ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
KHOA HĨA
NGƠ THỊ HÒA CA
NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ
ẢNH HƯỞNG ĐẾN KHẢ NĂNG TẠO
DỊNG ĐIỆN TỪ NƯỚC QUẢ DƯA HẤU
KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP
CỬ NHÂN KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG
Đà Nẵng - 2015
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
KHOA HÓA
NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ
ẢNH HƯỞNG ĐẾN KHẢ NĂNG TẠO
DÒNG ĐIỆN TỪ NƯỚC QUẢ DƯA HẤU
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
CỬ NHÂN KHOA HỌC MƠI TRƯỜNG
Sinh viên thực hiện:
Ngơ Thị Hịa Ca
Lớp:
11CQM
Giáo viên hướng dẫn: TS. Vũ Thị Duyên
Đà Nẵng - 2015
GVHD: TS. Vũ Thị Dun
SVTH: Ngơ Thị Hịa Ca
i
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐHSP
KHOA HĨA
CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
NHIỆM VỤ KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: Ngơ Thị Hòa Ca
Lớp: 11CQM
1. Tên đề tài: Nghiên cứu khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng
tạo dòng điện từ nước quả dưa hấu.
2. Nguyên liệu, dụng cụ và thiết bị: nước quả dưa hấu, muối (NaCl), nhôm
lá, đồng lá, kẽm lá, dây điện, đồng hồ vạn năng, nhiệt kế, Cân, ống đong.
3. Nội dung nghiên cứu:
Gồm có:
- Chế tạo được một pin bằng hai điện cực kim loại khác nhau.
- Theo dõi thời gian hoạt động ổn định của pin.
- Ảnh hưởng của bản chất điện cực đến thơng số của pin.
- Thay đổi kích thước giữa hai điện cực đến đến thông số của pin.
- Ảnh hưởng của chất nền đến đến thông số của pin.
- Ảnh hưởng nhiệt độ đến suất điện động và cường độ dòng điện của pin.
- Ảnh hưởng của cách mắc mạch điện.
4. Giáo viên hướng dẫn: TS. Vũ Thị Duyên.
5. Ngày giao đề tài: tháng 11 năm 2014.
6. Ngày hoàn thành: tháng 04 năm 2015.
Chủ nhiệm Khoa
Giáo viên hướng dẫn
TS. Vũ Thị Duyên
Sinh viên đã hoàn thành và nộp báo cáo cho Khoa ngày….tháng…năm 2015.
Kết quả điểm đánh giá:
Ngày…tháng…năm 2015
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
GVHD: TS. Vũ Thị Dun
SVTH: Ngơ Thị Hịa Ca
ii
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐHSP
KHOA HĨA
CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
NHIỆM VỤ KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: Ngơ Thị Hòa Ca
Lớp: 11CQM
1. Tên đề tài: Nghiên cứu khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng
tạo dòng điện từ nước quả dưa hấu.
2. Nguyên liệu, dụng cụ và thiết bị: nước quả dưa hấu, muối (NaCl), nhôm
lá, đồng lá, kẽm lá, dây điện, đồng hồ vạn năng, nhiệt kế, Cân, ống đong.
3. Nội dung nghiên cứu:
Gồm có:
- Chế tạo được một pin bằng hai điện cực kim loại khác nhau.
- Theo dõi thời gian hoạt động ổn định của pin.
- Ảnh hưởng của bản chất điện cực đến thơng số của pin.
- Thay đổi kích thước giữa hai điện cực đến đến thông số của pin.
- Ảnh hưởng của chất nền đến đến thông số của pin.
- Ảnh hưởng nhiệt độ đến suất điện động và cường độ dòng điện của pin.
- Ảnh hưởng của cách mắc mạch điện.
4. Giáo viên hướng dẫn: TS. Vũ Thị Duyên.
5. Ngày giao đề tài: tháng 11 năm 2014.
6. Ngày hoàn thành: tháng 4 năm 2015.
Giáo viên hướng dẫn
Sinh viên
TS. Vũ Thị Dun
Ngơ Thị Hịa Ca
Sinh viên đã hồn thành và nộp báo cáo cho Khoa ngày … tháng 05 năm 2015.
GVHD: TS. Vũ Thị Dun
SVTH: Ngơ Thị Hịa Ca
iii
LỜI CẢM ƠN
Khóa luận tốt nghiệp là một khâu rất quan trọng bởi vì đây là giai đoạn sinh
viên có được động cơ học tập đúng đắn, củng cố hoá kiến thức đã học tập, mong
muốn được vận dụng cơ sở lý thuyết đã học vào công việc thực tế nói chung cũng
như để nắm bắt được những kiến thức cơ bản trong q trình nghiên cứu nói riêng,
tơi đã có thời gian được nghiên cứu tại trường dưới sự hướng dẫn của cô Vũ Thị
Duyên.
Lời đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn đến cô Vũ Thị Duyên đã tận tình giúp
đỡ, hướng dẫn tơi thực hiện tốt bài báo cáo tốt nghiệp. Và tôi cũng xin được bày tỏ
lịng biết ơn sâu sắc nhất đến q thầy cơ Khoa Hóa của trường Đại học Sư Phạm
Đà Nẵng giúp đỡ và nhiệt tình truyền đạt cho tơi những kiến thức và lý luận thực
tiễn trong suốt quá trình học tập, đó là vốn kiến thức quý báu làm nền tảng cho công
việc sau này.
Tôi đã cố gắng rất nhiều, tuy nhiên thời gian và kiến thức của tơi cịn hạn chế
nên báo cáo không sao tránh khỏi những thiếu sót. Vì vậy tơi rất mong nhận được ý
kiến đóng góp của q thầy cơ để bài báo cáo được hồn chỉnh và đạt kết quả tốt
hơn.
Tơi xin gửi đến Q Thầy Cơ Trường Đại học Sư Phạm – Đà Nẵng, thầy cơ
Khoa Hóa, cơ Vũ Thị Dun lời chúc sức khoẻ, hạnh phúc và thành đạt.
Đà Nẵng, ngày … tháng 05 năm 2015.
Sinh viên thực hiện
GVHD: TS. Vũ Thị Dun
SVTH: Ngơ Thị Hịa Ca
iv
MỤC LỤC
Chương 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU ......................................................................1
1.1. Giới thiệu về quả dưa hấu ................................................................................1
1.1.1. Thành phần hóa học của quả dưa hấu ......................................................2
1.1.2. Tác dụng chữa bệnh của quả dưa hấu ......................................................3
1.2. Pin điện hóa .....................................................................................................4
1.2.1. Nguyên tắc hoạt động của pin điện hóa ...................................................4
1.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng tới đặc trưng của pin điện hóa ..............................6
1.3. Pin từ củ quả ....................................................................................................9
1.3.1. Pin quả chanh ...........................................................................................9
1.3.2. Pin khoai tây .............................................................................................9
1.3.3. Pin từ củ khoai lang ................................................................................10
Chương 2: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..................12
2.1. Nguyên liệu và dụng cụ .................................................................................12
2.2. Chế tạo pin từ nước dưa hấu và nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới thông
số của pin ..............................................................................................................12
2.2.1. Theo dõi thời gian hoạt động ổn định của pin ........................................13
2.2.2. Ảnh hưởng của bản chất điện cực ..........................................................14
2.2.3. Ảnh hưởng của kích thước điện cực.......................................................15
2.2.4. Ảnh hưởng của chất nền .........................................................................15
2.2.5. Ảnh hưởng của cách mắc mạch điện ......................................................16
Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .............................................................18
3.1. Ảnh hưởng của bản chất điện cực đến suất điện động của pin ......................18
3.2. Ảnh hưởng thời gian đến thông số của pin ....................................................20
3.3. Ảnh hưởng của kích thước điện cực đến các thông số của pin .....................21
3.4. Ảnh hưởng của chất nền đến thông số của pin ..............................................23
GVHD: TS. Vũ Thị Dun
SVTH: Ngơ Thị Hịa Ca
v
3.5. Ảnh hưởng nhiệt độ đến thông số của pin .....................................................24
3.6. Ảnh hưởng cách mắc đến thông số của nguồn điện ......................................26
3.6.1. Mắc nối tiếp ............................................................................................26
3.6.2. Mắc song song ........................................................................................28
KẾT LUẬN ..............................................................................................................31
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................32
GVHD: TS. Vũ Thị Duyên
SVTH: Ngơ Thị Hịa Ca
vi
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Thành phần hóa học của nước quả dưa hấu. ..............................................2
Bảng 1.2: Ảnh hưởng của nồng độ đến suất điện động. .............................................6
Bảng 1.3: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến suất điện động. .............................................8
Bảng 3.1: Thông số thu được khi thay đổi kích thước điện cực. .............................22
Bảng 3.2: Thông số thu được khi thay đổi nồng độ chất nền. ..................................23
Bảng 3.3: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến thông số của pin .........................................25
Bảng 3.4: Thông số của cách mắc nối tiếp ...............................................................26
Bảng 3.5: Thông số của cách mắc song song ...........................................................28
GVHD: TS. Vũ Thị Dun
SVTH: Ngơ Thị Hịa Ca
vii
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1: Quả dưa hấu trước và sau khi cắt. ..............................................................1.
Hình 1.2: Cách đồng trồng dưa hấu của người nơng dân. .........................................2.
Hình 1.3: Sơ đồ pin điện hóa Zn - Cu ........................................................................5.
Hình 1.4: Pin củ khoai lang. .....................................................................................10.
Hình 2.1: Đồng hồ vạn năng ...................................................................................12.
Hình 2.2: Đồng trước và sau khi đánh giấy ráp. ......................................................13.
Hình 2.3: Đoạn mạch điện cực Zn – Cu...................................................................13.
Hình 2.4: Suất điện động điện cực Al – Cu. ............................................................14.
Hình 2.5: Suất điện động điện cực Zn – Cu. ............................................................14.
Hình 2.6: Kích thước điện cực Zn - Cu....................................................................15.
Hình 2.7: Mắc nối tiếp .............................................................................................16.
Hình 2.8: Mắc song song. ........................................................................................17.
Hình 3.1: Suất điện động của pin từ nước dưa hấu với điện cực Al-Cu và Zn-Cu..18.
Hình 3.2: Sự phụ thuộc thông số của pin vào thời gian t .........................................21.
Hình 3.3: Sự phụ thuộc của suất điện động (1) và cường độ dòng điện (2) của pin
điện cực Zn-Cu vào diện tích điện cực đồng (S). ....................................................22.
Hình 3.4: Sự phụ thuộc của suất điện động (1) và cường độ dòng điện (2) của pin
điện cực Zn-Cu vào nồng độ chất nền (NaCl). ........................................................24.
Hình 3.5: Sự phụ thuộc của suất điện động (1) và cường độ dòng điện (2) của pin
điện cực Zn-Cu vào nhiệt độ của điện cực(t). ..........................................................25.
Hình 3.6: Sự phụ thuộc của suất điện động (1) và cường độ dòng điện (2) của pin
điện cực Zn-Cu vào số lượng các đoạn mạch mắc nối tiếp (x) từ nước dưa hấu. ...27.
Hình 3.7: Sự phụ thuộc của suất điện động (1) và cường độ dòng điện (2) của pin
điện cực Zn-Cu vào số lượng các đoạn mạch mắc song song (x) nước dưa hấu. ....29.
GVHD: TS. Vũ Thị Dun
SVTH: Ngơ Thị Hịa Ca
viii
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt và là nguồn năng lượng không thể
tái tạo, chất thải từ nguồn năng lượng hóa thạch gây ơ nhiễm mơi trường, làm thay
đổi khí hậu, đe dọa cuộc sống của chúng ta, ảnh hưởng tới sự phát triển bền vững
của thế giới.
Thay thế các dạng năng lượng truyền thống bằng năng lượng xanh – nguồn
năng lượng tự nhiên, khi sản xuất ít tác động tiêu cực đến môi trường là yêu cầu bức
thiết để bảo vệ trái đất.
Năng lượng xanh là loại năng lượng khi sản xuất ít tác động tiêu cực đến mơi
trường hơn so với năng lượng hóa thạch. Mục tiêu của năng lượng xanh là tạo ra
năng lượng nhưng không gây hại cho môi trường. Việc sử dụng năng lượng xanh là
một thách thức đặt ra cho chúng ta.
Một trong những nguồn năng lượng xanh đang được nhắc đến đó là nguồn
năng lượng từ củ quả. Pin có sức điện động tương đương với pin tiểu dùng để chạy
đồng hồ, máy tính bỏ túi…đã được chế tạo từ củ khoai [1, 6], hoặc từ quả chanh [2,
3]. Tuy nhiên các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tạo dòng điện từ quả chưa được
nghiên cứu hệ thống.
Dưa hấu có tên khoa học là Citrullus lanatus là một lồi thực vật trong họ
Bầu bí (Cucurbitaceae), một loại trái cây có vỏ cứng, chứa nhiều nước, có nguồn
gốc từ miền nam châu Phi.
Trong đề tài này, tơi trình bày kết quả “Nghiên cứu khảo sát các yếu tố ảnh
hưởng đến khả năng tạo dòng điện từ nước quả dưa hấu”.
2. Mục đích và nội dung nghiên cứu
2.1. Mục đích
Nghiên cứu chế tạo pin xanh từ nước dưa hấu.
Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tạo dòng điện từ nước quả dưa
hấu.
GVHD: TS. Vũ Thị Dun
SVTH: Ngơ Thị Hịa Ca
ix
2.2. Nội dung nghiên cứu
Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tạo dòng điện từ nước dưa
hấu.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tượng nghiên cứu
Dưa hấu thu hoạch từ tỉnh Quảng Nam.
3.2. Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu chế tạo pin xanh từ nước dưa hấu. Khảo sát các yếu tố ảnh
hưởng đến khả năng tạo dòng điện từ nước dưa hấu.
4. Phương pháp nghiên cứu
Để tài bao gồm các nhóm nghiên cứu sau:
4.1. Nghiên cứu lý thuyết
Tìm hiểu về quả dưa hấu.
Nguyên tắc hoạt động của pin điện hóa.
Các yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng của pin điện hóa.
Pin từ củ quả.
4.2. Nghiên cứu thực tiễn
Chế tạo được một pin bằng hai điện cực kim loại khác nhau.
Theo dõi thời gian hoạt động ổn định của pin.
Ảnh hưởng của bản chất điện cực đến suất điện động và cường độ dòng điện
của pin.
Thay đổi kích thước giữa hai điện cực đến suất điện động và cường độ dòng
điện của pin.
Ảnh hưởng của chất nền đến suất điện động và cường độ dòng điện của pin.
Ảnh hưởng nhiệt độ đến suất điện động và cường độ dòng điện của pin.
Ảnh hưởng của cách mắc mạch điện.
GVHD: TS. Vũ Thị Dun
SVTH: Ngơ Thị Hịa Ca
x
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
5.1. Ý nghĩa khoa học
Các kết quả thu được là tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu tiếp theo tạo
nguồn điện trong các củ, quả khác.
5.2. Ý nghĩa thực tiễn
Sự thành công của đề tài mở ra hướng mới – sử dụng dòng điện từ củ, quả để
chiếu sáng bóng đèn ngủ và trang trí căn phịng, sạc pin điện thoại, đèn trong phịng
thí nghiệm….
6. Bố cục khóa luận
Khóa luận bao gồm:
Lời cảm ơn (1 trang);
Mở đầu (3 trang);
Nội dung luận văn bao gồm 3 chương:
Chương 1. Tổng quan tài liệu (11 trang);
Chương 2. Nguyên liệu và phương pháp nghiên cứu (6 trang);
Chương 3. Kết quả và thảo luận (13 trang);
Kết luận (1 trang);
Tài liệu tham khảo (1 trang).
GVHD: TS. Vũ Thị Dun
SVTH: Ngơ Thị Hịa Ca
xi
Chương 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Giới thiệu về quả dưa hấu
Dưa hấu tên
khoa học: Citrullus
lanatus, là một loài
thực vật trong họ bầu
bí
(Cucurbitaceae),
một loại trái cây có vỏ
cứng,
chứa
nhiều
nước, có nguồn gốc từ
miền nam châu Phi và
là loại quả phổ biến
nhất trong họ Bầu bí.
Ở
Việt Nam
dưa hấu được trồng
Hình 1.1: Quả dưa hấu trước và sau khi cắt
nhiều ở các tỉnh miền
Trung như: Quảng Nam và Quảng Ngãi. Do thương nhân Trung Quốc ngừng mua,
giá dưa hấu ở Quảng Nam và Quảng Ngãi rớt thê thảm. Thậm chí nhiều diện tích
dưa hấu của nơng dân Quảng Ngãi vì khơng có người thu mua, nhiều nông dân
đành bỏ ruộng khiến lượng lớn dưa hư hỏng, chín rụng ngồi đồng. Người trồng
dưa chủ yếu phụ thuộc vào thị trường Trung Quốc. Nếu Trung Quốc không tiêu thụ,
giá dưa hấu sẽ giảm. Vào mùa giá dưa hấu chỉ 1.300 – 1.700 đồng/kg.
Cơn lũ trái mùa tháng 3/2015 đã ảnh hưởng đến 570ha dưa hấu của tỉnh
Quảng Nam, trong đó 180ha bị ngập và hư hỏng 100%. Ước tính con số thiệt hại
lên đến hàng chục tỷ đồng.
GVHD: TS. Vũ Thị Dun
SVTH: Ngơ Thị Hịa Ca
1
Hình 1.2: Cách đồng trồng dưa hấu của người nơng dân
Nhiều đoàn thể đã thiết lập các điểm bán dưa hỗ trợ người nông dân Quảng
Nam và Quảng Ngãi trên khắp các tỉnh thành. Đến giữa tháng 4/2015, toàn bộ 185
tấn dưa hấu ngập lụt của người dân Quảng Nam đã được bán hết. Giá dưa đã có xu
hướng tăng trở lại.
Sau đây là thơng tin về thành phần hóa học và tác dụng của quả dưa hấu.
1.1.1. Thành phần hóa học của quả dưa hấu
Bảng 1.1: Thành phần hóa học của nước quả dưa hấu
Đơn vị
Hàm lượng
Nước
g
91.45
Đường
g
5
Protein
g
0.61
Sắt
mg
0.24
Magie
mg
10
Kali
mg
112
Thành phần
GVHD: TS. Vũ Thị Dun
SVTH: Ngơ Thị Hịa Ca
2
Photpho
mg
11
Kẽm
mg
0.1
Canxi
mg
7
Vitamin A
µg
28
Vitamin B1
mg
0.033
Vitamin B2
mg
0.021
Vitamin B3
mg
0.178
Vitamin B5
mg
0.221
Vitamin B6
mg
0.045
Acid folat
µg
3
Ngồi ra trong nước dưa hấu còn chứa lycopene, betarin, lysine, enzyme các
loại…
1.1.2. Tác dụng chữa bệnh của quả dưa hấu
Dưa hấu là loại trái cây thơng dụng trong mọi gia đình, đặc biệt là khi thời
tiết mùa hè. Hiện nay, dưa hấu được sử dụng với nhiều chức năng khác nhau: thực
phẩm, mỹ phẩm và dược phẩm. Các bộ phận của dưa hấu từ vỏ, cùi đến thịt, hạt đều
là những vị thuốc chữa bệnh tốt. Ruột dưa hấu có nhiều đường, vitamin, chất
khoáng và các hoạt chất sinh học khác. Vỏ dưa cũng chứa nhiều vitamin và muối
khống. Ngồi tác dụng giải nhiệt cịn có khả năng ngăn chặn sự lắng đọng của
cholesterol trên thành mạch, chống xơ vữa động mạch.
Hạt dưa có các chất béo, axit hữu cơ, các loại men có ích cho hoạt động sinh
lý của cơ thể. Theo một số nghiên cứu gần đây, hạt dưa hấu chứa những chất có tác
dụng hạ huyết áp và làm giảm bớt các triệu chứng bệnh viêm bàng quan cấp tính.
Lá và rễ dưa hấu nếu đem sắc uống có tác dụng điều trị nhất định với bệnh viêm
ruột.
GVHD: TS. Vũ Thị Dun
SVTH: Ngơ Thị Hịa Ca
3
Theo đơng y, dưa hấu vị ngọt, tính lạnh, có tác dụng giải khát, chống nóng,
lợi tiểu, chữa yết hầu sung đau, bệnh lỵ, giải say rượu. Vỏ dưa hấu có vị ngọt, tính
mát, có thể chống nóng, giảm cảm nắng, chữa vàng da, phù thũng và các bệnh loét
ở miệng. Hạt dưa hấu có tác dụng nhuận tràng và hỗ trợ tiêu hóa.
1.2. Pin điện hóa
Pin điện hóa là hệ điện hóa biến năng lượng của phản ứng oxi hóa - khử xảy
ra trên hai điện cực thành năng lượng điện (E (hóa học) → E (điện)).
1.2.1. Nguyên tắc hoạt động của pin điện hóa
Một pin điện hóa gồm có hai điện cực (vật dẫn loại I) và hệ điện li (vật dẫn
loại II).
Trong pin điện hóa trên, thì:
Anơt là điện cực ở đó xảy ra q trình oxi hóa:
Ví dụ: Zn → Zn2+ + 2e;
4OH - → O2 + 2H2O + 4e.
Catơt là điện cực ở đó xảy ra q trình khử:
Ví dụ: 2H 2e H2 ;
Cu 2 2e Cu
Khi pin điện hóa hoạt động có một dịng điện chạy qua hai điện cực và hệ
điện li. Theo quy ước thì dịng điện chạy từ điện cực dương sang điện cực âm và
dòng electron chuyển từ cực âm sang cực dương.
Xét pin điện hóa: Zn / Zn 2 1M / / Cu 2 1M / Cu
Điện cực Zn2+/Zn = -0,763 < Cu2+/Cu = 0,337 nên Zn2+/Zn đóng vai trị điện
cực âm và Cu2+/Cu điện cực dương. Khi pin hoạt động, dòng electron sẽ chạy từ
cực Zn2+/Zn sang cực Cu2+/Cu và làm cho thế của điện cực Zn2+/Zn phân cực về
phía dương hơn thế cân bằng Zn2 / Zn
cb
, do đó cân bằng của điện cực Zn2+/Zn
dịch chuyển về phía hồ tan Zn thành Zn2+:
GVHD: TS. Vũ Thị Dun
SVTH: Ngơ Thị Hịa Ca
4
Zn Zn 2 + 2e
0
(
RT
ln CZn2 ; dương hơn hay tăng đồng nghĩa với việc nồng độ
2F
Zn2+ tăng hay xảy ra sự hoà tan Zn)
electrons
Zn
Cu
Cầu muối
Cu2+ ions
Zn2+ ions
Hình 1.3: Sơ đồ pin điện hóa Zn – Cu
Đây là phản ứng oxi hóa, nên điện cực Zn2+/Zn (cực âm) gọi là điện cực
anôt.
Điện cực Cu2+/Cu nhận dòng electron từ Zn2+/Zn nên thế của điện cực
Cu2+/Cu bị phân cực về phía âm hơn thế cân bằng Cu 2 /Cu
điện cực Cu2+/Cu dịch chuyển về phía tạo Cu: Cu
0
(
2
cb
, do đó cân bằng của
2e Cu .
RT
ln CCu 2 ; âm hơn hay giảm đồng nghĩa với việc nồng độ
2F
Cu2+ giảm hay xảy ra sự tạo thành Cu kim loại)
Đây là phản ứng khử, nên điện cực Cu2+/Cu (cực dương) gọi là điện cực
catôt.
GVHD: TS. Vũ Thị Duyên
SVTH: Ngô Thị Hòa Ca
5
1.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng tới đặc trưng của pin điện hóa
1.2.2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến suất điện động
a. Ảnh hưởng của nồng độ
Xét nguyên tố galvani: (-) M1/M1n+//M2n+/M2 (+)
Ở anot: M1
M1n+ – ne
Quá trình chung: M1 + M2
Ta có ∆𝐺 = ∆𝐺 0 + 𝑅𝑇𝑙𝑛
∆𝐺 0 = −𝑅𝑇𝑙𝑛
[𝑀1𝑛+]𝑐𝑏
ở catot: M2n+ + ne
n+
n+
M2 + M1 ; hằng số cân bằng 𝐾 =
[𝑀1𝑛+ ]
[𝑀2𝑛+ ]
Mà −𝐴′𝑚𝑎𝑥 = ∆𝐺 = −𝑛𝐹𝐸 nên −𝑛𝐹𝐸 = −𝑅𝑇𝑙𝑛𝐾 + 𝑅𝑇𝑙𝑛
Suy ra 𝐸 =
Đặt 𝐸 0 =
𝑅𝑇
𝑛𝐹
𝑅𝑇
𝑛𝐹
𝑙𝑛𝐾 −
𝑅𝑇
𝑛𝐹
𝑙𝑛
[𝑀1𝑛+ ]𝑐𝑏
[𝑀2𝑛+ ]𝑐𝑏
khi hệ đạt tới trạng thái cân bằng ∆𝐺 = 0 nên
= −𝑅𝑇𝑙𝑛𝐾. Do đó ∆𝐺 = −𝑅𝑇𝑙𝑛𝐾 + 𝑅𝑇𝑙𝑛
[𝑀2𝑛+]𝑐𝑏
M2
[𝑀1𝑛+ ]
[𝑀2𝑛+ ]
[𝑀1𝑛+ ]
[𝑀2𝑛+ ]
[𝑀1𝑛+ ]
[𝑀2𝑛+ ]
𝑙𝑛𝐾 (tức là suất điện động chuẩn khi các nồng độ bằng 1M).
Ta có: 𝐸 = 𝐸 0 −
𝑅𝑇
𝑛𝐹
𝑙𝑛
[𝑀1𝑛+ ]
[𝑀2𝑛+ ]
Xét cụ thể phản ứng: Zn + Cu2+
Cu + Zn2+
𝑅𝑇 [𝑍𝑛2+ ]
𝐸=𝐸 −
𝑙𝑛
2𝐹 [𝐶𝑢2+ ]
0
Bảng 1.2: Ảnh hưởng của nồng độ đến suất điện động
[Zn2+]
[Cu2+]
E
[Zn2+]
[Cu2+]
E
1
10-6
0.69
10-6
1
1.51
1
10-5
0.76
10-5
1
1.44
1
10-4
0.83
10-4
1
1.37
1
10-3
0.90
10-3
1
1.30
GVHD: TS. Vũ Thị Duyên
SVTH: Ngơ Thị Hịa Ca
6
1
10-2
0.96
10-2
1
1.24
1
10-1
1.03
10-1
1
1.17
1
100
1.1
100
1
1.1
Nhận xét:
- Giữ nguyên nồng độ 1M của Zn2+ tăng nồng độ của Cu2+ từ 10-6M đến 1M
suất điện động của pin tăng từ 0.69V đến 1.1V
- Giữ nguyên nồng độ 1M Cu2+ tăng nồng độ của Zn2+ từ 10-6M đến 1M suất
điện động của pin giảm từ 1.51V đến 1.1V
Vậy khi tăng nồng độ của chất tham gia, giảm nồng độ của sản phẩm suất điện
đồng của pin điện hóa tăng.
b. Ảnh hưởng của áp suất
Áp suất có ảnh hưởng đến suất điện động của nguyên tố galvani có các điện
cực khí tham gia.
Từ nhiệt động học ta có: (
Suy ra
𝜕𝐸
𝜕𝑃
=−
𝜕∆𝐺
𝜕𝑃
) = ∆𝑉 mà ∆𝐺 = −𝑛𝐹𝐸
𝑇
∆𝑉
𝑛𝐹
Nhận xét: đối với phản ứng làm tăng thể tích hệ, tức là có ΔV>0 thì E tỉ lệ
nghịch với P, tăng áp suất của hệ làm giảm suất điện động của pin. Ngược lại, với
các phản ứng phân hủy, oxi hóa – khử, phản ứng thế, phản ứng trao đổi… thì E tỉ lệ
thuận với P, khi tăng áp suất của hệ suất điện động của pin tăng.
Xét ảnh hưởng của áp suất hidro đến phản ứng:
H2 + 2AgCl
2HCl + 2Ag
Bỏ qua sự biến thiên của thể tích của pha lỏng và rắn, thì ΔV = -RT/P.
Từ 3 phương trình trên ta có:
𝜕𝐸
𝜕𝑃
=
𝑅𝑇 1
2𝐹 𝑃
=> 𝐸 = 𝐸 0 +
GVHD: TS. Vũ Thị Dun
SVTH: Ngơ Thị Hịa Ca
=> 𝜕𝐸 =
𝑅𝑇 1
2𝐹 𝑃
𝜕𝑃
𝑅𝑇
𝑙𝑛𝑃
2𝐹
7
Phản ứng làm giảm số mol khí nên tăng áp suất suất điện động của pin tăng.
c. Ảnh hưởng của nhiệt độ
Theo phản ứng: Oxh1 + Kh2
Kh1 + Oxh2
Phương trình Nernst:
𝜑 = 𝜑0 +
𝑅𝑇 𝑎𝑂𝑋𝐻
𝑙𝑛
𝑛𝐹
𝑎𝐾ℎ
Xét cụ thể phản ứng: Zn + Cu2+
𝐸 = 𝐸0 −
Cu + Zn2+
𝑅𝑇 [𝑍𝑛2+ ]
𝑙𝑛
2𝐹 [𝐶𝑢2+ ]
Ta thấy: nhiệt độ tỉ lệ thuận với suất điện động. Giả sử, nồng độ [Zn2+] =
106M, [Cu2+] = 1M, R/2F = 0,0001. Bảng thể hiện nhiệt độ ảnh hưởng đến suất điện
động.
Bảng1.3: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến suất điện động
T (K)
E
T (K)
E
278
1.489
298
1.517
283
1.496
303
1.524
288
1.503
308
1.531
293
1.510
313
1.538
Khi tăng nhiệt độ từ 5ºC đến 40ºC suất điện động tăng từ 1.489V lên 1.538V.
1.2.2.2. Ảnh hưởng nhiệt độ đến độ dẫn điện
Khi nhiệt độ tăng thì độ dẫn điện của dung dịch điện ly tăng. Sự phụ thuộc
của độ dẫn điện riêng đối với đối với dung dịch lỗng và nhiệt độ tn theo cơng
thức Kohlrausch: 𝜒𝑇 = 𝜒25 [1 + 𝛼 (𝑇 − 25) + 𝛽 (𝑇 − 25)2 ]
𝛼, 𝛽 là các hệ số phụ thuộc vào bản chất của chất điện li.
Sự phụ thuộc của độ dẫn điện đương lượng vào nhiệt độ:
Ʌ = Ʌ0 (1 + 𝛼𝑇 − 𝛽𝑇 2 )
GVHD: TS. Vũ Thị Dun
SVTH: Ngơ Thị Hịa Ca
8
Với Ʌ0 : độ dẫn điện đương lượng ở t = 0; α, β hệ số kinh nghiệm.
Độ dẫn điện của chất điện li còn bị ảnh hưởng bởi áp suất đối với dung dịch.
1.3. Pin từ củ quả
1.3.1. Pin quả chanh
Pin từ quả chanh được chế tạo như sau: bao gồm hai vật bằng kim lọai, như
cây đinh tráng kẽm và đồng xu bằng đồng, cắm vào một quả chanh. Đồng xu đóng
vai trị điện cực dương cịn cây đinh đóng vai trị điện cực âm. Hai điện cực này tạo
một phản ứng điện hóa dẫn tới hình thành một hiệu điện thế. Vài quả chanh được
mắc nối tiếp có thể được dùng để thắp sáng một bóng đèn Led tiêu chuẩn. Đèn dây
tóc thường khơng được sử dụng. Đồng hồ điện tử hoạt động tốt và một số nhà sản
xuất đồ chơi đã cung cấp các bộ đồ chơi có đồng hồ chạy bằng hai viên chanh.
Năng lượng cung cấp cho mạch điện có từ việc khử các ion kim loại trên
điện cực. Trái chanh cung cấp điều kiện cho phản ứng xảy ra. Trong pin trái chanh,
cả hai q trình oxy hóa và khử đều diễn ra.
Ví dụ: pin chạy bằng đồng và kẽm.
Ở anot kẽm bị oxy hóa:
Zn – 2e → Zn2+
Ở catot hydro bị khử:
2H+ + 2e → H2
1.3.2. Pin khoai tây
Cơ chế hoạt động của pin khoai tây cũng giống như pin từ quả chanh.
Một viên pin khoai tây tốt có thể dùng trong vài ngày. Nếu liên kết nhiều
viên lại thời gian sử dụng sẽ lâu hơn, có khi tới vài tuần.
Các nhà khoa học gọi pin khoai tây là pin “xanh”, bởi tính thân thiện với mơi
trường của nó. Ngồi ra pin khoai tây rẻ hơn thường từ 5 – 50 lần, cũng như hiệu
quả hơn 6 lần so với đèn dầu hỏa các nước thế giới thứ ba.
Khoai tây luộc chín sẽ dùng làm pin tốt hơn so với khoai tây sống tới 10 lần.
Vì khi luộc chín sự giảm điện trở cầu muối bên trong khoai có cơ chế tương tự như
cơng nghiệp tối ưu hóa pin thơng thường trong cơng ngiệp.
GVHD: TS. Vũ Thị Dun
SVTH: Ngơ Thị Hịa Ca
9
Tại hội thi khoa học kỹ thuật dành cho tuổi teen do Bộ GD-ĐT tổ chức đầu
năm 2012, nhóm học sinh trường THPT Việt Đức, Hà Nội thực hiện đề tài sản xuất
pin từ củ khoai tây để tạo ra dòng điện 50V sử dụng cho đèn Led chiếu sáng, đèn
bàn học, máy tính bảng, máy tính bỏ túi và phế phẩm làm phân bón, đọt giải nhì cấp
thành phố và giải ba cấp quốc gia.
1.3.3. Pin từ củ khoai lang
Các yếu tố ảnh hưởng đến suất điện động và cường độ dịng điện của pin
điện hóa từ củ khoai lang đã được công bố trong nghiên cứu khoa học toàn quốc lần
thứ VII – năm 2014, nghiên cứu chế tạo pin xanh từ củ khoai lang.
Hình 1.4: Pin củ khoai lang
Pin xanh từ củ khoai lang có suất điện động bằng 0,45 ± 0,05V khi sử dụng
điện cực Al-Cu; 0,80±0,05V - điện cực Zn-Cu đã được chế tạo. Hiệu điện thế của
pin tạo thành ít thay đổi theo thời gian.
Tăng diện tích điện cực, giảm khoảng cách giữa hai điện cực suất điện động
và cường độ dòng điện trong pin tăng.
GVHD: TS. Vũ Thị Dun
SVTH: Ngơ Thị Hịa Ca
10
Pin tạo thành bằng cách ghép nối tiếp 2 đoạn mạch từ miếng khoai kích
thước 3x3x3cm có khả năng chạy bóng đèn Led với thời gian tối đa là 25 ngày và
làm máy tính Casio hoạt động. Sau khi ngâm nước pin tiếp tục hoạt động chạy được
máy tính Casio fx500.
Mắc nối tiếp hai đoạn mạch từ 2 củ khoai lên mầm được trồng trong chậu thu
được pin có thời gian hoạt động tương đương pin từ 2 miếng khoai (đốt cháy bóng
đèn Led trong 25 ngày), tuy nhiên sau khi đèn ngừng hoạt động củ khoai vẫn còn
tươi. Thay điện cực âm bằng 1 đinh mới pin lại hoạt động bình thường. Như vậy củ
khoai nảy mầm cho phép chế tạo pin với dung lượng lớn hơn miếng khoai bị cắt.
Mắc nối tiếp 10 miếng khoai lang có kích thước 3x3x3cm tạo nguồn điện có
suất điện động 6,05V. Sức điện động của pin tạo thành ít thay đổi theo thời gian.
GVHD: TS. Vũ Thị Dun
SVTH: Ngơ Thị Hịa Ca
11
Chương 2: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Nguyên liệu và dụng cụ
Nguyên liệu:
- Dưa hấu vỏ xanh, lõi đỏ, có tên
khoa học là Citrullus lanatus.
- Nhơm lá (độ tinh khiết 98%,
Trung Quốc);
- Đồng lá (độ tinh khiết 98%,
Trung Quốc);
- Kẽm lá (độ tinh khiết 98%,
Trung Quốc).
Dụng cụ:
- Bóng đèn Led;
- Dây điện;
- Đồng hồ vạn năng (DER EE - DE
Hình 2.1: Đồng hồ vạn năng
360TR, Trung Quốc);
- Nhiệt kế;
- Cân;
- Ống đong.
2.2. Chế tạo pin từ nước dưa hấu và nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới thông
số của pin
Pin được chế tạo bằng cách vắt nước dưa hấu vào cốc nhỏ cắm vào một lá
kẽm hoặc lá nhơm đóng vai trị là cực âm và 1 lá đồng 3,5x2 cm2 đóng vai trị là cực
dương. Lá đồng và lá kẽm (nhôm) trước khi sử dụng được đánh giấy ráp để tẩy lớp
oxit bên ngoài. Suất điện động và cường độ dòng điện của pin được đo bằng đồng
hồ vạn năng (DER EE - DE 360TR, Trung Quốc).
GVHD: TS. Vũ Thị Dun
SVTH: Ngơ Thị Hịa Ca
12
Hình 2.2: Đồng trước và sau khi đánh giấy ráp
Hình 2.3: Đoạn mạch điện cực Zn – Cu.
2.2.1. Theo dõi thời gian hoạt động ổn định của pin
Khi cho 2 điện cực vào nước dưa hấu để đo suất điện động và cường độ dịng
điện, quan sát q trình thay đổi của các thông số. Thời gian theo dõi là từ 0 phút
đến 40 phút. Sau 5 phút ghi số liệu thu được.
GVHD: TS. Vũ Thị Dun
SVTH: Ngơ Thị Hịa Ca
13