Ein-O Science Elektrochemie

Datum: juni 2010

Inleiding:

Ik heb een aantal van de Ein-O experimenteersetjes gekocht. Het werd tijd om er eens met eentje aan de slag te gaan.

Principe:

Elektrochemie experimenteerkitje waarmee men een batterij bouwt.

Materiaal:

  • Ein-O Science Elektrochemie experimenteerkit
  • Multimeter
  • Kabeltjes met krokodilklem
     

Experimentele opstelling:

De kit bevat een instructieboekje, wat elektrodes, een flesje met azijnzuur, een bakje voor experimenten in uit te voeren, pH-papiertjes, een pH kleuren kaart, een diode en een kabeltje.

Uitvoering en resultaten:

Experiment 1:
  • Doop het pH-papiertje in de het azijnzuur en observeer.
Experiment 2:
  • Zet de natte batterij zoals weergegeven in nevenstaande foto.
  • Plaats de koper en zink elektrodes op de juiste plaats in de gleufjes.
  • Het is de bedoeling dat de elektrodes elkaar aanraken.
  • Verbind de draadjes aan de elektrodes met de ringetjes. De rode draad aan de koperelektrode, de zwarte draad aan de zinkelektrode.
  • Giet de azijnoplossing in de vier vakken van de natte batterijentank.
  • Steek het LED-lampje in de witte connector (zwarte pin aan zwarte draad)
Experiment 3:
  • Herhaal experiment 2 maar verbindt nu de multimeter m.b.v. de kabels met krokodillenklemmen aan de elektrodes met ringetjes.

Resultaten:

Experiment 1:
Het pH papiertje kleurt rood met een kleur die overeenkomt met een pH van ca. 3-4.
Experiment 2:
Het LED gaar branden.
Experiment 3:
We meten een spanning van 3.76 V die geleidelijk opklimt naar 4.03 V. Her moment waarop we stopten met het experiment.

Discussie:

De batterij die we hier gebouwd hebben komt overeen met degene die door Alessandro Volta in 1800 is uitgevonden en verder uitontwikkeld door J.F. Daniell in 1836. Meestal gebruikt men koper en zink. De standaardpotentiaal voor koper en zink half-cel reacties die dan gebruikt worden zijn:
 
Zn2+(aq) + 2e– -->  Zn(s)     E° = –0.76 V
Cu2+(aq) + 2e– -->  Cu(s)     E° = 0.34 V

Bij 25°C met [Zn2+] = 1.0 M en [Cu2+] = 1.0 M. Zn wordt makkelijk geoxideerd door het Cu2+ ion. Een koper-zink cel heeft een potentiaal van 1.10 V als Zn2+ en Cu2+ ionen dezelfde concentratie hebben. In de hier gebouwde batterij dient het in azijnzuur gedompelde keukenpapier als elektrolytreservoir dat in contact komt met het elektrodeoppervlak. Door en stapeltje van deze koper-zink cellen in serie te  schakelen vergroten we de potentiaal.

We hebben hier met 4 koppels te maken hetgeen betekent dat de gemeten spanning max. 4.4 V had bedragen, een waarde waar we al redelijk dichtbij waren.

Conclusie:

Op zich een leuk kitje om dit soort experiment mee uit te kunnen voeren. Alles komt goed doordacht over en alle onderdelen passen makkelijk in elkaar zodat de kans dat men het experiment fout uitvoert erg klein is. Men is echter wel redelijk snel uitgespeeld.

Literatuur:

  • Judith Hahn; "De Jonge Onderzoeker"; Het Spectrum, 1980, ISBN 9027492689; p. 96,97.
  • Neil Ardley; 'Techniek ontdekken'; Davidsfonds;/Infodok; 1996; ISBN 9065657312; p.24,25.
  • A. Morgan; 'Op avontuur in de elektrochemie'; Centrex; 1964; p. 114-122.
  • Ruud Baars; 'De chemische adelstand'; DJO; 1979 9; p. 287.
  • Dr. F. Freese, Dr. W.E. van der Linden; Elektrochemische Analysemethoden; Agon Elsevier; 1971; ISBN 9010102408.
  • Dr.J.Reiding; Drs.P.W.Franken,Drs.M.A.W.Kabel-van den Brand; Chemie Overal 5V; 1992; ISBN 9011010639; blz 175,176.
  • BINAS; 1977; Wolters Noordhoff; ISBN 900189354; blz. 80,100,101.

Relevante websites:

Achtergrondinformatie:

Om elektrodeprocessen te kunnen bestuderen moeten we de beschikking hebben over een elektrochemische cel. Deze bestaat in zijn eenvoudigste vorm uit twee geleiders (elektroden) geplaatst in een vat gevuld met elektrolytoplossing. Bij stroomdoorgang door een dergelijke cel moeten aan de elektroden reacties plaatsvinden waarbij de lading in de vorm van elektronen of ionen het grensvlak elektrode/oplossing passeert. De elektrode waaraan oxidatie plaatsvindt wordt anode genoemd, de elektrode waaraan reductie plaatsvindt heet kathode. 
Voor de anodische reactie kunnen we schrijven (e = elektron):

red1 ox1 + n e

Voor de kathodische reactie:

ox2 + m e red2

De bruto celreactie wordt dan:

m red1 + n ox2  m ox1 + n red2

Stroomdoorgang kan alleen plaatsvinden indien er een gesloten circuit bestaat. We moeten beide elektroden daarom uitwendig met elkaar verbinden. Levert een elektrochemische cel bij het tot stand komen van dit elektrisch contact spontaan stroom, dan spreken we van een galvanische cel. In dit geval wordt de chemische energie omgezet in elektrische energie (accu!). Indien daarentegen een uitwendige spanningsbron moet worden aangesloten om stroom door de cel te doen vloeien, dan spreken we van een elektrolytische cel. Hierbij wordt elektrische energie omgezet in chemische energie (accu opladen). De celreactie verschilt alleen daarin van een normale redoxreactie in oplossing, dat de elektronen nu niet direct van het ene deeltje op het nadere worden overgedragen maar via een uitwendig circuit. 

16/01/2017