1. Een oplaadbare batterij maken 1. Onderzoek: a. Onderzoeksvraag: Hoe kunnen we een oplaadbare batterij maken? b. Hypothese: - Door chemische stoffen toe te voegen - Door bepaalde stoffen te verwarmen - Door bepaalde stoffen te mengen -… 2. Voorbereiden a. Te kennen begrippen: Neerslag, ionentransport, elektrische spanning, spanningsverschil, anode/kathode, oxidatie/reductie. b. Materiaal + stoffen (bereidingen): MATERIAAL - 2 verbindingsdraden en krokodillenklemmen - beker van 50ml - loodfolie - platte batterij van 4.5V - motortje 2V (schakeling van lampje) STOFFEN - zwavelzuuroplossing 5% c. Veiligheid (etiketten/COS-brochure/WGK): Zwavelzuur H2SO4
Waarschuwing H 315-319 P 280.1+3-305+351+338
Zwavelzuur: WGK 1 d. Opstelling (foto):
CAS 7664-93-9
3. Uitvoeren en waarnemen a. Werkwijze: - Snijdt twee strips van 1,5 op 9 cm uit een loodfolie. Zet dit in een beker met de uiteinden over de beker geplooid. - Maak een circuit door een batterij in serie te plaatsen. Vul nu de beker voor 2/3 met de zwavelzuuroplossing. b. Waarneming + foto’s:
De elektrolyse gebeurt tussen de elektroden met vrijzetting van waterstofgas aan de negatieve pool en zuurstofgas aan de positieve pool. Het oppervlak van de loden strip aan de positieve pool is bruin door neerslag van looddioxide , de andere strip is grijs gekleurd. 4. Reflectie a. Besluit proef: Elektrische spanning kan enkel indien gebruik wordt gemaakt van verschillende elektroden ofwel van oplossingen met verschillende concentraties. Initieel kan in de opstelling geen spanning ontstaan. Het oppervlak van de loodstrips reageren echter met zwavelzuur ter vorming van loodsulfaat Pb + H2SO4 → PbSO4 + H2. Lood wordt hierbij omgezet in Pb2+. Met een opgelegde spanning ontstaat elektrolyse van het zwavelzuur. Zuurstof wordt afgegeven aan de anode en waterstofgas aan de kathode. Op hetzelfde moment gebeurt een oxidatie van lood naar Pb4+. PbSO4 + 2 H2O → PbO2 + SO42- + 4 H+ + 2 eAan de kathode wordt lood2+ gereduceerd tot lood. PbSO4 + 2 e- → Pb + SO42Twee verschillende elektroden vormen een geleidingsproces met een spanningsverschil van ongeveer 2V. Indien de cel gebruikt wordt als bron keren de reacties om. b. Koppeling aan leerplan: Batterijen. c. Tips en trucs: / d. Bronnen (ook link naar filmfragmenten): /
3. Elektrolyse in een aardappel 1. Onderzoek: a. Onderzoeksvraag: Wat gebeurt er als we een aardappel in serie plaatsen? b. Hypothese: - de aardappel zal verbranden - aan een pool zal er gasontwikkeling zijn - aan een pool zal er een knal hoorbaar zijn -… 2. Voorbereiden a. Te kennen begrippen: Ionentransport, elektrische spanning, spanningsverschil, anode/kathode, oxidatie/reductie. b. Materiaal + stoffen (bereidingen): MATERIAAL - gelijkspanningsbron 20V - twee koperdraden (10cm) - 2 kabels met klemmen - houtspaan (lucifer) - magnesiumstaaf STOFFEN - aardappel - afwasmiddeloplossing (1/4de verdund) - indicatorpapier - FFT-oplossing c. Veiligheid (etiketten/COS-brochure/WGK): Fenolftaleïne
Fenolftaleïne (alcoholische oplossing)
Gevaar CAS 77-09-8 H 350-341-361f P 201-281-308+313
Gevaar CAS 77-09-8 H 226-341-350 P 201-281-308+313
Fenolftaleïne(1%) + Ethanol(48%)
d. Opstelling (foto):
3. Uitvoeren en waarnemen a. Werkwijze: Een aardappel wordt door de lengte doorgesneden. Twee koperdraden worden minstens 1cm van elkaar, 2 cm diep in de aardappel Spanningsbron met aardappel verbinden.
Bestudeer. Optredende gasontwikkeling onderzoeken, breng een druppel afwasmiddel op de – pool, hoe meer schuimontwikkeling, hoe groter gasontwikkeling. Aan gasontwikkeling een brandende houtspaan houden. Daarnaast zal PH-waarde met indicatorpapier of FFT-oplossing getest worden. Aan de koperdraad aan de + pool is er een kleurverandering. De koperdraad wordt uit de aardappel getrokken. De koperdraad wordt vervangen door magnesiumstaaf (geen spanning op zetten). b. Waarneming + foto’s:
4. Reflectie a. Besluit proef: Na enkele minuten treedt een duidelijke verandering aan beide uiteinden op. Aan de koperdraad in de aardappel waarmee de – pool verbonden is, is een gasontwikkeling. Als men een brandende spaan hierbij houdt, knettert het. De aardappel zelf is neutraal. Maar rond deze elektrode reageert hij basisch. Aan de elektrode die verbonden is met de – pool van de bron: knetteren: duidt op dat water gereduceerd wordt naar waterstofgas. 2 H2O + 2 e- → H2 + 2 OHAan de koperdraad in de aardappel waarmee de + pool verbonden is, is er een duidelijke turquoise kleur te herkennen. Die vlam kleurt groen. Dit duidt op aanwezigheid van koperionen. Cu wordt tot Cu2+ ionen geoxideerd. Deze maken samen met de anionen van de aardappel een blauwe koper(2+)zout (turquoise). Cu → Cu2+ + 2 eb. Koppeling aan leerplan: Anode en kathode. Ionenvorming. c. Tips en trucs: Snij aan de onderkant van de aardappel ook een stukje ervan, zo blijft je aardappel recht liggen. d. Bronnen (ook link naar filmfragmenten): elektrochemie 1, proef 14
4. De mens als stroombron 1. Onderzoek: a. Onderzoeksvraag: Wat is de invloed van de mens en water wanneer men verschillende metalen in serie plaatsen? b. Hypothese: - het voltage zal lager zijn met menselijk contact - het voltage zal hoger zijn met menselijk contact - het voltage zal lager zijn met contact met natte handen - het voltage zal hoger zijn met contact met natte handen -… a. Onderzoeksvraag: Welke combinatie zal het beste geleiden? b. Hypothese: - koper en aluminium - koper en zink - zink en aluminium - zink en zink - koolstof en koper - koolstof en aluminium - koolstof en zink 2. Voorbereiden a. Te kennen begrippen: Ionentransport, elektrische spanning, spanningsverschil, geleiding metalen, elektronen. b. Materiaal + stoffen (bereidingen): MATERIAAL - voltmeter - bekerglas - statiefklem - 2 elektriciteitsdraden met stekers en krokodillenklemmen - motortje 1 V (optioneel) STOFFEN - koperen voorwerp (30 cm2) Cu - aluminium voorwerp (30 cm2) Al 2 - zinken voorwerp (30 cm ) Zn - 1 koolstof staal C - keukenzout NaCl - ammoniumchloride (salmiak) NH4Cl c. Veiligheid (etiketten/COS-brochure/WGK): Ammoniumchloride NH4Cl
Waarschuwing CAS 12125-02-9 H 302-319 P 301+312-305+351+338
Ammoniumchloride: WGK 1
d. Opstelling (foto): koper en aluminium:
koper en zink:
aluminium en zink:
koolstof en zink:
3. Uitvoeren en waarnemen a. Werkwijze: DEEL 1 Neem het koperen en aluminium voorwerp. Verbind ze beiden met de voltmeter. Meet de platen los van elkaar op de droge werktafel geeft de voltmeter niets aan. Pak ze met beide handen stevig vast - in elke hand één - en de meter slaat uit. Noteer de gemeten spanning.
Maak je je handen nat onder de kraan en pak je daarna de platen, dan is het effect nog sterker. Met zout water is het potentiaalverschil nóg meer. Probeer hetzelfde, maar nu met zink in plaats van aluminium, en dan zink in plaats van koper. Neem dan de koolstof staaf. Combineer die met de metalen. De beste combinatie blijkt koolstof met zink. DEEL 2 Zet de koolstof met een klem vast in een beker(glas) en ook het zink, zó dat ze elkaar niet raken. Giet kraanwater in het glas. Meet. Probeer het ook met zout water, en tenslotte met water met een theelepeltje salmiak (ammoniumchloride). Je hebt nu een klassieke batterij die een motortje kan laten draaien. b. Waarneming + foto’s: Foto’s zie opstelling. Waarneming: zie besluit proef. Sommige metalen geleiden beter dan andere. 4. Reflectie a. Besluit proef: Metalen hebben enigszins de neiging elektronen af te staan. Logisch: anders bestonden er geen ionen van. Maar niet alle metalen doen dat even graag. Onedele metalen doen dat eerder. Aluminium doet dat dus liever dan koper, en "duwt" daarom elektronen naar het koper, althans als er geleiding is. Op je handen zit altijd wel wat zweet dat via ionen de geleiding verzorgt. Zo lopen elektronen van Al naar Cu. Cu is de pluspool en Al is de minpool. Je ziet dus dat Al-Cu een spanning levert van ca 0,5 Volt; Cu-Zn zelfs 0,7 Volt. En ja, dus zal Zn-Al goed zijn voor 0,2 V. Zn blijkt onedeler dan Al. Koolstof is geen metaal en geeft dus geen elektronen af, maar het geeft ze wel door. De ionen bewegen gemakkelijker met natte handen, en met zout erbij zijn er nog meer ionen in het water en gaat het nog weer beter. Met kraanwater in plaats van je hele lichaam kunnen de ionen zich nog beter verplaatsen: de afstand is veel korter. Zouten in het water helpen, en met salmiak gaat het zó goed dat een motortje kan worden aangedreven. b. Koppeling aan leerplan: Geleiding metalen. c. Tips en trucs: Je kan ook een paneel maken met metalen erop gefixeerd. d. Bronnen (ook link naar filmfragmenten): De mens als stroombron_.htm
Een onmogelijke batterij, de wisselstroombatterij 1. Onderzoek: a. Onderzoeksvraag: Hoe krijgen we wisselstroom uit een blikje cola? b. Hypothese: - Door chemische stoffen toe te voegen - Door het blikje te verwarmen - Door met het blikje te schudden - Door het blikje op te schuren … 2. Voorbereiden a. Te kennen begrippen: Gelijkstroom/wisselstroom b. Materiaal + stoffen (bereidingen): - leeg colablikje met uitgesneden deksel - koperplaatje van 2cm op 4,5cm - Analoge voltmeter - zwavelzuuroplossing 0.5mol/l - Kaliumbromaat -wisselstroombatterij -mini elektromotortje (schakeling van lampje) c. Veiligheid (etiketten/COS-brochure/WGK): Zwavelzuur H2SO4
0,5M
CAS 7664-93-9
H EUH210
Kaliumbromaat KBrO3
Gevaar H 271-350-301 P 201-281-301+310
CAS 7758-01-2
d. Opstelling (foto):
3. Uitvoeren en waarnemen a. Werkwijze: - Voorbereiding van het blikje cola: Het deksel wordt met een blikopener van het blikje cola gehaald. - Daarna wordt er 15g kaliumbromaat in 128ml zwavelzuur opgelost - Het blikje cola wordt tot de helft gevuld met de oplossing - In de oplossing plaatst men het koperen plaatje dat verbonden wordt met het mini elektromotortje - Daarnaast verbindt men het elektromotortje met het blikje cola - Na een aantal minuten wordt de serieschakeling verbonden met een voltmeter b. Waarneming + foto’s: 1: Het lichtje begint te branden wanneer we de schakeling voltooien 2: De elektrolytoplossing kleurt bruin 3: Onze voltmeter geeft wijzigende wisselspanningen aan 0V-0.5V
4. Reflectie a. Besluit proef: Verklaring: De veranderingen in de spanning - en de resulterende pulserende werking van de motor - kan worden toegeschreven aan elektrochemische reacties aan de beide elektroden
Het oscillerend karakter ontstaat door het combineren van de eigen oscillerende elektroden aan elkaar. Hierdoor krijgt men een elektrochemische cel die een pulserende stroom vrijgeeft . Een groot potentiaalverschil tussen de twee elektroden komt altijd voor wanneer de ene elektrode zich in de passieve toestand , terwijl de andere in de actieve toestand . Dan draait de motor . Als de motor stopt , is het potentiaalverschil te laag of bijna nul , zodat het niet voldoende dat de motor in beweging . De reden hiervoor is dat beide elektroden ongeveer dezelfde potentiaal hebben, omdat beide elektroden in de passieve of actieve toestand en daardoor synchroon oscilleren . Dan is er geen stroom kan worden vastgesteld . De toenemende bruining van de oplossing gedurende het experiment duidt op een constante vorming van dibroom. Een potentiaalverschil , dat wil zeggen elektrische spanning wordt bereikt , wanneer de twee elektroden verschillende elektrische potentialen , zodat de externe geleidende verbinding tussen de twee elektroden , een elektron stroom . De oxidatie aan koper ( oxidatie ) : Cu - > Cu2+ + 2 e De kathodische partiële reactie is de volgende vergelijking ( reductie ) : BrO3 - + 6e- + 6H+ - > Br- + 3 H2O De broomkleuring gebeurt via volgende reactie : BrO3- + 5 Br- + 6 H+ - > 3 Br2 + 3 H2O
b. Koppeling aan leerplan: Stofomzettingen: ionenuitwisseling (leerplan Fysica 2e graad ASO wetenschappen)
c. Tips en trucs: Best niet uit te voeren. H2SO4 lost metalen op, ook in kleine concentratie. Bij ons bruiste ons blikje stilaan op, maar tegelijkertijd werd het schadelijke broomgas gevormd. De reactie verliep heviger en heviger, en des te meer broomgas kwam er vrij. Het is niet aan te raden deze proef te doen bij leerlingen. Indien deze toch wordt uitgevoerd, zuurbestendige handschoenen dragen en onder de zuurkast werken. Daarnaast moet de proef snel uitgevoerd worden indien u het aantal broomgas dat vrij komt wilt beperken. d. Bronnen (ook link naar filmfragmenten): Handboek
Stroom uit een blikje 1. Onderzoek: a. Onderzoeksvraag: Hoe krijgen we gelijkstroom uit een blikje cola? b. Hypothese: - Door chemische stoffen toe te voegen - Door het blikje te verwarmen - Door met het blikje te schudden - Door het blikje op te schuren … 2. Voorbereiden a. Te kennen begrippen: Onedele/edele metalen, Ionentransport, potentiaal verschil, elektrische spanning b. Materiaal + stoffen (bereidingen): - Statiefmateriaal - 2 aluminium frisdrankblikjes - mini-elektromotor (schakeling van lampje) - schaar - schuurpapier - 2 snoeren met krokodillenklemmen - 2 koolstaven - 2M Kaliumnitraatoplossing - 2M Natriumchlorideoplossong c. Veiligheid (etiketten/COS-brochure/WGK): Kaliumnitraat KNO3
2M
CAS 7757-79-1
Natriumchloride NaCl
2M
CAS 7647-14-5
d. Opstelling (foto):
3. Uitvoeren en waarnemen a. Werkwijze: - Knip het deksel van het blikje af en schuur onderin de laklaag weg - Plaats de koolstofelektrode, verbonden met het motortje beide in het blik zonder de rand te raken - Maak een serieschakeling van de elektromotor, het blik en de koolstofelektrode - Plaats in de ene opstelling de kaliumnitraatoplossing, in de andere de natriumnitraatoplossing b. Waarneming + foto’s: 1: Het lampje gaat branden bij de NaCl oplossing 2: Het lampje brandt niet bij de KNO3 oplossing
4. Reflectie a. Besluit proef: Zowel KNO3 als NaCl vormen ionen in oplossing. Echter hebben we in ons blikje te maken met een oxidelaagje van Aluminium om verdere oxidatie tegen te gaan. Bij KNO 3 wordt de oxidelaag niet aangetast. Doordat de oxidelaag het transport van elektronen verhinderd zien we bijgevolg niets gebeuren. Echter zien we dat bij de NaCl oplossing er wel een stroom door het blikje vloeit. Dit is te verklaren doordat de NaCl oplossing de oxidelaag van ons Aluminiumblikje aantast. Hoe dit precies verloopt kan aan de hand van reacties worden aangetoont: Aluminiumoxide wordt gebonden door de Cl- ionen: Al2O3(v) + 8Cl-(aq) + 3H2O(vl) 2AlCl4-(aq) + 6OH-(aq) Ons tetraclooraluminiumion gaat hydroliseren: AlCl4-(aq) + 4H2O(vl) Al(OH)2Cl(v) Al2O3(v) + 3Cl-(aq) + 2H3O+(aq) Door deze reacties kan ons zuiver Aluminium in oplossing gaan: Al(v) Al3+ + 3eEn de koolstofelektrode reageert met ons opgeloste zuurstof:
O2(aq) + 2H2O(vl) +4e- 4OH-(aq) Bijgevolg is er een gesloten kring mogelijk waardoor een stroom vloeit.
b. Koppeling aan leerplan: Stofomzettingen: ionenuitwisseling (leerplan Fysica 2e graad ASO wetenschappen) c. Tips en trucs: Door eventueel een Voltmeter als referentie te gebruiken, kunnen de leerlingen ook zien dat er effectief een spanning loopt door de schakeling. Bij KNO3 echter gaan ze dit niet zien. i.p.v. een aluminium blikje kan eveneens aluminiumfolie in de vorm van een blikje gemaakt worden. Het resultaat zou hetzelfde moeten zijn. Het lampje moet een lage weerstand hebben om te kunnen werken. d. Bronnen (ook link naar filmfragmenten): Handboek
Elektrolyse in een magneetveld 1. Onderzoek: a. Onderzoeksvraag: Hoe kunnen we het ionentransport tijdens een reactie zichtbaar maken?
b. Hypothese: - Door een voorwerp toe te voegen - Door extra stoffen toe te voegen - Door de reactie te verwarmen/af te koelen … 2. Voorbereiden a. Te kennen begrippen: elektrolyse, Ionentransport, zuur-base indicatoren, magnetisch veld, equivalentiepunt, gelijkspanning/wisselspanning b. Materiaal + stoffen (bereidingen): - petrischaal met 8cm diameter - spanningsbron 4V gelijkspanning - 2snoeren met krokodillenklemmen - 2koolstofelektroden - bekerglas 250ml - Kroezentang - staafmagneet - 2 druppelpipetten - 1M Natriumsulfaatoplossing - fenolftaleïneoplossing - 0.1M natronloog - 0.1M HCl - overheadprojector voor beter resultaat c. Veiligheid (etiketten/COS-brochure/WGK): Fenolftaleïne
Gevaar H 350-341-361f P 201-281-308+313
CAS 77-09-8
Zoutzuur
Natriumsulfaat (0 aq)
HCl
Na2SO4
CAS 7757-82-6
d. Opstelling (foto):
0,1M
CAS 7647-01-0
3. Uitvoeren en waarnemen a. Werkwijze: - Schenk in het bekerglas ca 50ml natriumsulfaatoplossing - Voeg 5-6 druppels fenolftaleïne toe - Regel pH zo door HCl toe te voegen totdat het equivalentiepunt bereikt is - Plaats in de ene opstelling de kaliumnitraatoplossing, in de andere de natriumnitraatoplossing - Schenk in het petrischaaltje de oplossing - Maak een serieschakeling tussen het de koolstofelektroden en de spanningsbron en plaats deze in het petrischaaltje - Schakel de spanningsbron in totdat er een streep rode vloeistof zichtbaar is - Beïnvloed de richting van de kleur door de zuidpool van de magneet boven de aangroeiende streep te houden (eventueel met een statiefklem) b. Waarneming + foto’s: De helft van onze oplossing kleurt terug paars en beweegt in wijzerzin/tegenwijzerzin, afhankelijk van hoe de plus- en minpool van onze spanningsbron zijn aangesloten.
4. Reflectie
a. Besluit proef: De ionencirculatie is duidelijk zichtbaar aan de pluspool van de spanningsbron en de zuidpool van de batterij. Dit is te wijten aan de elektrolyse van onze Natriumsulfaatoplossing. Hierdoor stijgt de pH-waarde van onze oplossing. Bijgevolg kleurt ons fenolftaleïne terug lichtpaars. Er ontstaan aan beide polen eveneens gassen. Dit is te verklaren door volgende halfreacties: 2H2O(vl) + 2e- H2(g) + 2OH-(aq) - 2H2O(vl) O2(g) + 4H+(aq) + 4eEerst ontwikkelt zich een elliptische vorm, later in de proef gaat 1 gedeelte van het petrischaaltje paars gekleurd worden (negatieve deel met de OH- ionen). Dit is te wijten doordat deze deeltjes door de magneet afgebogen worden (anders bewegen deze richting de positieve pool van de spanningsbron. Hierdoor zien we de veldlijnen van onze magneet. Doordat de negatieve ionen telkens van de negatieve naar de positieve pool van onze spanningsbron willen bewegen en door het magnetisch veld telkens afgebogen worden, krijgen we een elliptische baan. b. Koppeling aan leerplan: Stofomzettingen: ionenuitwisseling (leerplan Fysica 2e graad ASO wetenschappen) c. Tips en trucs: Hoe sterker de magneet die gebruikt wordt, hoe beter/sneller het ionentransport zichtbaar is. Daarnaast is het ook aan te raden om de magneet niet boven het petrischaaltje te houden, maar er net onder. Hierdoor moet de magneet niet vastgeklemd worden en heb je er in het verdere verloop van de proef geen last van. Daarnaast is 20ml natriumsulfaat en 5-6druppels fenolftaleïne ruim voldoende. Zolang de koolstofelektroden ondergedompeld kunnen worden, kan een kleinere hoeveelheid eveneens. Je ziet dat ik de verhouding heb aangepast voor beter resultaat. Een paar druppels meer fenolftaleïne zorgt ervoor dat de kleuromslag beter zichtbaar wordt, evenals het magnetisch veld dus. Wat ook gedaan kan worden is i.p.v. fenolftaleïne een universele indicator te gebruiken. Hierdoor zijn meerdere kleuren te zien in het ionentransport, wat leerlingen eveneens interessant vinden om te zien. Echter is dit bij mij niet zo goed gelukt als met fenolftaleïne. d. Bronnen (ook link naar filmfragmenten): Show de chemie handboek
Aluminium, lucht en een batterij. 1. Onderzoeken Onderzoeksvraag: Hoe kunnen we een batterij bouwen met aluminium?
2. Voorbereiden Materiaal:
-
Koperen plaatje Aluminium plaatje Demi-water Zout Bleek (Chloor) Kabels met krokodillenklem Millimeter
3. Uitvoeren Werkwijze: Buig een kant van de metalen plaatjes dusdanig dat ze makkelijker over het potje heen passen en er makkelijker een krokodillenklem aan te bevestigen is. Plaats de elektroden in de beker. Bevestig de meetkabels aan de elektrodes (+ Cu, - Al). Start de meting. Voeg water toe aan de beker. Wacht enige tijd en voeg een spatelpuntje zout toe en roer. Wacht weer enige tijd en voeg wat bleek toe.
Waarnemingen:
Zonder zout wordt er stroomsterkte doorgegeven.
Na de toevoeging van zout stijgt de stroomsterkte. 1. Reflecteren Verklaring: Meestal gebruikt men koper en zink in een batterij, in dit experiment hebben we gebruik gemaakt van koper en aluminium. De standaardpotentiaal voor koper en aluminium half-cel
reacties die dan gebruikt worden zijn: Al3+(aq) + 3e– --> Al(s) Cu2+(aq) + 2e– --> Cu(s)
E° = –1.76 V E° = 0.34 V
(1) (2)
Bij 25°C met [Al3+] = 1.0 M en [Cu2+] = 1.0 M. Zn wordt makkelijk geoxideerd door het Cu2+ ion. Een koper-aluminium cel heeft een potentiaal van 2.1 V als de Al3+ en Cu2+ ionen dezelfde concentratie hebben. Met een dergelijk systeem hebben we hier echter niet te maken, het water bevat in eerste instantie geen Al3+ en/of Cu2+ ionen. De potentiaal die we meten komt ook helemaal niet overeen met een dergelijk systeem, we meten een veel lagere potentiaal. In het algemeen zouden we zeggen dat omdat koper elektronegatiever is dan aluminium en de elektronen dus van het koper naar het aluminium stromen in de oplossing. Het systeem waar we hier mee te maken hebben is echter complexer. Het in water opgeloste zuurstof speelt ook een rol. Het zout dat we toevoegen zorgt ervoor dat de oplossing beter gaat geleiden waardoor de ladingen makkelijker door de oplossing getransporteerd worden. Binnenin de cel fungeert het koper als de elektronendonor (kathode) het geeft de elektronen door vanuit het externe circuit. Het in water opgeloste zuurstof wordt door deze elektronen gereduceerd volgens: O2 (aq) + 2H2O (aq) + 4e– --> 4OH- (aq)
E° = 0.82 V
(3)
Door deze reactie worden OH- ionen gevormd in de nabijheid van de elektrode. Als men de stroom zou meten dan zou men een daling waarnemen. De reden hiervoor is dat in het nauwe gebied rond de koper elektrode de zuurstof opgebruikt wordt, hetgeen met kan herstellen door re roeren. Indien men over een langere periode meet neemt de stroom af omdat de metalen bedekt raken met oxides en andere bijproducten. Het voltage blijft echter wel constant aangezien dat primair bepaald wordt door het verschil in elektronegativiteit van de metalen, hetgeen niet veranderd. Aan de anode wordt het Aluminium geoxideerd volgens: Al (s) + 3OH- (aq) --> Al(OH)3 (s)
E° = 2.30 V
(4)
Het aluminium hydroxide dat gevormd wordt vormt een wit neerslag op de elektrode. De hydroxide ionen die geconsumeerd worden zijn niet dezelfde als geproduceerd worden in de vorige vergelijking (3) en hierbij komt de rol van het zout naar voren. Natrium ionen (Na +) stromen richting de koper elektrode om daar de OH- ionen te neutraliseren, analoog stromen de chloride ionen (Cl-) richting aluminium elektrode om de OH- ionen te vervangen die geconsumeerd worden. Het netto resultaat is dat elektronen bewegen van de koper naar de aluminium elektrode. Als het zout niet aanwezig zou zijn zou de reactie maar gedurende korte
Bronnen: http://www.thuisexperimenteren.nl/science/aluminum%20air%20battery/aluminiumairbatt erij.htm
Bouw van een Daniëlcel 1. Onderzoeken: a. Onderzoeksvraag Hoe maken we een batterij?
1. Voorbereiden a. Materiaal: Bekerglaasjes of potjes ca. 30-50 ml. Filterpapier (bv koffiefilter- papier) Multimeter en kabels
b. Stoffen: Kopersulfaat (CuSO4) Zinksulfaat (ZnSO4) Kaliumchloride (KCl) Demiwater Cu-staafje of plaatje Zn-staafje of plaatje
2. Uitvoeren a. Werkwijze: 1. 2. 3. 4. 5. 6.
Bereid oplossing van 0.1 M Kopersulfaat. Bereid een oplossing van 0.1M Zinksulfaat. Giet de oplossingen in de bekerglaasjes. Plaats in de koperoplossing het koperstaafje. Plaats in de Zinkoplossing het zinkstaafje. Bereid een verzadigde oplossing van KCl.
7. Doop hier een reepje filterpapier mee. 8. Verbindt de multimeter met de staafjes, de + aan het koper en de - aan het zink. 9. Plaats het reepje filterpapier met een kant in de koper- en de andere kant in de zinkoplossing. 10. Meet voltage (V) en ampère (mA)(eventueel kunnen we dataloggen).
a.Verklaring: Het element dat Daniell ontwikkelde bestaat net als de Volta-zuil uit een anode van zink en een kathode van koper in een elektrolyt in de vorm van een verdunde zwavelzuuroplossing. De kathode maakt echter niet direct contact met het elektrolyt maar is opgenomen in een verzadigde oplossing van koper(II)sulfaat, de depolarisator. Een poreuze aardewerken pot, die alleen waterstofionen doorlaat, scheidt beide oplossingen van elkaar. De bronspanning van het element bedraagt ongeveer 1 à 1,1 Volt. Zodra de stroomkring gesloten wordt zal het zink geoxideerd worden. Hierbij staat een zinkatoom twee elektronen af. De halfvergelijking aan de anode is:
Aan de andere elektrode wordt het koper(II)ion gereduceerd; het Cu2+ ion neemt twee elektronen op en slaat als een koperlaagje op de kathode neer.
De ontstane zinkionen zullen in het verdunde zwavelzuur de H3O+ ionen vervangen die door de poreuze pot diffunderen. Deze H3O+ ionen vervangen de omgezette Cu2+ ionen uit de koper(II)sulfaat oplossing. b.Bronnen: http://www.aljevragen.nl/sk/redox/RED024.html http://www.aljevragen.nl/sk/redox/RED008.html http://www.youtube.com/watch?v=8KUl3h5DeiM http://www.youtube.com/watch?v=O4Xv--RUSFI http://www.youtube.com/watch?v=0MFc5n2C03o
Energieomzettingen in verschillende vormen 1. Onderzoek: a. Onderzoeksvraag: - Kunnen we verschillende vormen van energie in mekaar omzetten? - Kunnen we chemische energie omzetten in elektrische energie? b. Hypothese: Ja, we kunnen chemische energie omzetten in elektrische energie. 2. Voorbereiden a. Te kennen begrippen: - Chemische energie - Elektrische energie b. Materiaal + stoffen (bereidingen): - Bekerglas (600ml) - Ampèremeter - 2 koolstofstaven - 3 elektriciteitssnoertjes - 2mol/l zinkjodideoplossing - Stukje karton of staalwol c. Veiligheid (etiketten/COS-brochure/WGK): d. Opstelling (foto):
3. Uitvoeren en waarnemen a. Werkwijze: We plaatsen een stukje karton (of een hoopje staalwol) als scheidingswand in een bekerglas. Vervolgens gieten we de zinkjodideoplossing in het bekerglas en plaatsen de 2 koolstofstaven in het bekerglas (de ene koolstofstaaf aan de linkerkant van de wand, de andere aan de rechterkant). We sluiten de snoertjes aan op de ampèremeter en op de koolstofstaven. We kijken wat er gebeurt. b. Waarneming + foto’s: De ampèremeter geeft aan dat er stroom is.
4. Reflectie a. Besluit proef: De chemische energie wordt omgezet in elektrische energie Reactie: Zn2+ + 2 I- Zn + I2 b. Koppeling aan leerplan: vvkso chemie 2012-063 B19: Van gegeven en herkenbare voorbeelden van chemische processen uit het dagelijkse leven de concrete energieomzetting identificeren c. Tips en trucs: De stroom die geproduceerd wordt is vrij beperkt. De ampèremeter moet de kleine waardes kunnen meten. d. Bronnen (ook link naar filmfragmenten):
Fruitsapklok 1. Onderzoek: a. Onderzoeksvraag: Kan je een klok laten werken op fruitsap? b. Hypothese: Ja, indien we gebruik maken van een chemische reactie. 2. Voorbereiden a. Te kennen begrippen: - Chemische reactie - redoxreactie
b. Materiaal + stoffen (bereidingen): - Magnesiumlint - Koperplaatje - Fruitsap - Elektriciteitssnoertjes - Muurklok met secondewijzer - Bekerglas (600ml) c. Veiligheid (etiketten/COS-brochure/WGK): / d. Opstelling (foto):
3. Uitvoeren en waarnemen a. Werkwijze: We vullen een bekerglas met fruitsap. Vervolgens nemen we er een klok met secondewijzer bij. We halen de batterij uit deze klok. Dan steken we magnesiumlint in het fruitsap en koppelen dit lint aan de negatieve pool van de klok. Daarna steken we een koperplaatje of koperdraad in het fruitsap en koppelen dit aan de positieve pool van de klok. b. Waarneming + foto’s: Van zodra we het magnesiumlint en het koperplaatje koppelen aan respectievelijk de negatieve en positieve pool, begint de klok te tikken. De klok blijft tikken tot het magnesiumlint en/of het koperplaatje word(en) losgekoppeld. Of de klok blijft tikken tot het magnesiumlint volledig is weggeoxideerd. 4. Reflectie a. Besluit proef: Er ontstaat een redoxreactie waarbij enerzijds het magnesiumlint wordt omgezet in
Mg2+-ionen en 2 elektronen (oxidatie) en waarbij anderzijds de waterstofionen (H+) in het fruitsap worden omgezet in waterstofgas (H2) (reductie). Hierbij ontstaat er een spanning die groot genoeg is om de klok te doen tikken. De reacties die optreden zijn: Oxidatie: Mg -> Mg2+ + 2e- Eo = 2.37 vs. SHE (1) Reductie 2H+ + 2e- -> H2 Eo = 0.00 vs. SHE (2) (acid solution) Het koper kan niet gereduceerd worden omdat geen koperionen in oplossing zijn en de transitiemetalen niet gereduceerd worden tot anion. De protonen in de zure oplossing worden bijgevolg gereduceerd tot waterstofgas. De celspanning is bijgevolg onder standaardcondities in een pH:1 zuur 2.37V en in een neutrale oplossing 1.54V wat genoeg is om de klok te laten werken.
http://www.youtube.com/watch?v=ZFAnO4xSErw b. Koppeling aan leerplan: vvkso chemie 2012-063 B76 De verandering van oxidatiegetallen in een redoxreactie vaststellen en in verband brengen met de begrippen oxidator, reductor, oxidatie, reductie en elektronenoverdracht voor: - verbrandingsreacties; - synthesereacties met enkelvoudige stoffen; - analysereacties (ontleding) van binaire stoffen. B77 Een redoxreactie of elektronen overdrachtreactie definiëren als een koppeling van een reductie en een oxidatie. c. Tips en trucs: - De klok kan vrij snel stil vallen (al na een halve minuut); eventjes het koper en magnesiumlint afschuren is voldoende om de klok weer een tijdje te laten werken. - Het fruitsap hoeft niet vers te zijn; vervallen fruitsap hoeft dus niet weggegooid te worden. d. Bronnen (ook link naar filmfragmenten): -
https://www.youtube.com/watch?v=ZFAnO4xSErw
