Ekologinen, helppo ja siivouskin vaivatonta! Pinoa vain – “hampurilaismallinen Daniellin paristo” -koe

Olen tiedevalmentaja Ken Kuwako. Joka päivä on koe.

Daniellin pari on keskeinen aihe paristojen ja sähkökemian ymmärtämisessä. Moni opettaja saattaa kuitenkin pähkäillä suuritöisten esivalmisteluiden ja jäteliuosten käsittelyn kanssa.Tässä on ratkaisu: Hampurilais-Daniell-pari! Kuten nimestä voi päätellä, tämä on nerokas ja yksinkertaistettu versio Daniellin parista, jossa materiaalit kerrostetaan päällekkäin aivan kuin hampurilaisessa. Hauskan ulkonäön lisäksi sen suurin etu on ympäristöystävällisyys: jäteliuosta syntyy huomattavasti vähemmän kuin perinteisessä mallissa. Lisäksi se on helppo rakentaa tutuista tarvikkeista, mikä keventää opettajan valmistelutaakkaa merkittävästi.Totta on, että tässä yksinkertaistetussa mallissa liuosten muutoksia ei pääse näkemään yhtä suoraan kuin perinteisessä versiossa. Mutta ei hätää! Yhdistämällä tämän kokeen perinteiseen Daniellin pariin (jota käytetään opettajan havaintoesityksenä), oppilaat pääsevät hyödyntämään molempien mallien parhaat puolet.https://phys-edu.net/wp/?p=41763Havaintoesityksessä voidaan näyttää visuaalisesti ionien liike sekä metallin liukeneminen ja saostuminen. Tämän jälkeen oppilaat pääsevät kokeilemaan sähkön tuottamista itse tällä hampurilaismallilla. Tämä yhdistelmä auttaa oppilaita hahmottamaan perusperiaatteet monesta eri kulmasta. Mikset siis kokeilisi Hampurilais-Daniell-paria omalla tunnillasi? Se on hauska, ekologinen ja saa oppilaat varmasti hihkaisemaan oivaltamisen ilosta!

Tarvittavat materiaalit ja valmistus

Tämän hampurilaismallin avain on sellofaani. Se toimii erottimena, joka estää eri elektrolyyttiliuosten sekoittumisen mutta päästää ionit läpi – aivan kuten perinteisen mallin huokoinen savilevy tai suolasilta. Yllättävää kyllä, tavallinen askartelukaupoista saatava värillinen sellofaani toimii tässä mainiosti, mikä säästää sekä aikaa että rahaa. Käyttämällä suodatinpaperia (tai jopa talouspaperia) liuosten imeyttämiseen, jätettä syntyy vain nimeksi ja siivoaminen on todella vaivatonta.

Sellofaanipaperia 8 väriä

Ja usko tai älä, kokeen voi suorittaa jopa tavallisella tulostuspaperilla sellofaanin sijaan. Sinkkisulfaattiliuoksen voi tarvittaessa korvata myös kylläisellä ruokasuolaliuoksella.Valmistelut:

• Sinkkisulfaattiliuos: noin 5 % (liuota 9,8 g sinkkisulfaatti-heptahydraattia 100 grammaan vettä)
• Kuparisulfaattiliuos: noin 17 % (liuota 35,7 g kupari(II)sulfaatti-pentahydraattia 100 grammaan vettä)
• Kaksi pipettiä, kaksi petrimaljaa, sinkkilevy, kuparilevy, kaksi suodatinpaperia (tai talouspaperia), sellofaania, nenäliina, sähkömoottori potkurilla, elektroninen melodiapiiri, yleismittari, hauenleukajohtimet ja pinsetit.

Tässä ovat kaikki tarvittavat välineet.

Kokeen suorittaminen

Sitten on aika koota Hampurilais-Daniell-pari. Vaiheet ovat hyvin yksinkertaiset – ladot vain ainekset päällekkäin kuin tekisit voileipää!Aseta suodatinpaperit petrimaljoihin ja kostuta ne pipetillä; toinen kuparisulfaatilla ja toinen sinkkisulfaatilla.Laita pöydälle nenäliina suojaksi (mieluiten pöydän reunaan) ja aseta sen päälle kuparilevy. Kokoamisjärjestys on seuraava:

Aseta kuparilevy, sen päälle kuparisulfaatilla kostutettu suodatinpaperi ja sen päälle sellofaani.

Seuraavaksi aseta sinkkisulfaatilla kostutettu suodatinpaperi ja viimeiseksi sinkkilevy.Varmista, etteivät kupari- ja sinkkilevyt kosketa suoraan toisiaan. Kytke sitten hauenleukajohtimet levyihin ja yhdistä ne elektroniseen melodiapiiriin tai moottoriin. Mittaa lopuksi jännite yleismittarilla.https://youtu.be/DA5oORUdbO4

Omassa kokeessani jännite oli noin 1 V. Ihannetapauksessa päästään noin 1,1 volttiin.

3. Jotta virta kulkisi jonkin aikaa, yhdistä johtimet suoraan toisiinsa (oikosulku) ja anna olla noin kaksi minuuttia. Sen jälkeen irrota paperit metallilevyistä ja tarkkaile niiden väriä.

Kuparilevyssä kiinni ollut paperi. Väri on muuttunut punertavaksi.

Sinkkilevyssä kiinni ollut paperi. Jostain syystä tämäkin on muuttunut ruskehtavaksi. Ehkä kupari-ioneja pääsi sellofaanin läpi.

Yksinkertaisesti sanottuna Daniellin pari hyödyntää kahden eri metallin välistä eroa niiden halussa muuttua ioneiksi (eli liukeneda veteen).

Miten Daniellin pari toimii?

Katsotaanpa Daniellin parin tärkeimpiä osia:

• Sinkkilevy (Zn): Toimii negatiivisena napana (miinusnapa).
• Kuparilevy (Cu): Toimii positiivisena napana (plusnapa).
• Sinkkisulfaattiliuos (ZnSO₄): Neste, johon sinkkilevy koskee.
• Kuparisulfaattiliuos (CuSO₄): Neste, johon kuparilevy koskee. Se on väriltään sinistä.
• Sellofaani: Seinä, joka estää liuosten sekoittumisen.

Sähkövirran synty

Sähkövirta on itse asiassa pienten hiukkasten, elektronien, liikettä. Daniellin parissa nämä elektronit pakotetaan liikkeelle metallien välisessä ”kilpailussa”: kumpi metalli haluaa mieluummin muuttua ioniksi ja liukeneda veteen. Tätä kutsutaan sähkökemialliseksi jännitesarjaksi.

• Sinkki (Zn): Haluaa kovasti liukeneda! Se on valmis luovuttamaan elektroneja ($e^-$) muuttuakseen sinkki-ioneiksi ($Zn^{2+}$).
• Kupari (Cu): Ei halua liukeneda yhtä herkästi kuin sinkki. Päinvastoin, liuoksessa olevat kupari-ionit ($Cu^{2+}$) haluavat ottaa vastaan elektroneja ja muuttua takaisin kiinteäksi kupariksi.

Tämä työnjako elektronien luovuttajan (sinkki) ja vastaanottajan (kupari-ionit) välillä on koko pariston toiminnan ydin!

Sähkön reitti askel askeleelta

Miinusnapa (sinkki): Sinkki liukenee ja vapauttaa elektroneja!Sinkkilevyn (Zn) atomit luovuttavat kaksi elektronia ja muuttuvat sinkki-ioneiksi, jotka liukenevat sinkkisulfaattiliuokseen.

Zn → Zn²⁺ + 2e⁻

Tämän seurauksena sinkkilevy syöpyy pikkuhiljaa. Vapautuneet elektronit lähtevät liikkeelle johtoa pitkin kohti kuparilevyä. Tämä on sähkövirtaa!Plusnapa (kupari): Kupari-ionit ottavat elektronit vastaan!Johtoa pitkin tulleet elektronit saapuvat kuparilevylle. Kuparisulfaattiliuoksessa olevat kupari-ionit (jotka tekevät liuoksesta sinisen) rientävät levyn luo ja nappaavat elektronit itselleen.

Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu

Kun kupari-ionit saavat elektronit, ne muuttuvat kupariatomeiksi ja saostuvat kuparilevyn pintaan. Kuparilevy siis ”lihoo” ja liuoksen sininen väri haalistuu.

Mikä on sellofaanin tehtävä?

Sellofaani toimii erottimena, joka estää liuoksia sekoittumasta heti kättelyssä. Se ei ole kuitenkaan umpinainen seinä. Koska sinkkipuolella positiiviset ionit lisääntyvät ja kuparipuolella ne vähenevät, sähköinen tasapaino järkkyisi ilman sellofaania. Sellofaanin pienten huokosten kautta negatiiviset ionit pääsevät liikkumaan, mikä pitää pariston toiminnassa.Lue lisää perinteisestä Daniellin parista tästä artikkelista:https://phys-edu.net/wp/?p=41763

Yhteydenotot ja tiedustelut

Tiede on ihmeellistä ja hauskaa, kun sen tuo lähelle arkea! Kerään tänne helppoja ja hauskoja kokeita, joita voit kokeilla kotona. Tutki ja löydä lisää!・Lue lisää Ken Kuwakosta täältä.・Toimeksiannot (kirjoittaminen, luennot, tiedepajat, TV-työt jne.) täältä.・Seuraa päivityksiä X-palvelussa!

Tiedekanavallani julkaisen videoita kokeista!