Лимонска батерија

Лимонска батерија ― едноставна батерија која често се прави за образование. Вообичаено, парче цинков метал (како што е галванизирана шајка) и парче бакар (како монета) се вметнуваат во лимон и се поврзуваат со жици. Моќта створена од реакција на металите се користи за напојување на мал уред како што е светлечката диода.
Лимонската батерија е слична на првата електрична батерија измислена во 1800 година од Алесандро Волта, кој користел саламура (солена вода) наместо сок од лимон. Батеријата со лимон го илустрира видот на хемиска реакција (оксидација-редукција) што се случува во батериите. Цинкот и бакарот се наречени електроди, а сокот во лимонот е наречен електролит. Постојат многу врсти на лимонската ќелија кои користат различни плодови (или течности) како електролити и метали, освен цинк и бакар како електроди.
1 Употреба во училишни проекти
Постојат бројни целосни инструкции за правење батерии од лимон и за добивање состојки како што се светлечки диоди, електрични броила (мултиметри) и клинци и завртки обложени со цинк (галванизирани). Комерцијалните научни комплети „компиров часовник“ имаат електроди и нисконапонски дигитален часовник. Откако ќе се склопи една ќелија, може да се користи мултиметар за мерење на напонот или електричната струја од напонската ќелија; типичен напон е 0,9 V со лимони. Струите се попроменливи, но се движат до околу 1 mA (колку се поголеми површините на електродата, толку е поголема струјата). За повидлив ефект, ќелиите од лимон може да се поврзат во серија за да напојуваат светлечка диода (види илустрација) или други уреди. Низното поврзување го зголемува напонот достапен на уредите. Свартлинг и Морган објавиле список на уреди со низок напон заедно со соодветниот број на лимонски ќелии кои биле потребни за нивно напојување; тие вклучуваа светлечки диоди, пиезоелектрични звучници и мали дигитални часовници. Со електродите од цинк/бакар, потребни се најмалку две ќелии од лимон за кој било од овие уреди. Замената на електрода од магнезиум за цинковата електрода прави ќелија со поголем напон (1,5−1,6 V), а една магнезиумска/бакарна ќелија ќе напојува некои уреди. Забележете дека блескавите светилки од батериските ламби не се користени бидејќи батеријата со лимон не е дизајнирана да произведува доволно електрична струја за да ги запали. Со множење на просечната струја на лимонот (0,001A/ 1mA) со просечниот (најмал) напон (потенцијална разлика) на лимонот (0,7V) можеме да заклучиме дека ќе бидат потребни повеќе од 6 милиони лимони за да ни ја даде моќта на просечна батерија за автомобил од 4320 W.
2 Хемија
Повеќето учебници го прикажуваат следниов модел за хемиски реакции на батерија од лимон. Кога ќелијата обезбедува електрична струја преку надворешно коло, металниот цинк на површината на цинковата електрода се раствора во растворот. Атомите на цинкот се раствораат во течниот електролит како електрично наелектризирани јони (Zn<sup>2+</sup>), оставајќи 2 негативно наелектризирани електрони (e<sup>−</sup>) во металот:
Оваа реакција е наречена оксидација. Додека цинкот влегува во електролитот, два позитивно наелектризирани водородни јони (H<sup>+</sup>) од електролитот се комбинираат со два електрони на површината на бакарната електрода и образуваат ненаполнета молекула на водород (H<sub>2</sub>):
Оваа реакција е наречена редукција. Електроните што се користени во бакарот за да се образуваат молекулите на водородот се пренесуваат од цинкот преку надворешна жица што се поврзува помеѓу бакарот и цинкот. Молекулите на водородот образувани на површината на бакарот со редукциската реакција на крајот се извлекуваат како водороден гас.
3 Опитни резултати
Овој модел на хемиски реакции дава неколку предвидувања кои беа испитани во опитите објавени од Џери Гудисман во 2001 година. Гудисман забележува дека бројни неодамнешни автори предлагаат хемиски реакции за лимонската батерија кои вклучуваат растворање на бакарната електрода во електролитот. Гудисман ја исклучува оваа реакција како недоследна со опитите и забележува дека правилната хемија, која вклучува еволуција на водород во бакарната електрода, но исто така може да користи сребро наместо бакар, е позната многу години. Повеќето од подробните предвидувања на моделот се однесуваат на напонот на батеријата што се мери директно со мултиметар; ништо друго не е поврзано со батеријата. Кога електролитот бил модифициран со додавање на цинк сулфат (ZnSO<sub>4</sub>), напонот од ќелијата бил намален како што било предвидено со користење на Нернстовата равенка за моделот. Нернстовата равенка суштински кажува колку напонот паѓа кога се додава повеќе цинк сулфат. Додавањето на бакар сулфат (CuSO<sub>4</sub>) не влијаело на напонот. Овој резултат е во согласност со фактот дека атомите на бакар од електродата не се вклучени во моделот на хемиска реакција за ќелијата.
Кога батеријата е приклучена на надворешно коло и тече значителна електрична струја, цинковата електрода губи маса, како што е предвидено со реакцијата на оксидација на цинкот погоре. Слично на тоа, водородниот гас еволуира како меурчиња од бакарната електрода. Конечно, напонот од ќелијата зависел од киселоста на електролитот, мерена со неговата pH вредност; намалувањето на киселоста (и зголемувањето на рН) предизвикува пад на напонот. Овој ефект е предвиден и со Нернстовата равенка; Конкретната киселина што била користена (лимонска, хлороводородна, сулфурна итн.) не влијае на напонот освен преку pH вредноста.
Предвидувањето на Нерстовата равенка не успеала поради електролити со силна киселина (pH < 3,4), кога цинковата електрода се раствора во електролитот дури и кога батеријата не дава струја на колото. Двете реакции на оксидација-намалување наведени погоре се случуваат само кога електричното полнење може да се транспортира низ надворешното коло. Дополнителната реакција на отворено коло може да се забележи со формирање на меурчиња на цинковата електрода под отворено коло..Овој ефект на крајот го ограничи напонот на ќелиите на 1,0 V во близина на собна температура при највисоките нивоа на киселост.
3.1 Извор на енергија
Енергијата доаѓа од хемиската промена на цинкот кога се раствора во киселина. Енергијата не доаѓа од лимонот или компирот. Цинкот се оксидира во внатрешноста на лимонот, разменувајќи дел од неговите електрони со киселината со цел да достигне пониска енергетска состојба, а ослободената енергија ја обезбедува енергијата.
Во сегашната практика, цинкот се произведува со електродобивање на цинк сулфат или пирометалуршка редукција на цинкот со јаглерод, што бара внес на енергија. Енергијата произведена во батеријата со лимон доаѓа од промена на оваа реакција, враќање на дел од внесот на енергија за време на производството на цинк.
3.2 Смиева ќелија
Од 1840 година до крајот на 19 век, големи, напонски ќелии со помош на цинкова електрода и електролит на сулфурна киселина биле широко користени во печатарската индустрија. Додека понекогаш биле користени бакарни електроди како оние во батериите со лимон, во 1840 година Алфред Сми измислил рафинирана верзија на оваа ќелија која користела сребро со груба платинска облога наместо бакарна електрода. Водородниот гас кој се прилепува на површината на сребрена или бакарна електрода ја намалувал електричната струја што може да се извлече од ќелијата; феноменот е наречен „поларизација“. Огрубената, „платинизирана“ површина го забрзува клокотот на водородниот гас и ја зголемува струјата од ќелијата. За разлика од цинковата електрода, бакарните или платинизираните сребрени електроди не се трошат со користење на батеријата, а деталите на оваа електрода не влијаат на напонот на ќелијата. Смиевата ќелија била погодна за електропишување, која произведувала бакарни плочи за печатење на весници и книги, како и статуи и други метални предмети.
Смиевата ќелијата користела амалгамиран цинк наместо чист цинк; површината на амалгамираниот цинк е обработена со жива. Очигледно амалгамираниот цинк бил помалку склон кон разградување со кисел раствор отколку чистиот цинк. Споените цинк и обичните цинкови електроди во суштина даваат ист напон кога цинкот е чист. Со несовршено рафинираниот цинк во лабораториите од 19 век тие обично давале различни напони.
4 Поврзано
* Список на видови батерии
* Алесандро Волта
* Електрохемиска ќелија
* Галвански елемент
* Галванска корозија
* Лазањска ќелија
* Монетска батерија
5 Дополнителна литература
* Description of an acid cell with zinc & copper electrodes, including a JAVA-based animation. The animation shows zinc dissolving into the electrolyte, electrons flowing from the zinc to the copper electrodes, and little hydrogen bubbles coming off the copper electrode. The animation also suggests that a single cell can light an LED, which is not possible for LEDs that emit visible light.
* Online preview only.