Исследовательская работа " Большой вред от маленькой батарейки"

МБОУ « Ягуновская СОШ»

Исследовательская работа

Выполнила Подьярова Злата

ученица 7 класса.

Руководитель

Ощепкова Марина Павловна

учитель физики

Ягуново   2017 г.

Содержание

Введение…………………………………………………………………... 3 стр.

1.  История создания батареек…………………………………………… 4 стр.

2. Устройство современного гальванического элемента………………..5 стр.

3. Новые источники тока…………………………………………………..6 стр.

4. Вредное влияние батареек на окружающую среду…………………..  8 стр.

5. Акция« Сдай батарейку - спаси природу!»…………………………...11 стр.

Заключение……………………………………………………………….. 11 стр.

Список источников  информации ………………………………………. 12 стр.

Приложение №1……………………………………………………………13 стр.

Приложение №2……………………………………………………………14 стр.

Приложение №3……………………………………………………………15 стр.

Приложение №4……………………………………………………………16 стр.

Введение

          Первые источники тока были изобретены несколько сот лет назад.  В наши дни во многих устройствах, таких как,  игрушки, часы, радиоприемники, компьютеры, карманные фонари, автомобили и др. можно обнаружить батарейку. Батарейки помогают нам использовать  эти предметы,  облегчая или изменяя нашу жизнь.  Они бывают разные: большие и маленькие, круглые и квадратные. Такой миниатюрный  источник тока может длительное время  создавать в электрической цепи ток, давая возможность нашим приборам работать.  У любого изобретения есть  положительные и отрицательные стороны.  Положительное то, что батарейки  «заставляют»  электрические приборы  работать, и  об этом  все   знают.  А вот о том,  что   батарейки  оказывают  вредное влияние на окружающую среду,  знают,  наверное,  не  многие, а так же как правильно утилизировать отработанные батарейки. 

Цель работы -  выяснение влияния использованных батареек на окружающую среду и   уменьшение   их вредного воздействия  на природу и человека.

Задачи:  1. Изучить материалы Интернет – ресурсов по теме работы.                          2. Узнать, как работают и из чего состоят батарейки 3. Выяснить вредное влияние батареек на окружающую среду. 4. Организовать и провести экологическую акцию   « Сдай батарейку - спаси природу»

Объект исследования – гальванический элемент - батарейка

Предмет исследования – негативное воздействие вредных веществ, входящих в состав батареек, на природу  и здоровье человека при их  неправильной утилизации.

Гипотеза: батарейки могут являться источником поступления вредных химических  веществ в окружающую среду.  

Методы исследования: изучение и анализ материалов Интернет- сайтов, опрос и анкетирование обучающихся школы, проведение эксперимента, обобщение, наблюдение, анализ, фотографирование, счет, измерение.

Практическая значимость: состоит в возможности применения данных материалов в ходе проведения уроков, внеклассных мероприятий с учащимися школы. По результатам проведенного исследования составлены рекомендации по использованию и утилизации батареек.

Немного из истории.

По всей вероятности элементы питания изобретали дважды. По данным археологов, еще доисторические люди пользовались электрохимическими элементами, которые сегодня мы бы назвали батарейками. В 1932 году в Багдаде было сделано интересное открытие: возможно, возраст элементов питания — около двух с половиной тысяч лет. Первый примитивный элемент питания состоял из железного стержня, опущенного в медный цилиндр. Такое устройство вырабатывало ток, достаточный для нанесения слоя ценных металлов гальваническим методом, что позволяло меди сверкать как золото или серебро. Второй  раз элементы питания были изобретены в конце XIX века итальянским физиком Алессандро Вольта (1745—1827), в честь которого названа единица измерения напряжения. Его элемент представлял собой стопку пластинок из меди или цинка, между которыми находилась пластина из кожи, пропитанная раствором соли. Ни элемент Вольта, ни его многочисленные усовершенствования не дожили до наших дней. Первое значительное изобретение сделал Гистон Плантэ, разработавший в 1859 году во Франции свинцовый аккумулятор. Это была подзаряжаемая батарея. Похожие электрохимические элементы используются в современных автомобильных аккумуляторах и системах бесперебойного питания.
Следующим важным достижением было создание жидкостных элементов. Впервые они были изобретены и запатентованы Джорджем Леклончем в 1866 году. Леклонч использовал катоды из диоксида марганца, смешанного с углем, и цинковые аноды в форме стержня. В качестве электролита использовался раствор нашатыря. Технология Леклонча дожила и до настоящего времени в виде самых дешевых элементов — углецинковых.
Проблема жидкостных элементов — вытекание электролита. Решить ее довольно сложно. Поэтому ученые разработали химические процессы, позволяющие избежать использования неудобных жидкостей вообще. Заслуга в создании удобных сухих элементов принадлежит Карлу Гасснеру из города Майнца, запатентовавшему сухие элементы в 1887 году. Несмотря на различные технологические доработки, современные сухие элементы  разработаны на концепции, разработанной Гасснером. 
Большинство современных экзотичных подзаряжаемых батарей - никель-кадмиевые, никель - металлгидридные, множество литиевых батарей - это разработки двадцатого века, результаты исследований различных лабораторий крупных корпораций и университетов. Принципы устройства и работы батарей давно известны, поэтому новых химических процессов экспериментальным путём никто не придумал. Основные же работы ведутся в области усовершенствования и оптимизации химических процессов.

Устройство современного гальванического элемента.

            Гальванический элемент — химический источник электрического тока. Назван в честь  итальянского ученого Луиджи Гальвани ( 9 сентября 1737- 4 декабря 1798) -  итальянский врач, анатом, физиолог и физик, один из основателей электрофизиологии и учения об электричестве, основоположник экспериментальной электрофизиологии. Действие любого гальванического элемента основано на протекании  в  нем окислительно-восстановительной реакции. В простейшем  случае  гальванический элемент состоит из двух пластин или  стержней,  изготовленных  из  различных металлов  и  погруженных  в  раствор  электролита.  Такая   система   делает возможным   пространственное    разделение    окислительно-восстановительной реакции: окисление  протекает  на  одном  металле,  а  восстановление – на  другом. Таким образом, электроны передаются от восстановителя  к  окислителю  по внешней цепи.    

            Существуют солевые (сухие), щелочные и литиевые элементы. Гальванические элементы часто называют батарейками, однако это название неверно, т.к. батареей является соединение нескольких одинаковых устройств. В продаже в основном представлены марганцево-цинковые элементы, которые называют солевыми. Это самые дешевые гальванические элементы, которые можно применять только в устройствах с низким потреблением тока, таких как часы, электронные термометры или пульты дистанционного управления. В солевых элементах Лекланше цинковый электрод служит катодом, электрод из смеси диоксида марганца с графитом служит анодом, графит служит токоотводом. Электролитом является паста из раствора хлорида аммония с добавкой муки или крахмала в качестве загустителя.                   ( Приложение   №2 рис 1)

Не менее распространенным элементом питания являются щелочные марганцевые батарейки. В продаже их называют алкалиновыми.                                Большой ток в таких батарейках стал возможным, благодаря тому что,  цинк используется не в виде стакана, а в виде порошка, обладающего большей площадью соприкосновения с электролитом. В качестве электролита применяется гидрооксид калия. ( Приложение №2 рис 2) Еще одним достаточно распространенным видом гальванических элементов являются литиевые батарейки. В которых в качестве анода используется литий или его соединения. Катод и электролит литиевого элемента может иметь много видов, поэтому термин «литиевый элемент» объединяет группу элементов с одинаковым материалом анода. Отличается от других элементов питания высокой продолжительностью работы и высокой стоимостью. В зависимости от выбранного типоразмера и используемых химических материалов, литиевый элемент питания может производить напряжение от 1,5 В до 3,7 В. Литиевые элементы питания широко распространены в современной портативной электронной технике,  для питания часов на материнских платах компьютеров и фототехнике. ( Приложение №2 рис 3)

 

Новые источники тока.

Команда исследователей из Наньянского Технологического Университета (NTU Сингапур) разработала новую батарею, которую можно заряжать до 70 процентов всего за 2 минуты. А срок службы батарей составляет более 20 лет.  Этот прорыв имеет далеко идущие последствия, особенно в области электромобилей, которые страдают от длительного времени перезарядки (более 4х часов) и ограниченным сроком службы батарей. Разработанное поколение литий - ионных батарей позволит электрическим транспортным средствам, перезаряжаться в 20 раз быстрее, чем современные батареи. Частая замена батарей также останется в прошлом. Новая батарея будет в состоянии выдержать более 10 000 циклов зарядки — 20 раз больше, чем 500 циклов сегодняшних батарей. (Приложение №1 рис. 3)  «Как это возможно?»  Сингапурские ученые заменили традиционный графит, используемый для анода (отрицательный полюс) в литий - ионных батареях на гель, изготовленный из диоксида титана (этот материал крайне распространен и используется, например, в солнцезащитных кремах, чтобы поглотить ультрафиолетовые лучи). Обычно диоксид титана находится в сферической форме, но ученые из Сингапура разработали простой метод, позволяющий придать частицам диоксида титана и форму крошечных нанотрубок, которые в тысячу раз тоньше диаметра человеческого волоса. Форма наноструктур ответственна за скорость химических реакций, происходящих в новой батареи. 

Зарядка через экран

         Исследователи университета штата Мичиган предложили встроить прозрачные солнечные панели прямо в экран. Поскольку принцип работы таких панелей основан на поглощении ими солнечного излучения, чтобы сделать их прозрачными, учёным пришлось пойти на хитрость: материал панелей нового типа поглощает только невидимое излучение (инфракрасное и ультрафиолетовое), после чего фотоны, отражаясь от широких граней стекла, поглощаются узкими полосками солнечных панелей традиционного типа, находящихся по его краям. Главным препятствием для внедрения такой технологии является низкий КПД таких панелей — всего 1% против 25% традиционных солнечных панелей. Сейчас учёные ищут способы увеличить КПД хотя бы до 5%, но быстрого решения этой проблемы вряд ли стоит ожидать.

Мирный атом в каждый смартфон

Некоторые исследователи считают, что в гаджетах вполне можно использовать одноразовые источники напряжения. В качестве батареек, учёные университета штата Миссури предложили использовать РИТЭГ — радиоизотопные термоэлектрические генераторы. Принцип действия РИТЭГ основан на преобразовании выделяющегося в процессе радиораспада тепла в электричество. Такие установки используют в космосе и труднодоступных местах на Земле, в США миниатюрные радиоизотопные батарейки также применялись в кардиостимуляторах. Работа над улучшенным типом таких батарей ведётся с 2009 года и даже были показаны прототипы таких элементов питания. Но увидеть радиоизотопные батарейки в смартфонах в ближайшей перспективе мы не сможем: они дороги в производстве, и, к тому же, многие страны имеют строгие ограничения на производство и оборот радиоактивных материалов

Вредное влияние батареек на окружающую среду.

Практически во всех батарейках в той или иной степени содержатся вредные вещества. Свинец и кадмий являются токсичными металлами. Литий быстро вступает в химические реакции. Чистый литий, может самопроизвольно вступать в реакцию с атмосферным кислородом и самовоспламениться. А при попытке потушить такой огонь, литий может вступать в реакцию и с водой. Хотя ртуть уже не используется в большинстве элементов, даже марганец, применяемый в углецинковых элементах, считается опасным. Все батарейки, так или иначе, представляют экологическую опасность. Взглянув на обычную пальчиковую батарейку, вы практически всегда увидите на ней этот знак:
                                
           Это означает: «Не выбрасывать, необходимо сдать в спецпункт утилизации». И этот знак на батарейке стоит неспроста!

Подсчитано, что одна пальчиковая батарейка, беспечно выброшенная в мусорное ведро, может загрязнить тяжёлыми металлами около 20 квадратных метров земли, а в лесной зоне это территория обитания двух деревьев, двух кротов, одного ёжика и нескольких тысяч дождевых червей! 
В батарейках содержится множество различных металлов — ртуть, никель, кадмий, свинец, литий, марганец и цинк, которые имеют свойство накапливаться в живых организмах, в том числе и в организме человека, и наносить существенный вред здоровью. 

Чем опасны тяжелые металлы, находящиеся в батарейках? 
Свинец. Накапливается в основном в почках. Вызывает также заболевания мозга, нервные расстройства. Кадмий. Накапливается в печени, почках, костях и щитовидной железе. Является канцерогеном, то есть провоцирует рак.  Ртуть. Влияет на мозг, нервную систему, почки и печень. Вызывает нервные расстройства, ухудшение зрения, слуха, нарушения двигательного аппарата, заболевания дыхательной системы. Наиболее уязвимы дети. Металлическая ртуть — яд. По степени воздействия на организм человека ртуть относится к 1-му классу опасности — «чрезвычайно опасные вещества». Независимо от путей поступления в организм ртуть накапливается в почках. 
        Беспечно выброшенная в мусорное ведро батарейка попадает на свалку, где с другим мусором возгорается и тлеет (а на мусоросжигательных заводах и вовсе горит), с клубами дыма выпуская тучи ДИОКСИНОВ (Химическая формула C₁₂H₄Cl₄O₂  )  Диоксины — это глобальные экотоксиканты, обладающие  мощным мутагенным, иммунодепрессантным, канцерогенным,  и эмбриотоксическим действием. Они слабо расщепляются и накапливаются как в организме человека, так и в биосфере планеты, включая воздух, воду, пищу. Величина летальной дозы для этих веществ достигает 10⁻⁶ г на 1 кг живого веса. Диоксины проникают в наш организм не только с дымом: с дождевой водой  они попадают в почву, воду и растения. Причина токсичности диоксинов заключается в способности этих веществ точно вписываться в рецепторы живых организмов и подавлять или изменять их жизненные функции. Диоксины, подавляя иммунитет и интенсивно воздействуя на процессы деления и специализации клеток, провоцируют развитие онкологических заболеваний. Вторгаются диоксины и в сложную отлаженную работу эндокринных желез. Вмешиваются в репродуктивную функцию, резко замедляя половое созревание и нередко приводя к женскому и мужскому бесплодию. Они вызывают глубокие нарушения практически во всех обменных процессах, подавляют и ломают работу иммунной системы, приводя к состоянию так называемого «химического СПИД’а». Недавние исследования подтвердили, что диоксины вызывают уродства и проблемное развитие у детей. В организм человека диоксины проникают несколькими путями: 90 процентов — с водой и пищей через желудочно-кишечный тракт, остальные 10 процентов — с воздухом и пылью через лёгкие и кожу. Эти вещества циркулируют в крови, откладываясь в жировой ткани и липидах всех без исключения клеток организма.
Так что не важно, живете ли вы по соседству с мусоросжигательным заводом, ядовитые вещества из батареек, в любом случае проникают в почву, в подземные воды, попадают в наше с вами море и в наши с вами водохранилища, из которых мы пьем воду, не думая, что вредные химические соединения (из вашей же батарейки, выброшенной неделю назад в мусоропровод) с кипячением не исчезают, не убиваются - они ведь не микробы.

Как правильно утилизировать отработанные батарейки.

Основные рекомендации по  утилизации батареек не сложны, и люди легко могут придерживаться общих правил. Выбрасывать отработанные элементы следует только в специализированные контейнеры для батареек и ни в коем случае не в мусорные баки с бытовыми отходами. Если нет возможности утилизировать батарейку в специализированный контейнер, то можно складывать их в пластиковые контейнеры, за тем, чтобы впоследствии сдать их в пункт приема. Такой контейнер следует хранить в безопасном месте, что бы до него не могли дотянуться дети. 

 А что же происходит с батарейками после их сбора в пунктах утилизации? Они отправляются  на первую и пока единственную в России линию по переработке батареек в город Челябинск. Вообще, несмотря на колоссальный вред экологии, уровень переработки составляет всего 3% от общего объема производимых в мире  батарей и аккумуляторов. При этом прослеживается неоднородность этого показателя по странам мира. Так, в большинстве европейских стран перерабатывается 25-45% всех химических источников тока, в США — около 60%  (97% свинцово-кислотных и 20-40% литий - ионных), в Австралии — около 80%.

                        Основные рекомендации

Лучше приобретать батарейки многократного использования.

При покупке батарейки следует выбирать те, что произведены без использования кадмия или ртути. Такая информация указывается непосредственно на самом элементе, потому проблемы с выбором маловероятны.

Следует выбирать те бытовые устройства, которые работают от альтернативных источников питания.

Не стоит покупать батарейки в киосках или на рынке. Обычно они там достаточно долго лежат и поэтому за счет саморазряда практически теряют свою емкость. Покупать лучше в магазинах с хорошим оборотом товара.

Щелочные (алкалиновые) батарейки следует применять в устройствах, потребляющих достаточно большой ток. В малопотребляющих устройствах их срок работы не отличается от солевых батареек.

Солевые («обычные», угольно-цинковые гальванические элементы), будут отлично работать в часах, ИК пультах и прочих устройствах, рассчитанных на работу от одного комплекта батарей в течение года и более. При этом они не могут работать на морозе.

Не стоит обращать внимание на раскрученные бренды. Гальванические элементы фирм Duracell и Energizer стоят в полтора-два раза дороже батареек остальных фирм и при этом работают примерно столько – же

Помните. Чем выше температура хранения, тем быстрее портятся батарейки.

Куда сдавать батарейки на утилизацию в  г. Кемерово

Кемерово пр. Советский 25 А маг. "Эльдорадо"

Магазины фермерских продуктов «Калина-Малина»  пр. Шахтеров, 36                    пр. Кузнецкий, 33  ул. Двужильного,32/1

Кемерово, ул. Мичурина, 19, 2 этаж, каб. № 11, Центр дополнительного образования детей им. В.Волошиной.

Кемерово,   пр.  Ленина 62б   Гимназия № 41

Кемерово,   пр. Кузнецкий 33 б   ТЦ « Я»

Кемерово,  пр. Ленина 109   маг.  «Радиотехника»

Акция« Сдай батарейку - спаси природу»

С начала учебного года  в школе проводилась экологическая акция по сбору батареек « Сдай батарейку – спаси природу». В рамках этой акции проделана следующая работа:

1. Изготовлена газета и коробка для сбора батареек. (Приложение № 4 рис. 2) 2. В каждом классе  проведена беседа о вреде батареек. (Приложение №4 рис.1)  3. Изготовлены памятки  с информацией о вреде батареек и пунктах сдачи батареек на утилизацию. (Приложение № 5) 4. Проведен опрос по данной теме.  ( Приложение №3 ) В результате акции было собрано  16 кг батареек.

Заключение

          2017 год в России объявлен годом экологии.   Человечество за время своего существования уже сделало и делает всё возможное, чтобы уничтожить окружающую нас природу. Изобретённые устройства облегчают нашу жизнь, делают её насыщенной, интересной, но, с другой стороны,  они же приносят нам вред, особенно, когда мы их выбрасываем. В России не так много заводов по переработке мусора, у нас только недавно появились контейнеры по сбору пластика и контейнеры по сбору отработанных батареек. Вся отрава, которую мы выбросили в мусорное ведро, возвращается к нам – с водой из-под крана, с рыбой, которую мы поймали, с воздухом, которым мы дышим. Во всём мире отработанные батарейки собирают и утилизируют отдельно от бытового мусора. Мы только за период проведения акции собрали 1000 батареек, а сколько ещё их просто выкинули в мусор? Если каждый человек осознает, какой вред он приносит природе, и сделает самое простое – будет относиться к ней с уважением – то мы будем жить долго и счастливо.

Работая над данной темой, поставленные цели и задачи полностью  

реализованы. Материалы работы можно использовать классным руководителям для подготовки к классным часам, учителям физики и биологии на уроках.

Список источников информации

1. https://geektimes.ru/company/madrobots/blog/240174/

2. http://www.kudagradusnik.ru/index.php/novosti-ekologii-kratko

3. http://pwpt.ru/presentation/fizika/galvanicheskiy_element/

4. http://mediatek-club.ru/publ/interesnoe/akkumuljatory

5. https://ru.wikipedia.org/wiki

6. http://digteh.ru/Sxemoteh/pitanie/galvan/

7. http://www.powerinfo.ru/batterytype.php

8. http://xn--80aabspfh9bq.xn--p1ai/construct.php

9. https://ru.wikipedia.org/wiki

10. https://ingeneryi.info/radio-kom/nakopiteli-energii/bat-kom/467

11. http://mediatek- club.ru/publ/interesnoe/akkumuljatory306

Приложение № 1

   Рис. 1 Алессандро Вольта ( 1745 – 1827),  вольтов столб

 Рис. 2 Луиджи Гальвани (  1737 — 1798)

Рис. 3 Чэнь Сяодун — руководитель группы ученых, открывших новую технологию литий -ионных батарей

Приложение № 2

Рис. 1 Устройство солевого элемента питания

Рис.2 Устройство алкалинового гальванического элемента

Рис.3 Литиевые батарейки

Приложение №3

Анкета.

1) Какие элементы питания для различных электронных устройств вы используете?

а) батарейки       б) аккумуляторы         в) другое

2) Знаете ли вы,  что входит в состав батарейки?

а) да       б) нет

3) Куда вы выбрасываете использованные  батарейки?

а) в месте с мусором     б) отношу в пункт сбора

4. Как вы думаете, наносят ли вред окружающей среде батарейки?

а) да, наносит    б) нет, не наносит

Результаты анкеты

             

            

Приложение № 4

Рис. 1 

Рис.2

Рис.3

Защитим природу Одна батарейка, беспечно выброшенная в мусорное ведро, может загрязнить тяжёлыми металлами около 20 квадратных метров земли, а в лесной зоне это территория обитания двух деревьев, двух кротов, одного ёжика и нескольких тысяч дождевых червей! В батарейках содержится множество различных металлов — ртуть, никель, кадмий, свинец, литий, марганец и цинк, которые имеют свойство накапливаться в живых организмах, в том числе и в организме человека, и наносить существенный вред здоровью.  батарейка попадает на свалку, где каждое лето с другим мусором возгорается и с клубами дыма выпуская тучи ДИОКСИНОВ. Даже минимальным дозам этих ядовитых соединений  человечество обязано онкологическими и репродукционными заболеваниями.  А еще отравлениями, замедленным развитием и слабым здоровьем детей.  Диоксины проникают в наш организм не только с дымом: с дождевой водой  они попадают в почву, воду и растения. Дальше – по цепочке – прямо к нам на стол с едой и питьем. Так что не важно, живете ли вы по соседству с мусоросжигательным заводом, рядом со свалкой или в сосновом бору. Ядовитые вещества из батареек, в любом случае проникают в почву, в подземные воды, попадают в наше с вами море и в наши с вами водохранилища, из которых мы пьем воду, не думая, что вредные химические соединения (из вашей же батарейки, выброшенной неделю назад в мусоропровод) с кипячением не исчезают, не убиваются - они ведь не микробы. Взглянув на обычную пальчиковую батарейку, вы практически всегда увидите на ней этот знак:              Это означает: «Не выбрасывать, необходимо сдать в спецпункт утилизации». И этот знак на батарейке стоит неспроста! Пункты сбора батареек Магазины "Эльдорадо" Магазины фермерских продуктов «Калина-Малина» пр.Шахтеров, 36   пр.Кузнецкий, 33 ул.Двужильного,32/1 Кемерово, ул. Мичурина, 19, 2 этаж, каб. № 11, Центр дополнительного образования детей им. В.Волошиной. Гимназия № 41 пр.  Ленина 62б ТЦ « Я»  маг. « Радиоэлектроника»

Приложение № 5

Краткое описание документа:

Исследовательская работа по физике " Большой вред от маленькой батарейки" Первые источники тока были изобретены несколько сот лет назад. В наши дни во многих устройствах, таких как, игрушки, часы, радиоприемники, компьютеры, карманные фонари, автомобили и др. можно обнаружить батарейку. Батарейки помогают нам использовать эти предметы, облегчая или изменяя нашу жизнь.... Цель работы - выяснение влияния использованных батареек на окружающую среду и уменьшение их вредного воздействия на природу и человека.

Задачи: 1. Изучить материалы Интернет – ресурсов по теме работы. 2. Узнать, как работают и из чего состоят батарейки 3. Выяснить вредное влияние батареек на окружающую среду.

4. Организовать и провести экологическую акцию « Сдай батарейку - спаси природу»