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과일 및 채소 전지의
원리와 실험
1. 탐구 주제
과일전지의 원리에 대해 알아보고 직접 여러 가지 과일전지를 만들어 본다.
2. 탐구하게 된 동기
1학년 때, 여름 방학 과학탐구로 숯전지에 대해 실험을 한 후 화학전지에 대해 좀 더 알아보는 과정에서 과일전지에 대해 실험을 해 보기로 했다. 과일전지는 몇 년 전에 TV 광고로도 방송이 되어 쉽게 할 수 있을 것이라고 생각했다.
3. 탐구를 통해 알고 싶은 점
① 과일전지의 원리에 대해서 알아본다.
② 여러 가지 과일 및 채소로 전지를 만들고 전압을 측정하여 어떤 차이가 있는지 알아본다.
③ 전해질에 따라 전지의 전압을 측정해 본다.
④ 전극의 재료를 바꾸면서 전압을 측정해 본다.
⑤ 측정 결과를 이용하여 전지에 LED 또는 꼬마전구를 연결하여 켜지는지 확인한다.
4. 탐구 실행방법
⑴ 탐구기간 : 8월 17일, 8월 23일 ( 총 2일 )
⑵ 탐구대상 : 과일 및 채소전지
⑶ 탐구방법 : 실험, 조사
⑷ 준비물
- 전선, LED (꼬마전구나 디지털시계로 사용해도 됨.), 구리판, 아연판, 전압계, 저항
- 멜론, 사과, 복숭아, 귤, 골드 키위, 레몬
- 무, 당근, 호박, 고구마, 토마토, 양파, 마늘, 산세베리아, 감자(삶은 것과 삶지 않은 것), (다른 채소나 과일들 써도 됨.)
- 물, 식초, 비커, 소금(꽃소금이면 좋음.), 알루미늄호일, 연필심, 납, 사포, 커터칼
⑸ 실험 방법
Ⅰ. 여러 가지 채소와 과일의 전압 측정
① 과일이나 채소에 아연판과 구리판을…(생략)
약 2Cm 간격으로 꽂는다.
② 구리판을 전압계의 +극, 아연판을 -극에 연결하고 전압을 측정한다.
Ⅱ. 물, 식초를 뿌렸을 때 전압 측정
① 당근에 물, 식초를 뿌리고 전압을 측정하여 Ⅰ의 실험결과와 비교한다.
Ⅲ. 전극 사이의 거리에 따른 전압 측정 비교하기
① Ⅰ의 실험에서 전극사이의 거리를 변화시키고 전압을 측정하여 비교한다.
Ⅳ. 과일과 채소의 전압 및 전류 측정(레몬,토마토, 감자, 삶은감자)
Ⅴ. 물과 소금물에서의 전압, 전류 측정
① 구리판과 아연판을 이용하여 수돗물과 농도가 다른 소금물의 전압 및 전류를 측정한다..
Ⅵ. 전극의 종류에 따른 전압 측정
① 소금물을 준비하고 여기에 여러 가지 전극 쌍을 넣어 전압을 측정한다.( 소금물 : 물 480mL + 소금 20mL ⇒ 농도 4% )
Ⅶ. 과일전지로 LED켜기
① 측정결과 높은 전압과 전류를 낼 수 있는 것을 선정하여, 이를 여러 개 직렬로 연결하여 LED가 켜지는 지 확인한다.
⑹ 실험결과 예상
- 화학전지에서 전해질로 강산이나 강알칼리를 사용할 경우 발생되는 전압과 전류가 크므로 신맛이 나는 과일이 전압과 전류가 클 것이다.
- 전압이 낮게 나오는 경우 물, 소금물 또는 식초를 넣으면 전압은 증가할 것이다.
- 농도가 높을수록 전압이 커질 것이다.
- 건전지 구조처럼 아연과 연필심을 전극으로 사용할 경우 전압이 가장 클 것이다.
- 과일로 LED(또는 꼬마전구, 전자시계)를 켤 수 있다.
5. 탐구내용 및 결과
(1) 과일전지의 원리 (조사)
과일전지는 산화와 환원 반응을 이용한 것이다. 산화란, 어떤 순물질이 전자를 잃게 되는 현상이고, 환원은 어떤 순물질이 전자를 얻는 것이다. 과일전지에서는 과일마다 전압이 다르지만, 과일 즙 속에 있는 시트르산과 타르타르산으로 인해 아연은 산화 반응이 일어난다. 산화반응이 일어나며 생기는 전자는 도선을 통해 구리판으로 이동을 하게 되고, 구리판에서는 환원반응이 일어난다.
전극으로 사용되는 금속판으로는 산화되기 쉬운 금속과 어려운 금속을 이용해야 높은 전압을 얻을 수 있다. 일반적으로 금속에서는 다음과 같은 순서로 알려져 있다.(볼타에 의해 발견)
아연>주석>납>철>구리>은>금>흑연>목탄
아연과 구리를 전극으로 사용하였을 경우 일반적으로 얻을 수 있는 전압은 약 1.1V 정도로 알려져 있다.
(2) 실험결과
실험Ⅰ. 여러 가지 과일과 채소의 전압 측정
① 실험사진
② 실험결과
과일마다 전압이 다르다. 과일이나 채소에서 즙이 많은 경우에 전압이 높게 나오고 신맛이 강한 사과에서 전압이 제일 높았다.
실험Ⅱ. 당근+물, 당근+식초 전압 측정, 비교
① 실험 사진
② 실험 결과
물보다 식초를 부었을 때 전압이 더 높다.
실험Ⅲ. 전극의 거리 변화에 따른 전압 측정
① 실험 결과
2cm 간격 ⇒ 1.031V
2cm 보다 멀리 ⇒ 1.000V
2cm 보다 가까이 ⇒ 0.989V
전압은 전극사이의 간격에는 크게 영향을 받지 않는다.
실험Ⅳ. 채소, 과일의 전압과 전류 측정하기(실험 Ⅰ의 결과를 이용하여 LED를 연결한 결과 전압은 충분하지만 LED가 켜지지 않아서 몇가지 과일과 채소에 대해 전류 측정 )
① 실험사진
( 전압 측정 ) ( 전류 측정 )
② 실험결과
- 전압은 신맛이 강한 레몬에서 가장 크지만 전류는 가장 낮다.
- 전류는 삶은 감자에서 가장 크게 나왔다. 이유는 과일이나 야채가 가열되면 세포액이 세포밖으로 흘러나와 전해질이 더 많아져 전류를 더 잘 흘려보낼 수 있기 때문이다.
실험Ⅴ. 물, 농도가 다른 소금물 전압, 전류 측정
① 실험사진
( 전압 측정 ) (전류 측정)
② 실험결과
- 전압은 수돗물에서 가장 크게 나타났지만 전류는 소금을 섞은 경우에 더 많이 흐른다.
- 소금물에서의 전류는 농도가 진할수록 감소하는 경향이 있다.
실험Ⅵ. 전극을 다른 금속으로 바꾸어 가며 전압을 측정
① 실험사진
② 실험결과
구리 + 연필심 ⇒ -369.2㎷
구리 + 알루미늄 호일 ⇒ 0.738V
구리 + 납 ⇒ 282.5㎷
구리 + 커터칼 ⇒ 197.2㎷
아연 + 연필심 ⇒ 1.026V
아연 + 알루미늄 호일 ⇒ 186.3㎷
아연 + 납 ⇒ 0.487V
아연 + 커터칼(쇠) ⇒ 0,623V
- 전압이 가장 큰 경우는 아연과 연필심을 전극으로 사용했을 때이다.
이것은 일반건전지와 비슷한 구조이다. 건전지의 겉은 아연이고 중앙에는 탄소 막대가 있다.
실험Ⅶ. 과일전지로 LED켜기
① 실험사진
② 실험결과
- 실험을 통해 삶은 감자가 가장 많은 전류를 흐르게 한다는 것을 알게 되어 이를 4개 직렬로 연결하여 LED를 연결한 결과 연결하는 순간에는 밝게 빛나다가 바로 약하게 되었다. --> 눈으로만 확인할 수 있는 정도.
- 실험을 통해 전압이 높게 나온 레몬을 5개 연결하고 LED를 연결한 경우는 전압이 4.76V로 측정되었으나 LED의 불빛은 아주 약하여 눈으로 만 확인했다.
- 일반적인 건전지의 경우도 오래 사용할 경우 전압은 높게 나오지만 실제 연결하면 꼬마전구의 불빛이 흐려지는 데 이것은 건전지의 사용으로 인해 내부저항이 증가했기 때문이다.
- 과일전지의 경우 내부저항이 커서 전류가 적게 흐르고 반응이 빠르게 일어나서 LED의 불빛이 바로 약해지는 것 같다.
6.탐구를 통하여 알게 된 점, 느낀 점
이 탐구를 통해 과일전지의 원리와 금속의 산화 환원 반응, 전해질 등에 대한 개념을 알게 되었다. 실제 화학식을 이용한 화학 전지에 대해서는 모르는 부분이 너무 많고 어려웠다. 그러나 과일과 금속에 따라 전압과 전류가 다르고 이러한 결과가 금속의 산화 환원 반응과 관계있다는 것을 실험을 통해 좀 더 쉽게 알 수 있었다.
1학년 때 숯전지를 실험했을 때는 단순히 실험으로 전압을 측정하고 LED를 켜 보았는데 이번에는 이런 현상들의 이론에 대해 좀 더 알아본 것이 내용은 어려웠지만 재미있었다.
숯전지의 경우 LED나 꼬마전구의 불을 쉽게 켤 수 있었으나 과일전지의 경우 꼬마전구는 아예 반응이 없었고 LED도 잠깐 불빛을 볼 수 있을 정도여서 아쉬움이 남는다.
이 실험에서 전해질인 과일이나 채소 등이 정확히 어떤 역할을 하는 것인지와 이것이 내부 저항과 어떤 관계가 있는지를 알 수 없었는데, 앞으로 이 부분에 대해 좀 더 알아보고 싶다.
7. 참고문헌
⑴ 참고문헌 :
- “볼타가 들려주는 화학전지 이야기” 이 미화, 자음과 모음
- 고등학교 화학Ⅱ “산화 환원의 반응”
- 인터넷 자료들 : 과일전지, 화학전지, 내부저항, 전기 전도도, 볼타전지, 산화 환원 반응 등으로 검색
⑵ 도움 받은 사람 : 아빠 (실험도우미)
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