Элемент Калло

20 сентября 2015, воскресенье 20:45
для раздела Блоги
Предисловие или кому адресована данная запись.

Данная запись предназначена в первую очередь для меня самого и тех 1,5 человека которым интересна наука, в частности химия, и кто умеет хоть что-то полезное делать руками, а не только в носу ковыряться и переключать каналы телевизора лежа на диване. Как следствие этого, она имеет малую практическую пользу, хотя в случае апокалипсиса данный источник электричества был бы весьма полезен, зато она научно-познавательна.

Любители по обвинять всех в нищебродстве — идите в лес в феврале месяце во время метели в 40 градусный мороз собирать землянику, и прихватите с собой филологов и лингвистов — любителей придраться к грамматике.

Надеюсь в данный момент остались только те кому интересно создание элемента Калло своими руками — приятного чтения вам и надеюсь я смогу обогатить ваш багаж знаний.

Вступление.

Всегда любил химию, провел в подростковом возрасте ни одну сотню химических опытов, в том числе и по созданию химических источников электрического тока. Описывать все их я не буду, их много, и данная запись об конкретном — элементе Калло. Почему именно он? Он довольно прост в изготовлении и он не поляризующийся — ЭДС не падает в процессе работы. Раньше я делал его в маленькой пробирке и результат меня не впечатлил, был очень малый ток и практической пользы я в нем тогда не нашел. Намного позже я наткнулся на заметку об этом элементе. В ней писалось что сила тока напрямую зависит от площади электродов. Решил проверить. Для тех кому ну очень интересно, а читать дальше невмоготу, да действительно сила тока зависит от площади электродов.

Устройство элемента.

Устройство элемента довольно простое и схематически приведено на этом рисунке.


Берется достаточно длинный сосуд.

Из медной проволоки делается положительный электрод. Для этого часть медного провода очищается от изоляции и скручивается в спираль. Важно что бы изоляция сохранилась от спирали и до вывода из сосуда, на рисунке этот участок обозначен цифрой 3. Отрицательный электрод делается из цинковой пластины закрепленной вверху сосуда. На рисунке не совсем верно указано. Расстояние между положительным и отрицательным электродом должно быть максимально большим, для минимизации саморазряда.

На положительный электрод, спираль из медной проволоки, насыпается CuSO4 – медный купорос слоем в 1-2 см.

В качестве электролита используется 10 % раствор NaCl – поваренной соли.

ЭДС (электродвижущая сила или по другому электрический ток) образуется благодаря тому, что Zn (цинк) будет отдавать электроны Cu (меди) и растворятся превращаясь в ZnSO4 (сульфат цинка). В свою очередь CuSO4 (медный купорос или сульфат меди) будет восстанавливаться Zn (цинком) до металлической меди.

ЭДС источника 1 В. Для того что бы запитать что-то надо будет собрать батарею из нескольких источников.

На этом теория заканчивается и дальше начнется практика.

Практическая сборка.

Самым сложным было найти подходящую емкость. Она должна быть высокой и при этом иметь широкое горло, что бы можно было разместить электроды. Так же у нее должна быть крышка, что бы не испарялось вода и объем электролита не уменьшался.

Очень долго искал и нашел случайно. Как то в гости заглянула старая подруга и прихватила с собой пару бутылок Активии от Данон. И вот эти бутылки оказались идеальными.


Она высока — 19 см. У нее широкое горло с пробкой. Приятным бонусом оказалось что она прозрачная, это удобство сборки и наблюдения за происходящими изменениями в процессе работы элемента.

Все здорово, но есть одно, но — их всего 2, а надо 3. Найти третью оказалось совсем не просто. В ближайшем магазине я купил в похожей бутылке какой то молочный продукт (названия не помню — давно было, этикетку выкинул), но бутылочка оказалось не совсем такой. Она была не прозрачная.


За нужным напитком и соответственно бутылкой идти пришлось на центр. Там было много Активий, но оказалось что не все они одинаково полезны. Далеко не у всех вкусов была прозрачная бутылка.

Положительный электрод был сделан из самого дешевого медного провода купленного в магазин. Куплено было 3 метра двухжильного провода. Сечение не помню и поглядеть не могу. Компоненты элемента собирались довольно продолжительное время и как следствие этого что-то забыл, что-то выкинул, например изоляцию с купленного провода.

Провод был разрезан на 4 куска по 1,5 метра. Из 3 кусков было создано 3 электрода в виде двойной спирали. Делались электроды с помощью круглогубцев и рук, благо провод был тонкий и легко поддавался формовке. На двойную спираль уходило 1,2 метра очищенного провода.

Что получилось можно увидеть на фото.


Отрицательный электрод был сделан из корпусов от старых солевых батареек формата АА путем припаивания провода к двум корпусам. Запас корпусов был сделан мной много лет назад, в подростковом возрасте, и каким то чудом сохранился до наших дней.


Далее в крышках бутылок сверлом диаметром 4,3 мм было просверлено в центре отверстие, для вывода проводов.


Диаметр отверстия должен быть минимально возможным, что бы только могли пройти провода электродов, они должны плотно держаться и не болтаться. Это нужно как для закрепления самих проводов так и для минимизации испарения воды и уменьшения объема электролита.


Медный купорос можно свободно купить в любом садовом магазине. Продается он примерно в таких пакетиках.


Выглядит примерно так.


Стоит помнить, что медный купорос довольно токсичен и нужно соблюдать элементарные правила обращения с химическими реактивами. Перчатки и противогаз не нужны, достаточно просто не допускать по падение его в пищу и после работы с ним просто помыть руки с мылом.

Использовался один пакетик, 50 гр., на один элемент. Медный купорос насыпался на медный электрод сверху с помощью воронки.


Электролит 10 % из поваренной соли делался из расчета 100 гр. соли на 1 литр воды.

Воду желательно брать максимально чистую. Я использовал воду прошедшую очистку двумя фильтрами, в моей водопроводной воде очень много гидрокарбонатов кальция и железа.

Поваренную соль надо брать очищенную. У меня под рукой была обычная каменная соль. При приготовлении электролита оказалось что в ней большое количество примесей и даже двойная фильтрация не очистила раствор и он имел беловатый оттенок.

Одного литра раствора достаточно для 3 элементов.

Электролит надо приливать максимально аккуратно, что бы не происходило смешивания электролита с кристаллами медного купороса, т.е. что бы медный купорос не растворялся. Заливал электролит с помощью все той же воронки. Получилось не очень аккуратно, немного купороса растворилось и раствор приобрел слегка голубоватый оттенок. Это плохо, т. к. часть медного купороса и цинка будет потеряна в бесполезной реакции обмена CuSO4 + Zn = ZnSO4 + Cu.

Как и предполагалось ЭДС одного элемента составил 1 В.


Ток короткого замыкания 86 мА.


Соединил 3 батареи последовательно, что дало 3 В и связал из изо лентой для компактности.


Проверка практичности.

Батарея собрана. Для проверки практичности за 45 рублей был куплен китайский ночничок.


Производитель использовал в качестве питания элемент CR 2032. Надо сказать, что братья китайцы, оказались через чур оптимистичны. Потребляет он до 33 мА и на стандартном элементе питания долго бы не протянул. Ночник на аккумуляторе от старого мобильного телефона емкость 860 мАч проработал всего 1,5 ночи. Стоит уточнить что при достижении разряда аккумулятора до 3 В происходило автоматическое отключение нагрузки с целью сохранения аккумулятора.

Фото аккумулятора, если кому то конечно интересно.


Проверка практичности состоится позже. Будет проверенно сколько ночей сможет отработать ночник. Стоит упомянуть что элемент не транспортабелен — его нельзя перемещать иначе произойдет смешивание растворов и необратимый саморазряд.

О возможном.

Теоретически вместо цинка можно использовать алюминий — он более доступен.

Возможно соединение цинковых стаканчиков пайкой было ошибкой из-за возможного образования гальванической пары.

Если увеличить количество стаканчиков, с 2 до 3, и соответственно площадь отрицательного электрода, то можно увеличить и силу тока и она будет более 100 мА.

В принципе можно даже сделать так называемый сухо заряженный элемент про запас, т.е. не заливать электролит в уже собранный элемент, залить тогда когда элемент питания понадобится.

Вроде заключения.

Батарея из 3 элементов Калло собрана. Максимально подробная инструкция с фото предоставлена.

Как уже упоминалось, практичность будет оценена немного позже. Хотя сразу же понятно, что намного практичнее и главное намного проще использовать аккумуляторы никель-металл-гидридные или литий-ионные или батарейки.

Хотелось бы напомнить, что главная цель данной записи это понять принцип работы химических источников электрического тока на примере элемента Калло и научиться самому собрать данный элемент и практически применить его.

Благодарю за внимание. Надеюсь данный материал был полезен.

UPD 1.
По результатам теста первой ночи, надо было делать батарею из 4 элементов, потому что напряжения в 3 В недостаточно для выполнения ночником своих обязанностей — умеренного освещения помещения. С аккумулятором от телефона таких проблем не возникало в виду номинального напряжения полностью заряженного аккумулятора в 4,2 В.

UPD 2.

Вот так выглядит элемент после 9 часов работы.


UPD 3.

Данная информация будет не совсем про сам элемент Калло, но она связана с химическими реактивами используемыми в его производстве.
Приведенную ниже реакцию можно использовать в качестве занимательного опыта для произведения впечатления. Например: задать зрителям вопрос — можно ли с помощью только алюминиевой проволоки закипятить воду? На отрицательный ответ показать данную реакцию.
Для этого потребуется медный купорос (CuSO4), поваренная соль (NaCl) и что ни будь из алюминия (Al) например проволока.
Берется стеклянная емкость, довольно объемная. В нее насыпается медный купорос и поваренная соль. Купороса побольше соли поменьше. Делается раствор. Что бы он был прозрачный можно добавить несколько капель любой кислоты, например уксусной или несколько крупинок лимонной. Затем в полученный раствор добавляется алюминий.
Начнется бурная реакция с выделением водорода, вода закипит, алюминий будет растворяться и будет появляться металлическая порошкообразная медь.
Объяснение происходящего.
Алюминий очень активный металл. Он способен растворяться в воде с выделением водорода, но в обычных условиях этому мешает оксидная пленка на его поверхности. В случае добавления его в раствор медного купороса с солью идут параллельно 2 реакции:
1) Алюминий вступает в реакцию обмена с медным купоросом. 3CuSO4 + Al = Al2(SO4)3 + 3Cu
2) В результате первой реакции нарушается целостность защитной оксидной пленки и алюминий начинает взаимодействовать с водой с выделением водорода. 2Al + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2
Кто ни будь заметил что в формулах нет поваренной соли? Это происходит потому, что она непосредственно не принимает участие в реакциях. NaCl, а точнее ион Хлора (Cl) является катализатором и не расходуется. Поваренной соли надо добавлять совсем не много.
ОСТОРОЖНО! Во время реакции происходит закипание раствора с возможностью его выброса. Выделяется газ Водород который в смеси с воздухом, а точнее с кислородом, образуется взрывоопасные смеси. Поэтому реакцию надо проводить на свежем воздухе с соблюдением правил безопасности!

UPD 4.

Батарея отработала 7 ночей или не менее 55 часов.
Напряжение 3,04 В. Ток короткого замыкания 102 мА. Интересной особенностью является тот факт, что сила тока увеличивается. При подключении мультиметра сила тока была 90 мА, через 20 секунд уже 102 мА. Обычно ток уменьшается.
Ток потребления ночником от батареи оказался меньше чем от блока питания и составил в пике всего 13 мА.
После 5 (пятой) ночи в одном из элементов отвалился один цинковый стаканчик и упал на дно. Связано это с тем что стаканчики брались с уже отработанных солевых батареек и имели разный износ и как следствие разную толщину стенок.
50 гр. медного купороса явно много для 2 цинковых стаканчиков от батареек формата АА, цинк израсходуется намного раньше.
Вот так выглядит батарея после 7 ночей работы.


UPD 5.

Я тут решил теоретически проверить полученный практический результат. Знаю что обычно делают наоборот, но мы же в России! Для тех кто торопиться... Теория подтвердила практику.
В элементе протекает вот такая реакция:
CuSO4 + Zn = ZnSO4 + Cu
Согласно формуле можно посчитать молярную массу и узнать % соотношение расходуемых реагентов. Стоит учесть, что продается не чистый медный купорос, а его гидрат имеющий формулу CuSO4 * 5H2O и как следствие этого малярная масса медно купороса не 160, а 250.
Получается 250+65=315. В % соотношении 79% CuSO4 * 5H2O и 21 % Zn. Получается что медного купороса надо в 2,44 раза больше чем Цинка.
У меня вес 2 цинковых стаканчиков составлял около 4,5 гр. Получается что на это количество цинка надо было 17 гр. медного купороса. Получилось что большую часть, 30 гр., медного купороса я потратил зря.
Грубо говоря на 5 гр Цинка надо 20-25 гр. купороса.
Если Цинк заменить на Алюминий то формула будет иметь следующий вид:
3CuSO4 + 2Al = Al2(SO4)3 + 3Cu
Получаются другие молярные массы. 250*3 + 27*2 = 807. 93% медного купороса и 7% алюминия. Получается что медного купороса надо в 13,2 раза больше чем Алюминия.
В итоге на 50 гр. медного купороса надо всего 3,8 гр. Алюминия.
К чему тут вдруг разговор про алюминий? Цинк кончился и достать его не так просто, а вот Алюминиевой проволоки хватает. Из нее уже сделаны 4 электрода весом от 28 до 30 гр., согласно теории, их должно хавтить на 5 заправок точно. После того как раствориться весь Цинк в уже собранных элементах, будет собрана батарея из 4 элементов использующих в качестве отрицательного электрода Алюминий. Будет взят другой ночник с током потребления от блока питания в 100 мА.

UPD 6.

Спустя 14 ночей или 110 часов работы:
— напряжение 2,92 В;
— сила тока короткого замыкания 68 мА.

UPD 7.

Спустя 21 ночь или 170 часов работы:
— напряжение 2,78 В;
— сила тока короткого замыкания 50 мА. В отличие от предыдущих замеров сила тока уменьшается, раньше она повышалась.
Батарея начала исчерпывать свой ресурс. Интересно, протянет ли она еще неделю?

UPD 8.

Спустя 28 ночей или 225 часов работы:
— напряжение 2,42 В;
— сила тока короткого замыкания 25 мА и уменьшается.
Ночник горел очень тускло. Ресурс полностью выработан.

В нормальном режиме ночник проработал 18 ночей.

Батарея была разобрана. Цинковые стаканчики полностью разрушились, хотя и сохранили свою форму. На медном, положительном, электроде образовалось довольно много меди, которая мешала вынуть электрод из емкости. Полностью удалить образовавшуюся медь с электрода не удалось.

UPD 9.

Была пере собрана батарея.
Из алюминиевой проволоки диаметром 2 мм были сделаны отрицательные электроды в виде спирали, весом 30 гр. В качестве положительных электродов использовались те же медные, что и в первой батареи. Использовалось то же количество медного купороса, по 50 гр. на элемент.

Алюминиевые электроды не оправдали ожиданий.

Напряжение одного элемента 0,68 В. Сила тока короткого замыкания 60 мА и увеличивается.
Пришлось собрать 4 элемента. В результате получено всего 2,7В и 75 мА тока короткого замыкания увеличивающегося.

Алюминий частично взаимодействует с водой в результате чего образуется водород выдавливающий электролит через отверстие для проводов в крышке.

Батарея будет использоваться с тем же ночником.
Посмотрим на долго ли хватит данной батареи.

UPD 9.

Попытка разобраться почему теория не совпала с практикой.

Мои теоретические расчеты были основаны на вот этой таблице электродных потенциалов.

Согласно ей потенциал Меди + 0,34, Цинка — 0,76 в результате в теории получается 1,1 В, что и подтвердила практика. У алюминия потенциал — 1,66, что в совокупности с потенциалом Меди + 0,34 должно было дать 2 В, но на практике едва получилось 0,7 В.
Немного погуглив я нашел вот эту таблицу потенциалов.

Согласно ее данных потенциалы для нейтральной: Медь 0,06, Цинк — 0,78, Алюминий — 0,57. Для Цинково — Медной пары теория дает всего 0,84 В против реальных 1,02. Алюминиво — Медная пара выдает теоретические 0,63 В, что очень близко к практическим 0,69. Если же взять потенциалы для кислой среды то получается: Медь 0,15, Цинк — 0,84 и Алюминий — 0,5. В результате теоретические данные обоих пар сходятся с практическими.

UPD 10.

Батарея на алюминиевых отрицательных электродах отработала 10 ночей или 80 часов.
Напряжение 2,97 В.
Сила тока короткого замыкания 90 мА и растет.

Первую ночь ночник работал очень плохо из-за поляризации алюминиевого электрода из-за образования на нем водорода. Вторую и последующие ночи ночник работает нормально.

Напряжение одного элемента, на алюминиевых отрицательных электрода, составляет 0,74 В, что ни как не вписывается в теоретические расчеты.
Нахожусь в раздумье.

Следующие замеры будут производиться с интервалом в 5 ночей.

UPD 11.

Спустя 15 ночей или 120 часов работы:
— напряжение 2,98 В;
— сила тока короткого замыкания 95 мА и растет.

UPD 12.

Спустя 20 ночей или 160 часов работы:
— напряжение 2,96 В;
— сила тока короткого замыкания 94 мА и растет.

UPD 13.

Спустя 25 ночей или 200 часов работы:
— напряжение 2,95 В;
— сила тока короткого замыкания 95 мА и растет.

UPD 14.

Спустя 30 ночей или 240 часов работы:
— напряжение 2,96 В;
— сила тока короткого замыкания 95 мА и растет.

UPD 15.

Спустя 35 ночей или 280 часов работы:
— напряжение 2,89 В;
— сила тока короткого замыкания 90 мА и растет.

UPD 16.

Спустя 40 ночей или 320 часов работы:
— напряжение 2,85 В;
— сила тока короткого замыкания 90 мА и растет.

UPD 17.

Спустя 45 ночей или 360 часов работы:
— напряжение 2,83 В;
— сила тока короткого замыкания 90 мА и растет.

UPD 18.

Спустя 50 ночей или 400 часов работы:
— напряжение 2,81 В;
— сила тока короткого замыкания 90 мА и растет.

UPD 19.

Спустя 55 ночей или 440 часов работы:
— напряжение 2,79 В;
— сила тока короткого замыкания 65 мА.
Медный купорос полностью израсходован.
VFL.RU - ваш фотохостинг

UPD 20.

С целью сравнения эффективности самодельной батареи, были приобретены 2 солевые батарейки R20, всего 47 рублей за все.
VFL.RU - ваш фотохостинг

Была собрана батарея.

Время работы 0 ночей, 0 часов:
— напряжение 3,32 В;
— сила тока короткого замыкания 3300 мА.

UPD 21.

С использованием батареек R20 яркость ночника увеличилась раза в 2, в первую ночь. На третью ночь яркость была не значительно выше чем с питанием от батареи на элементах Калло.

Время работы 5 ночей, 35 часов:
— напряжение 2,91 В;
— сила тока короткого замыкания 2600 мА.

UPD 22.

Время работы 10 ночей, 70 часов:
— напряжение 2,82 В;
— сила тока короткого замыкания 1600 мА.

UPD 23.

Время работы 15 ночей, 105 часов:
— напряжение 2,79 В;
— сила тока короткого замыкания 1500 мА.

UPD 24.

Время работы 20 ночей, 140 часов:
— напряжение 2,74 В;
— сила тока короткого замыкания 1300 мА.

UPD 25.

Время работы 25 ночей, 175 часов:
— напряжение 2,71 В;
— сила тока короткого замыкания 1200 мА.

UPD 26.

Время работы 30 ночей, 210 часов:
— напряжение 2,68 В;
— сила тока короткого замыкания 1150 мА.

UPD 27.

Время работы 35 ночей, 245 часов:
— напряжение 2,64 В;
— сила тока короткого замыкания 1100 мА.

С уважением StrateG aka Шестаков Алексей.
Оценитe материал

Возможно вас заинтересует

Популярные новости

Сейчас обсуждают