Materiell: Sitronelement Sitroner Galvaniserte spiker Blank kobbertråd Press inn i sitronen en galvanisert spiker og en kobbertråd. Nå har du laget et av elementene i et elektrisk batteri!
Teori om elektriske primærelementer Dette er et elektrisk batterielement eller en batteriselle. Den sinkbelagte spikeren og kobbertråden kalles elektroder. Sitronsafta inneholder sitronsyre som er elementets elektrolytt. Sinken løses opp i syra og det avgis positive sinkjoner til elektrolytten og negative elektroner som blir igjen på sinkelektroden. Kobbertråden har mye mindre tendens til å oppløses i syra og blir positivt ladd. Kobler vi nå en metalledning mellom elektrodene, vil elektroner kunne bevege seg fra elementets minuspol (sinken) gjennom ledningen og til elementets plusspol (kobberet). Elementets spenning måles i volt og viser hvor stor kraft som elementet dytter ut elektronene med. Hva bestemmer spenningen til elementet? Det bestemmes av elektrodenes elektrokjemiske potensiale. Noen kjemiske elektrodepotensialer: Jern +0,77V Fe 3+ + e Fe 2+ Kobber +0,3V Cu 3+ + 2e - --> Cu Sink -0,76V Zn 2+ + 2e- --> Zn Aluminium -1,66V Al 3+ + 3e- --> Al Kobber er mer positivt enn sink og kobberelektroden vil bli positiv pol. Potensialdifferansen blir +0,3 (-0,76) = 0,3 + 0,76 = 1,06 V som er den spenningen vi vil vente at et element med elektroder av sink og kobber kan gi.
Mål elementets elektriske spenning med et voltmeter Hvilken spenning gir ditt element? Seriekobling Lag to elementer og koble dem sammen ved at minuselektroden på det ene kobles videre til plusselektroden på det andre. Dette kalles seriekobling. Undersøk om du får strøm nok til å drive ei vekkerklokke.
Mål spenningen til seriekoblingen. Prøv å seriekoble 4 elementer og se om du kan få lys i ei lita lyspære eller ei lysemitterende diode (LED). Les mer på http://www.iet.hist.no/ under lenken For unge forskere
Videre forskning Gjør eksperimenter som kan gi svar på spørsmålene: Kan andre frukter eller grønnsaker brukes i stedet for sitron? Har det noen betydning for batteriet hvilke metaller som brukes? Avhenger batteriets ytelse av hvor mange spiker og/eller kobbertrådlenker som brukes i hver sitron? Hvordan kobles spikrene da sammen? Mer teori Kopper-Sink-elementet As an introduction to electrochemistry let us take a look of a simple Voltaic cell or a galvanic cell. Når en sinkstang (galvanisert spiker) plasseres i ei syre har Zn en tendens til å miste elektroner etter reaksjonsligningen, Zn = Zn 2+ + 2 e -. The arrangement of a Zn electrode in a solution containing Zn 2+ ions is a half cell, which is usually represented by the notation: Zn Zn 2+, Zinc metal and Zn 2+ ion form a redox couple, Zn 2+ being the oxidant, and Zn the reductant. The same notation was used to designate a redox couple earlier. Tilsvarende vil en kobberstang Cu ha en tendens til å miste elektroner etter reaksjonsligningen, Cu = Cu 2+ + 2 e -. This is another half cell or redox couple: Cu Cu 2+. However, the tendency for Zn to loose electron is stronger than that for copper. When the two cells are connected by a salt bridge and an electric conductor as shown to form a closed circuit for electrons and ions to flow, copper ions (Cu 2+ ) actually gains electron to become copper metal. The reaction and the redox couple are respectively represented below, Cu 2+ + 2 e - = Cu, Cu 2+ Cu. This arrangement is called a galvanic cell or battery as shown here. In a text form, this battery is represented by, Zn Zn 2+ Cu 2+ Cu,
in which the two vertical lines ( ) represent a salt bridge, and a single vertical line ( ) represents the boundary between the two phases (metal and solution). Electrons flow through the electric conductors connecting the electrodes and ions flow through the salt bridge. When [Zn 2+ ] = [Cu 2+ ] = 1.0 M, the voltage between the two terminals has been measured to be 1.100 V for this battery. A battery is a package of one or more galvanic cells used for the production and storage of electric energy. The simplest battery consists of two half cells, a reduction half cell and an oxidation half cell. Oxidation and Reduction Reactions -- a review The overall reaction of the galvanic cell is Zn + Cu 2+ = Zn 2+ + Cu Note that this redox reaction does not involve oxygen at all. For a review, note the following: Oxidant + n e - = Reductant Example: Cu 2+ + 2 e = Cu Cu 2+ is the oxidizing agent and Cu the reducing agent. Reductant = n e - + Oxidant Example: Zn = Zn 2+ + 2 e -. Zn is the reducing agent, and Zn 2+ the oxidizing agent. Theoretically, any redox couple may form a half cell, and any two half cells may combine to give a battery, but we have considerable technical difficulty in making some couples into a half cell.