Проектная работа по химии «Химический анализ состава гальванических элементов».

Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение

«Средняя школа №2 города Пестово» Новгородской области

Проектная работа по химии «Химический анализ состава гальванических элементов». Выполнила: Иванова Инна, ученица 9 Б класса Руководитель проекта: Смирнова С.С.,

учитель химии

2017 — 2018

Содержание Содержание……………………………………………………………………2 Паспорт проекта………………………………………………………………3 Введение. ….…………………………..……....................................…………4 Глава 1. Теоретические сведения о гальванических элементах …………...5 1.1. Виды гальванических элементов ….............…………………………….5 1.2. Образование электрического тока....................................................... ....5-6 Глава 2. Химический анализ гальванических элементов….…….......….......7 2.1. Этап №1…………………......……........................................…….……...7-8 2.2. Этап №2…………………......……........................................…….……...9-10 2.3. Этап №3…………………......……........................................…….……....10 2.4. Этап №4…………………......……........................................…….……....10 2.5. Этап №5…………………......……........................................…….……..11-13 2.6. Этап №6…………………......……........................................…….……....14 2.7. Этап №7…………………......……........................................…….……....14 Заключение…………………...................……………………………………..15 Список литературы……………………………...…………………………....16 2 Паспорт проекта

Наименование работы	«Химический анализ состава гальванических элементов»
Исполнитель	Иванова Инна, ученица 9 Б класса
Цель	Разобраться, из чего состоят гальванические элементы и как их можно переработать для вторичного использования.
Задачи	Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач: Изучить теорию о гальванических элементов. Провести исследование состава гальванических элементов Сделать вывод по полученной информации
Руководитель	Смирнова Светлана Сергеевна
Основополагающий вопрос	Из чего состоят гальванические элементы
Год разработки	2017-2018 уч. год
Предметная область	Химия
Учебная тема	Гальванические элементы
Тип проекта	Информационно - исследовательский
Тип проекта по предметно - содержательной характеристике	Монопроект
Технологии	-развивающее обучение; -исследовательские методы обучения; -проектные методы обучения;
Краткая аннотация проекта	Проект содержит информацию для учащихся 9-11 классов о гальванических элементах
Сроки реализации проекта	Декабрь 2017 – Март 2018
Ожидаемые результаты	Подробно изучить тему о гальванических элементах с точки зрения химии

3

Введение

Каждый день мы применяем достижения в области естественных наук — химии и физики. Электричество, радиосвязь; такие измерительные приборы, как термометр и весы; поверхностно-активные вещества, которые входят в состав любого моющего средства — без всего этого вряд ли бы мы могли представить обыденную жизнь такой, какой она является сейчас.

Не менее значимым является открытие Луиджи Гальвани, итальянского физика и физиолога. Он описал процесс сокращения мышц задних лапок лягушки, закрепленных на медных крючках, при прикосновении стального скальпеля. Позднее другими учеными результаты его наблюдения были применены для открытия ряда других явлений, описанных с точки зрения физики, которые и послужили основой для изобретения гальванических элементов.

Данная исследовательская работа посвящена теме гальванических элементов и проблеме их вторичного использования. Сейчас эта проблема особенно обострилась. Многие люди, выбрасывая отработанную батарейку вместе с остальными бытовыми отходами, даже не задумываются о том, что именно скрывается за металлическим корпусом каждой батарейки, какие виды гальванических элементов категорически нельзя выбрасывать вместе с обычным мусором и какие химические реакции протекают внутри гальванического элемента.

В рамках своей исследовательской работы я провела химический анализ четырёх гальванических элементов и предложила способы их переработки.

4

Глава 1. Теоретические сведения о гальванических элементах.

Виды гальванических элементов.

Гальванические элементы делятся на две основные группы — аккумуляторы и батарейки. В данной работе мы подробно рассмотрим группу батареек.

В свою очередь батарейки делятся на два вида — солевые и щелочные. Изучив пленку на металлическом корпусе батарейки, можно узнать, является ли выбранная батарейка щелочной — у такой всегда имеется пометка «ALKALINE».

Солевые батарейки отличаются от щелочных тем, что в составе солевых батареек нет жидкого электролита, то есть щелочи, в то время как в щелочных имеется слой особой бумаги, пропитанной щелочью (чаще всего гидроксидом калия).

Различаются они и по виду токоотвода. Говоря другими словами, это стержень в гальванических элементах, по которому ток, полученный вследствие химической реакции внутри гальванического элемента, передается на электрическую цепь прибора, в котором используется гальванический элемент. В солевых батарейках токоотводом является графитовый стержень, а в щелочных — цинковый стержень, вставленный в спрессованный цинковый порошок, который в свою очередь обернут в несколько слоев специальной бумаги.

Значительную разницу можно заметить и в весе батарейки. Солевые батарейки всегда легче щелочных, так как в них меньше металлических деталей.

Образование электрического тока

Из-за преобразования химической энергии, полученной вследствие химической реакции, в электрическую, в гальванических элементах возникает электрический ток.

Реакции, протекающие внутри гальванического элемента, иначе называют окислительно-восстановительными электрохимическими реакциями.

Рассмотрим, как они происходят.

5

В гальваническом элементе различные оболочки выступают в роли электродов — положительного и отрицательного. В гальваническом элементе отрицательный электрод по отношению к электролиту является окислителем, а положительный по отношению к электролиту является восстановителем.

Электрохимическая реакция отличается от обычной окислительно-восстановительной тем, что процессы окисления и восстановления отделены друг от друга. Батарейка собрана таким образом, что окисление происходит на цинковом стержне (электроде), а восстановление на противоположном конце батарейки. Такое разделение как раз и позволяет преобразовывать один вид энергии в другой.

Электрохимические реакции идут в области соприкосновения электролита и металла, то есть только на поверхности металла. В результате этого возникают свободные электроны, которые затем становятся электрическим током. Все эти реакции протекают в одном электролите, что способствует образованию замкнутой цепи.

Ход таких реакций зависит от нескольких факторов: температуры, концентрации реагирующих веществ и их природы.

6

Глава 2 — Химический анализ гальванических элементов.

В данной главе мы переходим к основной части данной работы,

то есть к исследованию нескольких образцов гальванических элементов.

План исследования таков:

1. Провести разборку четырех образцов гальванических элементов

2. Отделить различные вещества друг от друга

3. Изучить каждую оболочку гальванических элементов

4. Выдвинуть гипотезы о том, какие вещества входят в состав различных оболочек гальванических элементов

5. Доказать гипотезы химическим методом, проведя качественные реакции

6. Сделать вывод (исходя из полученной вследствие исследования информации)

7. Предложить пути переработки гальванических элементов

Этап №1. Проведение разборки четырёх образцов гальванических элементов.

Для того, чтобы приступить к химическому анализу состава гальванических элементов, перед началом нужно подготовить их детали и оболочки.

Для этого требуется осторожно разобрать все четыре образца, постепенно разделив внутреннее содержимое. Для этого потребуются следующие приборы и материалы:

1. Усиленные ножницы по металлу — необходимы для разрезания металлического корпуса гальванического элемента

2. Плоскогубцы — необходимы для осторожного изъятия графитового стержня из солевых батареек, а также для отгибания краев металлического корпуса

3. Химический стакан (2 шт.) - необходим для промывания металлического корпуса перед началом химического анализа

4. Круглодонная пробирка (3 шт.) - необходима для хранения извлеченных веществ

5. Обеззоленная фильтровальная бумага — необходима для размещения на ней извлеченных веществ в процессе разборки

6. Резиновые пробки для пробирок (3 шт.) - необходимы для закупоривания пробирок во избежание реакции извлеченных веществ с кислородом воздуха и влагой

7

План разборки гальванических элементов.

1. Снять защитную пленку с корпуса гальванического элемента​

1. С помощью усиленных ножниц разрезать корпус гальванического элемента по схеме, приведенной ниже, изъять защитный пластиковый вкладыш с положительного полюса.

1. С помощью плоскогубцев изъять графитовый стержень (при его наличии).

1. Отделить слои веществ друг от друга, поместить каждый в отдельную пробирку.

1. Поместить корпус гальванического элемента в химический стакан.

Процесс разборки гальванических элементов

Для исследования были выбраны следующие образцы:

1. Щелочная батарейка «FLARX» (1 шт.)

2. Солевая батарейка «777» (2 шт.)

3. Солевая батарейка «XRD» (1 шт.)

Краткие сведения о каждом образце

1 — Наиболее прочный гальванический элемент. Внутри имеется несколько защитных пластиковых вкладышей, обладает наибольшим весом среди выбранных образцов. Корпус изготовлен из нержавеющей стали. Был разобран за 2 часа.

2 — Оба образца обладают наименьшим весом и размером среди выбранных образцов. В каждом имеется защитный пластиковый вкладыш. Помимо этого, на отрицательном полюсе имеется отделенная от гальванического элемента цинковая пластинка круглой формы. Легче всего подвергаются коррозии. Каждый образец был разобран за 20 минут.

3 — Один из самых легких образцов. Внутри имеется несколько защитных пластиковых вкладышей, корпус изготовлен из нержавеющей стали. Был разобран за 40 минут.

8

Этап №2. Отделение различных веществ друг от друга

Не менее важным этапом является отделение извлеченных веществ друг друга, так как невозможно проводить химический анализ, используя смесь веществ. Допускается лишь наличие незначительных примесей к отдельным веществам.

Рассмотрим результаты разборки каждого образца.

Образец №1 — щелочная батарейка FLARX

Н

а фотографии: черный порошок — оксид марганца (2) + угольный порошок, голубой порошок — цинковый порошок, металлическая стружка (корпус гальванического элемента), цинковый стержень (фотография отсутствует)

В данном образце имеется только одна смесь — оксид марганца (2) + угольный порошок. Для ее разделения необходимо поместить ее в химический стакан и добавить 50 мл пероксида водорода. Угольный порошок всплывает на поверхность и затем легко отделяется декантацией, а оксид марганца (2) оседает на дно.

9

Образцы №2 и 3 — солевые батарейки «777» и «XRD», одинаковые по своему составу

Н
а фотографии: металлические корпусы батареек и другие металлические детали, 2 графитовых стержня, пробирка со смесью оксида марганца (2) и угольного порошка

В данных образцах тоже имеется только одна смесь — оксид марганца (2) + угольный порошок. Разделяем ее тем же способом, как и в образце №1. Разница будет лишь в том, что для разделения необходимо взять большее количество пероксида водорода, так как в этом случае было извлечено больше смеси.

Этапы №3 и №4 — изучение оболочек и выдвижение гипотез об их составе.

На этом этапе составим таблицу. Номера оболочек даны по мере их приближения к центру гальванического элемента (№1 — металлический корпус, №5 — стержень внутри гальванического элемента)

Номер оболочки	Образец №1	Образец №2	Образец №3
1	Металлический корпус	Металлический корпус	Металлический корпус
2	Черный порошок гипотеза: оксид марганца (2) + угольный порошок	Черный порошок гипотеза: оксид марганца (2) + угольный порошок	Черный порошок гипотеза: оксид марганца (2) + угольный порошок
3	Слои специальной бумаги	Графитовый стержень	Черный порошок гипотеза: спрессованный угольный порошок
4	Голубой порошок гипотеза: цинк		Графитовый стержень
5	Металлический стержень

10

Этап №5 — Проведение качественных химических реакций для определения состава гальванических элементов.

Данный этап является химическим анализом оболочек, состав которых нужно выяснить. Для начала выясним, что именно нужно анализировать:

1. Металлический корпус всех образцов (необходимо определить, из какого металла он состоит)

2. Чёрный порошок, извлеченный из всех образцов (необходимо доказать, что в эту смесь действительно входят оксид марганца (2) и угольный порошок)

3. Голубой порошок, извлеченный из образца №1 (необходимо доказать, что этот порошок действительно является цинковым)

Разделив весь процесс химического анализа на три части, рассмотрим каждую из них отдельно.

Часть 1.

Для анализа необходимы: металлический корпус (стружка), вода, пипетка, химический стакан.

Ход работы. Металлическую стружку помещаем в химический стакан, предварительно промыв в воде для удаления остатков пленки и других веществ. Добавляем в химический стакан несколько капель воды и оставляем на несколько часов.

По истечению нескольких часов наблюдаем образование ржавчины, которая является гидроксидом железа (3). Это свидетельствует о том, что корпус всех трех гальванических элементов является железным.

11

Часть 2.

Для анализа необходимы: 2 химических стакана, стеклянная воронка, обеззоленная фильтровальная бумага, серная кислота (концентрация - 55%), пероксид водорода (100 мл), пипетка.

Ход работы. Отделив угольный порошок от оксида марганца (2) на этапе №2, в данной части будем использовать оксид марганца (2). Необходимо получить раствор сульфата марганца, что будет являться качественной реакцией на ион Mn²⁺. Таким образом мы докажем, что в состав смеси действительно входит оксид марганца (2).

О
ксид марганца (2), смоченный пероксидом водорода

Добавим к оксиду марганца (2) 1 часть пероксида водорода и 1 часть серной кислоты. При этом протекает реакция:

MnO2 + H2O2 + H2SO4 → MnSO4 + O2 + 2H2O

Затем фильтруем полученный раствор. Получаем розовый фильтрат, что как раз является раствором сульфата марганца.

12

Часть 3.

Для анализа необходимы: цинковый порошок, круглодонная пробирка, пипетка, соляная кислота, гидроксид натрия.

Ход работы. Цинковый порошок помещаем в круглодонную пробирку. Добавляем соляную кислоту, наблюдаем выделение газа — водорода и образование хлорида цинка.

Выделение водорода

Далее добавляем к полученному раствору гидроксид натрия. Наблюдаем образование белого осадка — гидроксида цинка, что свидетельствует о том, что порошок действительно цинковый.

Гидроксид цинка

13

Этап №6 — Вывод

Оформим вывод в виде таблицы.

Номер оболочки	Образец №1	Образец №2	Образец №3
1	Железный корпус	Железный корпус	Железный корпус
2	Оксид марганца (2) + угольный порошок	Оксид марганца (2) + угольный порошок	Оксид марганца (2) + угольный порошок
3	Слои специальной бумаги	Графитовый стержень	Угольный порошок
4	Цинковый порошок		Графитовый стержень
5	Цинковый стержень

Этап №7 — Предложение путей переработки гальванических элементов

Железо и цинк. При дальнейшей переработке они могли бы быть использованы для производства оцинкованной стали. Цинковый порошок при больших температурах может быть переплавлен в слиток. Содержание железа и цинка в гальванических элементах довольно велико — это корпус, полюса батарейки, цинковые стержень и порошок.

Производные марганца. Они могут быть использованы для производства марганцевых удобрений, которые считаются наиболее подходящими для плодовых деревьев и ягодных культур. Производные марганца в большом количестве содержатся в солевых батарейках — они составляют основную оболочку.

14

Заключение

Гальванические элементы — уникальное изобретение, которое не теряет своей необходимости и на сегодняшний день. Результаты данной работы оказались довольно хорошими — оказывается, у отработанных гальванических элементов есть шанс на вторичное использование в виде строительного материала и удобрений.

Таким образом, в скором времени мы сможем решить проблему загрязнения воды и почвы продуктами разложения гальванических элементов. Главное — убедить людей, показав наглядно на примере проделанного анализа, что даже такие мелочи стоят их внимания для сбережения экологического равновесия окружающей среды.

15

Список использованной литературы

1. Н.Л. Глинка — «Общая химия», 2010 г.

2. В. В. Ерёмин — «Начала химии», 2016 г.

3. Descriptive Inorganic Chemistry – James House & Kathleen House — англоязычная книга по неорганической химии

4. https://vk.com/chemistryeasyru

16