использование термопар является повсеместным, и именно они лежат в основе электронных термометров.

Вернёмся к нашему опыту. Для того чтобы электроны с магния на медь перебегали постоянно, а сам процесс стал необратимым, необходимо удалять положительный заряд с магния и отрицательный заряд с меди. Здесь в свою роль вступает лимон. Важно, какую среду он создаёт для воткнутых в него медной и магниевой пластин. Всем известно, что лимон имеет кислый вкус преимущественно благодаря содержащейся в нём лимонной кислоте. Естественно, и вода в нём тоже присутствует. Раствор лимонной кислоты способен проводить электричество: при её диссоциации происходит возникновение положительно заряженных ионов водорода H+ и отрицательно заряженного остатка лимонной кислоты. Такая среда идеально подходит для удаления положительного заряда с магния и отрицательного заряда с меди. Первый процесс происходит довольно просто: положительно заряженные ионы магния Mg2+ переходят с поверхности магниевой пластинки в раствор (лимонный сок):

Mg0 – 2e- → Mg2+раствор

Второй процесс происходит на медной пластинке. Поскольку на ней скапливается отрицательный заряд, это притягивает ионы водорода H+. Они способны забирать электроны с медной пластинки, превращаясь сначала в атомы H, а затем почти сразу в молекулы H2, которые улетают восвояси:

2H+ + 2e- → H2

Почему нельзя обойтись только одной парой «медь-магний»?

Ближайший аналог системы «медная пластинка – лимон – магниевая пластинка» ¬– это обыкновенная пальчиковая батарейка. Она работает по тому же принципу: происходящие внутри неё химические реакции приводят к возникновению тока электронов, то есть электричества. Вы наверняка замечали, что в некоторых приборах пальчиковые батарейки располагаются подряд (т.е. минусовой полюс одной соприкасается с плюсовым полюсом другой). Чаще они это делают не напрямую, а посредством проводков или небольших металлически пластинок. Но суть остаётся прежней − это нужно, чтобы увеличить силу, которая действует на электроны, а значит – увеличить силу тока.

Так же и медная пластинка в одном кусочке лимона соединяется с магниевой пластинкой другого. Если соединить диод только с одной парой «медь-магний», он не начнёт светиться, а вот использование двух пар приводит к желаемому результату.

Узнать больше

Для описания силы, которая заставляет заряды двигаться, то есть приводит к возникновению электричества, используют понятие напряжение. Например, на любой батарейке указано значение напряжения, которое она может создавать в подключённом к ней приборе или проводнике.

Оказывается, для преодоления сил внутреннего сопротивления, которые неизбежно есть в любом проводнике или приборе, требуется прикладывать разное по величине напряжение. Важно понимать, что при расположении нескольких источников тока напряжение, которое они создают, в первом приближении суммируется. Любопытно, что при должном количестве таких источников тока можно создать настолько сильное напряжение, что оно будет «пробивать» воздух в виде электрической дуги (см. раздел «Это интересно» для опыта «Элемент даниэля». ).

Напряжения, которое создаёт одна пара «магний-медь», недостаточно для данного опыта, но вот двух пар уже хватает.

Почему мы используем именно медь и магний? Можно ли взять какую-то другую пару металлов?

Все металлы по-разному способны удерживать электроны. Это позволяет выстроить их в так называемый электрохимический ряд. Металлы, которые стоят в этом ряду левее, удерживают электроны хуже, а те, что правее, – лучше. В нашем опыте электрический ток возникает именно из-за разницы между медью и магнием в их способности удерживать электроны. В электрохимическом ряду медь стоит значительно правее магния.

Мы вполне можем взять два других металла – необходимо лишь, чтобы между их желанием удерживать при себе электроны была достаточная разница. Например, в этом опыте вместо меди можно использовать серебро Ag, а вместо магния – цинк Zn.

Тем не менее, мы выбрали именно магний и медь. Почему?

Во-первых, они весьма доступны, в отличие от того же серебра. Во-вторых, магний – металл, который одновременно сочетает в себе достаточную активность и стабильность. Подобно щелочным металлам – натрию Na, калию K и литию Li – он легко окисляется, то есть отдаёт электроны. С другой стороны, поверхность магния покрыта тонкой плёнкой его оксида MgO, которая не разрушается при нагревании вплоть до 600o C. Она защищает металл от дальнейшего окисления на воздухе, что делает его весьма удобным в использовании на практике.

Какие ещё фрукты и овощи можно использовать вместо лимона?

Многие фрукты и овощи подойдут для этого опыта. Достаточно лишь наличия у них сочной мякоти. Например, вместо лимона можно взять яблоко, банан, помидор или картофель. Даже крупная виноградина подойдёт!

Во всех этих овощах, фруктах и ягодах достаточно воды, а также веществ, которые диссоциируют (распадаются на заряженные частицы − ионы) в воде. Поэтому в них тоже может протекать электрический ток!

Это интересно

Что такое диод и как он устроен?

Диоды – это маленькие приборы, способные пропускать через себя электрический ток и выполнять при этом какую-то полезную работу. В данном случае речь идёт о светодиоде – при пропускании электрического тока он светится.

Все современные диоды содержат в своей основе полупроводник – особый материал, электропроводность которого не очень велика, но может вырастать, например, при нагревании. Что такое электропроводность? Это способность материала проводить через себя электрический ток.

В отличие от простого кусочка полупроводника, любой диод содержит два его «сорта». Само название «диод» (от греч. «δίς») означает, что в его составе есть два элемента – обычно их называют анод и катод.

Анод диода состоит из полупроводника, содержащего так называемые «дырки» − области, которые могут быть заполнены электронами (фактически пустые полочки специально для электронов). Эти «полочки» могут достаточно свободно перемещаться по всему аноду. Катод диода тоже состоит из полупроводника, но другого. Он содержит электроны, которые тоже могут относительно свободно двигаться по нему.

Оказывается, что такой состав диода позволяет электронам легко двигаться через диод в одну сторону, но практически не позволяет двигаться им в обратном направлении. Когда электроны движутся от катода к аноду, на границе между ними происходит встреча «свободных» электронов в катоде и электронных вакансий (полочек) в аноде. Электроны с удовольствием занимают эти вакансии, и ток двигается дальше.

Представим, что электроны двигаются в обратном направлении – им нужно слезть с уютных полочек в материал, где этих полочек нет! Очевидно, это им не выгодно и ток в этом направлении не пойдёт.

Таким образом, любой диод может выступать в роли своего рода клапана для электричества, которое проходит через него в одну сторону, но не проходит в другую. Именно это свойство диодов позволило использовать их в качестве основы для вычислительной техники – любой компьютер, смартфон, ноутбук или планшет содержит в своём составе процессор, в основе которого – миллионы микроскопических диодов.

У светодиодов, конечно же, другое применение – в освещении и индикации. Сам факт возникновения света связан с особым подбором полупроводниковых материалов, из которых состоит диод. В некоторых случаях тот самый переход электронов с катода в вакансии анода сопровождается выделением света. В случаях разных полупроводников происходит свечение разных цветов. Важными преимуществами диодов по сравнению с другими электрическими источниками света являются их безопасность и высокая эффективность – степень преобразования энергии электрического тока в свет.