Chemie in Onderzoek VWO
§ 6.7 - Elektrochemische cellen 5e Survival Challenge: een baerij voor het noodsignaal Het is je gelukt om het radiobaken uit de staart van het vliegtuig te krijgen. Helaas werkt dit baken normaal op de accu die nu wegens kortslui ng niet meer werkt. Het in het baken ingebouwde noodba erijtje is in dit oude toestel, en door de jarenlange tropische temperaturen al lang niet meer geladen. Kortom, je hebt helaas een baken in handen dat zo dood is als een pier. Je gaat in deze paragraaf leren hoe je zelf een make-shi$ ba erij kunt bouwen om het radiobaken van stroom te voorzien, zodat je toch een noodsignaal kunt uitzenden. Energie en energieomzengen We gebruiken energie bij alles wat we doen. Daarbij gaat al jd een bepaalde vorm van energie (chemische energie uit voedsel, fossiele brandstof) over in een of meer andere vormen van energie, warmte, licht of beweging. De totale hoeveelheid energie blij$ daarbij onveranderd. Je zou dus kunnen zeggen, dat de energie behouden blij$, maar dat is slechts de hel$ van de waarheid. De energie die ontstaat, is al jd minder bruikbaar dan de energie waarmee je begon. Warmte-energie is maar voor een deel om te ze en in andere energievormen. Lauwe warmte is helemaal onbruikbaar. Zelfs hete stoom, die in stoomturbines wordt gebruikt voor elektriciteitsopwekking, levert minder dan de hel$ aan elektrische energie. Hoe meer energie we gebruiken, des te meer hoogwaardige, goed bruikbare energie overgaat in laagwaardige, soms zelfs waardeloze energie. Chemische en elektrische energie zijn hoogwaardige vormen van energie. Elektrische energie opwekken We kunnen elektriciteit op verschillende manieren opwekken. De belangrijkste daarvan is de dynamo. De dynamo is veelzijdig en kan voor grote vermogens (elektriciteitscentrales) gebruikt worden. Het rendement van een dynamo kan heel hoog zijn. Als de energiebron voor de bewegingsenergie ook nog duurzaam is, zoals bij windmolens, heb je heel groene energie. De meeste dynamo’s in elektriciteitscentrales worden echter nog aangedreven door kolengestookte stoomturbines. Dat is geen groene stroom. In een elektriciteitscentrale wordt: • • • •
brandstof verbrand, met deze warmte hete stoom gemaakt, daarmee bewegingsenergie opgewekt, en daarmee weer elektriciteit geproduceerd.
Vragen 1. In welke stap van brandstof naar elektrische energie gaat ongeveer de hel$ van de energie “verloren”? 2. Energiecentrales produceren veel restwarmte. Hoe kun je de restwarmte benu en? Ken je een toepassing? 3. Hoe groot schat jij het rendement bij de verbrandingsmotor in een bromfiets of auto? Waaraan kun je merken dat het rendement niet heel hoog is?
Wat is een baerij of accu? Als er geen stopcontact in de buurt is, ben je aangewezen op een ba erij of accu. Hierin wordt chemische energie direct omgezet in elektrische energie. Ba erijen waren lange jd niet populair, ze waren zwaar, snel leeg en erg milieuonvriendelijk. Je gebruikte ze hooguit voor zaklantaarns. Als je ba erijen niet op jd verving, gingen ze lekken en vernielden je apparaat. Ba erijen van vroeger beva en vaak zeer gi$ige zware metalen als kwik en cadmium. Lege ba erijen werden tot voor kort gewoon weggegooid en zorgden voor veel overlast. Vragen Chemische en elektrische energie zijn twee energievormen, waarvoor we niet gewaarschuwd worden door onze zintuigen. Voor elektriciteit hebben we spanning- en stroommeters. Voor chemische energie bestaan helemaal geen meters. 4. Verklaar op microniveau dat er bij een chemische reac e een energie-effect is: dat er energie kan vrijkomen of kan worden opgenomen. 5. Hee$ een stevige stabiele stof als beton een hoge of een lage energie-inhoud? │ 18
Chemie in Onderzoek VWO 6. Wat gebeurt er met de energie als door een reac e stoffen ontstaan met veel sterkere bindingen tussen de deeltjes? Welke waarneming hoort bij zo een reac e? 7. In alle auto’s worden oplaadbare loodaccu’s toegepast. Daar lijkt iedereen redelijk tevreden over. Waarom zijn de nadelen van ba erijen minder/niet van toepassing op de accu?
Boven: deze meneer toont trots de nieuwste “mobieltjes” van Motorola in 1973. Lichtste model: 800 gram. Geen scherm, alleen knoppen. Onder: de nieuwste iPhone 6
Tegenwoordig zijn accu’s en ba erijen voor heel veel apparaten onmisbaar geworden. Geen nieuw product hee$ ooit zo snel de markt veroverd als de mobiele telefoon. Die ontwikkeling was alleen mogelijk dankzij nieuwe technieken; met name dunne en lichte beeldschermen en kleine lichte oplaadbare ba erijen (accu’s) met een grote capaciteit. Voor deze toepassingen worden al jd oplaadbare ba erijen toegepast. In die ba erijen zi en geen zware metalen meer. Het zou ideaal zijn als alle chemische energie die een ba erij zit opgeslagen als elektrische energie zou vrijkomen.
Dan zou het rendement van de ba erij 100 % bedragen, maar helaas worden alle ba erijen warm als ze flink stroom moeten leveren. 8. Leg uit dat hieruit volgt dat het rendement van ba erijen géén 100 % bedraagt. Energiedichtheid Ba erijen van het nieuwste type (lithiumpolymeer of LIPO) kunnen veel energie leveren terwijl ze toch klein en licht zijn. Men zegt dat deze nieuwe ba erijen een hoge energiedichtheid bezi en: dit is de verhouding tussen de geleverde energie en de massa van de ba erij en wordt meestal uitgedrukt in het aantal kilowa uur (kWh) per kilo. 9. De energiedichtheid van een ba erij met een massa van 50 g is 0,18 kWh kg-1. Bereken hoeveel joule deze ba erij kan leveren. 10. Op een ba erij staat te lezen: 1,2V en 500 mAh. Leg uit wat met elk deze twee gegevens bedoeld wordt. 11. Bereken de energie die deze ba erij volgens de fabrikant zou kunnen leveren. Gebruik BINAS tabel 35D. 12. Energiemaatschappijen leveren elektrische energie voor de prijs van circa € 0,25 per kilowa uur ( = 3600.000 J). Bereken wat de energie in de bovengenoemde ba erij zou kosten als deze energie via het lichtnet geleverd zou zijn door het energiebedrijf. Op macro niveau: wat is elektriciteit? Voorwerpen kunnen een elektrisch lading krijgen. Er zijn twee soorten lading, posi+eve en nega+eve lading. Ongeladen voorwerpen beva en van beide soorten evenveel. Gelijk geladen voorwerpen stoten elkaar af, tegengesteld geladen voorwerpen trekken elkaar aan. Er zijn materialen die lading laten stromen, geleiders (metalen, grafiet, opgeloste zouten). Als lading zich verplaatst door een geleider noemen we dat elektrische stroom: de lading die per seconde door de geleider stroomt: I=Q/t Waarbij: • I de stroomsterkte is in ampère (A) • Q de elektrische lading in Coulomb (C) • t de jd in seconde (s) Elektriciteit, preciezer elektrische stroom, is de veelzijdigste vorm van energie. Voor verwarming, verlich ng, transport, communica e, het aandrijven van machines, voor computers is elektriciteit heel geschikt, zo niet onmisbaar. │ 19
Chemie in Onderzoek VWO Op micro niveau: wat stroomt er door een stroomdraad? Sinds ruim een eeuw weten we dat door een stroomdraad elektronen stromen, nega ef geladen deeltjes die voorkomen in alle atomen. Elektronen stromen vanwege hun lading van de nega eve pool naar de posi eve pool. Opgeloste elektrolyten (zouten of zuren opgelost in water) kunnen ook geleiden. We hebben gezien dat als je stroom door zulke oplossingen stuurde, er dingen gingen lopen, zowel rich ng plus pool als rich ng minpool. We noemen die dingen ionen, posi eve en nega eve ionen. Die ionen zorgen voor het vervoer van de lading van de ene pool naar de andere. Ionen zijn geladen atomen of moleculen. Een posi ef ion hee$ een of meer elektronen tekort, een nega ef ion hee$ elektronen teveel. In oplossingen van zouten en zuren komen vrije ionen voor. Onthoud: • Bij stroom door een stroomdraad stromen nega eve elektronen. • Bij stroom door een elektrolyt stromen posi eve en nega eve ionen. De eerste baerij: de “Zuil van Volta” De eerste succesvolle ba erij werd gemaakt door Allessandro Volta rond 1800. Hij stapelde zink en koperplaatjes op elkaar afgewisseld met in zout water gedrenkte viltjes. Bijzonder aan Volta’s ba erij was dat de ba erij zo eenvoudig was en dat je de spanning van de ba erij heel eenvoudig kon opvoeren door de stapel hoger te maken (zie aQeelding hieronder).
Wat gebeurt er in een baerij? Door een metaaldraad stromen elektronen. De ba erij zorgt ervoor dat die elektronen blijven stromen. De ba erij werkt dus als een pomp, een elektronenpomp. Om die stroom op gang te houden moet de stroombron bij de minpool voortdurend elektronen de draad insturen (naar buiten pompen) en bij de pluspool juist elektronen uit de draad weghalen, opnemen (elektronen aanzuigen). Je hebt gezien dat bij een redox reac e elektronenoverdracht plaatsvindt. Zou het mogelijk zijn om met een redox reac e elektrische stroom op te wekken? Het antwoord op deze vraag is ja! Hoe gaat dit in zijn werk? Om te beginnen moet je er voor zorgen dat de reductor niet direct in contact kan komen met de oxidator. Dit kun je doen door te werken met twee gescheiden compar menten, die met elkaar in verbinding staan via een poreuze wand of een zogenaamde zoutbrug. Een zoutbrug is een glazen buis die de elektrische verbinding verzorgt tussen de twee compar menten. De meeste zoutbruggen bestaan uit een zout (bijvoorbeeld natriumnitraat) dat is opgelost in een gel (bijvoorbeeld agar). Verder moet je er voor zorgen dat de elektronen, die de reductor afstaat terecht komen bij de oxidator. Hiervoor gebruik je natuurlijk een stroomdraadje en voilà: er gaat een stroompje lopen en de elektrochemische cel is geboren. Een beroemde chemische cel is de Daniëll cel uit 1836, vernoemd naar de Engelse uitvinder John Daniëll (1790-1845). Als je een beetje aardig bent voor je docent, zal deze de Daniell cel vast wel aan je willen demonstreren!
Zoals je hierboven ziet bestaat de Daniëll cel uit twee compar menten, die zijn verbonden met een zoutbrug. Het linker compar ment is gevuld met een 1,0 M zinksulfaat oplossing, waarin een zinkstaaf hangt. Het rechter compar ment is gevuld met een 1,0 M kopersulfaat oplossing, waarin een koperstaaf hangt. │ 20
Chemie in Onderzoek VWO Op het moment dat de zinkstaaf (de minpool) via een stroomdraadje wordt verbonden met de koperstaaf (de pluspool), kan de zinkstaaf via het stroomdraadje elektronen afstaan aan de koperionen en gaat er dus een stroompje lopen. Tijdens de stroomlevering reageert de zinkstaaf langzaam weg en wordt de koperstaaf steeds dikker. Omdat er in het linker compar ment Zn2+ bij komen, stromen er via de zoutbrug NO3- uit de zoutbrug om het posi eve ladingsoverschot te compenseren. Aan de andere kant zie je min of meer hetzelfde gebeuren. Daar verdwijnen posi eve deeltjes, die worden aangevuld met Na+ uit de zoutbrug. Dit kan natuurlijk niet eeuwig doorgaan. Op een zeker moment is de cel uitgeput. De Daniëll cel levert 1,10 V. Wil je meer spanning, dan zul je ze in serie moeten ze en. Dan krijg je een ba erij, een term die voor het eerst werd gebruikt door Benjamin Franklin in 1748 als aanduiding voor een rij elektrisch geladen glasplaten. Het woord ‘ba ery’ betekent in het Engels een klap en dat is hoe een elektrische schok van het apparaat aanvoelde. In die jd had een ba erij vooral amusementswaarde en geen of nauwelijks prak sche toepassingen. De standaardelektrodepoten-aal De standaardelektrodepoten+aal (zie BINAS tabel 48) van een reductor/oxidator is een maat voor hoe goed de oxidator of reductor is uit dat koppel. Een hoge elektrode poten aal wijst op een sterke oxidator en onvermijdelijk een zwakke reductor. Hoe sterker de oxidator is in het koppel des te posi ever kan de elektrode worden. De standaardelektrodepoten aal van een redoxkoppel is gedefinieerd als de spanning die optreedt als een halfcel onder standaardomstandigheden (zuivere stoffen, 1 molair oplossingen, druk 1 Bar) wordt verbonden met de standaardwaterstofelektrode. Als je een cel bouwt uit twee redoxkoppels kun je uit het verschil in de standaardelektrodepoten alen van de twee koppels de ongeveer te verwachten bronspanning berekenen. De bronspanning zegt iets over de hoeveelheid energie (E) die die de cel levert:
Vragen 13. Welke bronspanning verwacht je voor de Daniël cel? En voor de loodaccu? 14. Probeer met behulp van de lading van een elektron (BINAS tabel 7) de constante van Faraday af te leiden. Droge baerijen De Daniëll cel is een zogenaamde ‘na e’ ba erij. Niet echt handig in gebruik in verband met lekkage. In 1866 patenteerde de Fransman Leclanche de na e koolstof-zinkba erij. Deze bestond uit een koolstofstaaf ingebed in bruinsteen gemengd met koolstofpoeder en gedrenkt in een ammoniumchloride-oplossing. In WO II ontwikkelden Amerikaanse onderzoekers een krach ge ba erij op basis van bruinsteen en zink met een alkalische elektrolyt. Dit leidde rond 1950 tot de introduc e van kleine alkalineba erijen voor algemeen gebruik. Tegenwoordig zijn ba erijen niet meer weg te denken uit het dagelijks leven en ze worden al maar beter. Zo hebben de lithium wegwerp ba erijen een zeer hoge energiedichtheid en zijn door hun geringe ontlading houdbaar tot wel 10 jaar. Deze ba erijen zijn speciaal ontwikkeld voor draagbare elektronische apparaten zoals mobiele camera’s en fototoestellen. Je kunt er sneller en nog meer mee flitsen. AZankelijk van het ontwerp produceren lithiumba erijen in vergelijking met andere ba erijen hoge spanningen van 1,5 tot ongeveer 3,7 V. Dit zijn de halfreac es en totaalvergelijking: + pool: - pool: totaal:
MnO2 + Li+ + e– MnO2Li Li Li+ + e– MnO2 + Li MnO2Li
En dan ook nog: het milieu De zware metalen kwik en cadmium, die in ba erijen worden gebruikt, zijn schadelijk voor het milieu. Daarom moeten lege ba erijen, met name kwik en cadmiumba erijen, niet bij het gewone afval worden gegooid, maar ingeleverd als klein chemisch afval of bij een inzamelpunt voor lege ba erijen.
E=UxIxt Vragen Daarbij is U de spanning (in Volt), I de stroomsterkte (in Ampère = Coulomb per sec) en t de jd (in seconde). Bij het rekenen aan de hoeveelheid lading Q die een cel kan rondpompen ( Q= I x t ) moet je weten dat één mol elektronen een lading vertegenwoordigen van 9,6485 104 Coulomb. Het aantal Coulomb per mol wordt de constante van Faraday genoemd (zie BINAS tabel 7A).
Een cel is opgebouwd uit een aluminiumstaaf in een oplossing van aluminiumsulfaat en een koolstofstaaf in broomwater. Verder zijn een zoutbrug en draden aanwezig en is er een lampje in de schakeling opgenomen. 15. Maak een schema sche tekening van deze cel. 16. Geef beide halfreac es en leidt daaruit de totaalvergelijking af. │ 21
Chemie in Onderzoek VWO 17. Leg uit wat de posi eve en wat de nega eve elektrode is. 18. Wanneer zal deze cel geen stroom meer kunnen leveren o$ewel uitgeput zijn? Een elektrische cel levert gedurende 24 uur een stroom van 1,8 mA. In deze cel verlopen aan de elektroden de volgende reac es: Cu Cu2+ + 2 eAg+ + e- Ag 19. Bereken de gewichtstoename aan de zilverelektrode en de gewichtsafname aan de koperelektrode.
Onderzoek 6.7.11 - De wedstrijd van het jaar: wie meet de hoogste spanning? Met alle opgedane kennis is het nu de hoogste jd voor de wedstrijd van het jaar: de fruitcel!
Belangrijk moment in ontwikkeling van pacemakers was het gebruik van lithiumba erijen. Bij de keuze van een geschikt metaal voor de toepassing in een pacemaker is de zogenoemde elektrochemische capaciteit van belang, dit is de hoeveelheid lading die 1,0 g van dat metaal kan genereren. 20. Laat met behulp van een berekening zien van welk metaal de elektrochemische capaciteit het grootst is: lithium of zink. Tensloe… De Survival Challenge! Lukt het je om het radiobaken van stroom te voorzien, zodat je toch een noodsignaal kunt uitzenden? Ga de Survival Challenge aan via onderstaande weblink naar paragraaf 6.7 van de E-klas Survival in de Afrikaanse bush. www.e-klassen.nl/portal/site/Portal%20Survival% 20in%20de%20Afrikaanse%20Bush/page/0cd20Q6 -69c4-4485-9d99-4de5adfa77Q
Onderzoeksvraag Hoe haal je de grootst mogelijke spanning uit fruit?
Onderzoek 6.7.12 - Oplaadbaar of niet?
Opdracht Bouw een ‘fruitcel’ met een zo hoog mogelijke spanning en laat deze spanning controleren door de dienstdoende docent of TOA.
Inleiding Ba erijen kun je onderverdelen in oplaadbare en niet-oplaadbare ba erijen. Wegwerpba erijen zijn bedoeld om eenmalig gebruikt te worden en kunnen niet worden opgeladen. Oplaadbare ba erijen (eigenlijk: accu) worden vele malen hergebruikt. Ze kunnen worden opgeladen door er een externe stroombron op aan te sluiten, waardoor de chemische processen in de ba erij zich in omgekeerde rich ng voltrekken.
Onderzoeksvraag Welke ba erijen zijn oplaadbaar en welke niet?
Spelregels De enige spelregel is dat er geen spelregels zijn. Vals spelen mag, zo lang dit onopgemerkt blij$. Werkplan In je werkplan staat een lijstje van benodigdheden (welke elektroden) en de te verwachten halfreac es. Lever dit werkplan in bij de docent. Deze bepaalt is samenspraak met de TOA of de door jou bestelde materialen en chemicaliën beschikbaar zijn en op een veilige manier gebruikt kunnen worden. Zorg zelf voor het fruit! Aanvang en einde van de wedstrijd Op teken van de hoofdscheidsrechter (docent) zal de wedstrijd een aanvang nemen. De wedstrijd duurt maximaal 30 minuten. Tips Geen. Zoek het maar lekker zelf uit. Succes...
Opdracht (2-tallen) Kies hieronder een ba erij uit en beschrijf of deze oplaadbaar is, welke reac es plaatsvinden, wat de oxidator en reductor is, welke spanning ze opwekken en hoe deze van elkaar worden gescheiden, wat als zoutbrug dient en waar de ba erij voor wordt gebruikt. Presenteer je resultaten op één enkele sheet (PowerPoint). Het keuze menu Alkaline Cells, Alkaline Manganese Cells, Aluminum/Air Cells, Iron Nickel Cells, Lead-Acid Cells, Leclanché Cells, Lithium Cells, Lithium Ion Cells, Mercury Oxide Cells, Nickel Zinc Cells, Nickel/Cadmium Cells, Nickel/Hydrogen Cells, Nickel/Metal Hydride Cells, Nickel/Sodium Cells, Sodium/Sulfur Cells, Zinc/Air Cells │ 22
