Hoofdstuk 5 Spanning id batterij PDF

Preview

Summary

SPANNING IN DE BATTERIJ NAWE...

Description

Natuurwetenschappen – context 1: Materie, energie en leven

Notities bij hoofdstuk 5: Spanning in de batterij Inleiding Elektriciteit is niet meer weg te denken uit ons dagelijkse leven. Denk maar aan al onze huishoudtoestellen, voertuigen en andere nuttige en minder nuttige gebruiksvoorwerpen. Maar ook in de natuur kunnen we getuige zijn van elektrische fenomenen: de bliksem, een sidderaal, ... En heb je het ook al meegemaakt dat je haar rechtop staat nadat je het gekamd hebt, of dat geknetter als je op een droge winterdag je wollen trui uittrekt?

(a)

(b) (c) Fig. 1: strijkijzer (a), bliksem (b), sidderaal (c), elektrisch geladen haar (d)

(d)

In vele elektrische toestellen wordt de elektriciteit geleverd door een batterij of accu (gsm’s, laptops, camera’s, afstandbedieningen, auto’s, …). Om deze verschijnselen te verklaren gaan we wat dieper in op aspecten van de elektriciteit.

1 Redoxreacties – zie ook boek p. 72-75 Metalen bezitten vrije elektronen. Brengen we een metaaldraad onder invloed van een aangelegde spanning dan verplaatsen de vrije elektronen zich in die metaaldraad. Men zegt dat die metaaldraad de elektrische stroom geleidt, een goede geleider is. Deze soort elektrische stroom wordt in het dagelijkse leven heel veel benut: telkens de elektrische ladingen zich verplaatsen in een metalen geleider. Een belangrijke eigenschap van metalen is dat ze heel gemakkelijk elektronen afgeven. Daardoor worden deze metalen positieve ionen. We zeggen dat metalen geoxideerd worden (het oxidatiegetal neemt toe) tijdens een oxidatiereactie. Deze positieve metaalionen kunnen opnieuw elektronen opnemen. Daardoor worden de metaalionen terug neutrale metaalatomen. We zeggen dat de positieve metaalionen gereduceerd worden (het oxidatiegetal daalt) tijdens een reductiereactie. Van sommige metalen geven de atomen graag elektronen af. Van andere metalen nemen de positieve metaalionen graag elektronen op. Dit is een natuurlijke eigenschap van deze metaalatomen en metaalionen. We kunnen dit verschijnsel gebruiken om elektrische stroom op te wekken! We laten de elektronen, afgegeven door metaalatomen van een welbepaald metaal, door een uitwendig circuit (zie verder) vloeien naar positieve metaalionen van een ander metaal (die de elektronen graag opnemen. Dit precies ligt aan de basis van allerlei batterijen. Dankzij reductie- en oxidatiereacties - kortweg redoxreacties - kan dus elektrische spanning en elektrische stroom worden opgewekt. Van welke metalen de atomen graag worden geoxideerd en van welke metalen de positieve ionen graag worden gereduceerd kunnen we afleiden uit de spanningsladder (zie verder).

61

Natuurwetenschappen – context 1: Materie, energie en leven

4.1 Reacties met elektronenoverdracht  Als een stof elektronen opneemt, dan wordt deze stof gereduceerd: het oxidatiegetal van die stof daalt.  Een stof die gereduceerd wordt is een oxidator (afkorting OX). De bijbehorende reactie is een reductiereactie.  Als een stof elektronen afgeeft, dan wordt deze stof geoxideerd: het oxidatiegetal van die stof stijgt.  Een stof die geoxideerd wordt is een reductor (afkorting RED). De bijbehorende reactie is een oxidatiereactie.  Een reductiereactie is steeds gekoppeld aan een oxidatiereactie in een redoxreactie. Het aantal elektronen dat afgegeven wordt is altijd gelijk aan het aantal elektronen dat opgenomen wordt. Voorbeeld: zie notities

4.2 Sterkte van reductoren en oxidatoren: de spanningsladder a) Vaststellingen vanuit toepassingen



Vernietigend natriummetaal (Uit een Noord- Nederlandse krant) Natrium in wc gegooid: pot ontploft DRACHTEN (ANP) - Het stelen van een fles natrium heeft voor een 16-jarige jongen uit het Friese Drachten onvoorziene gevolgen gehad. Samen met een vriend had hij ingebroken in een middelbare school en had daarbij onder andere een fles natrium buitgemaakt. Een oudere broer die de diefstal ontdekte overtuigde de jongen de buit terug te brengen. Hij vergat echter de fles natrium mee te nemen. De moeder van de jeugdige dief besloot daarom de fles via de wc in de riolering te lozen. De chemische stof zorgde echter in de wc-pot voor een ontploffing doordat een chemische reactie met het water ontstond. De vrouw liep ernstige snijwonden op en moest naar het ziekenhuis worden overgebracht.

Natrium is zeer onedel. Het moet onder petroleum worden bewaard.

Uit bovenstaand knipsel blijkt dat natriummetaal zeer hevig reageert met water volgens de reactie 2 Na + 2 H2O  2 NaOH + H2

Wordt het Na-atoom gereduceerd of geoxideerd?

……………………………………………………

Het natriumatoom is dus de ………………………………………………………………………………. Wordt H (aanwezig in H2O) gereduceerd of geoxideerd? …………………………………………….. Het waterstofdeeltje van water is dus de …………………………………………………………………



Beschermend magnesiummetaal

Magnesiummetaal wordt in staven aangebracht op de ijzeren romp van een schip. Dit voorkomt roestvorming omdat magnesiummetaal gemakkelijker aangetast wordt dan ijzermetaal omdat volgende reactie geldig is. Mg + Fe3+  Mg2+ + Fe Wordt het Mg-atoom gereduceerd of geoxideerd? ………………………………………………………… Het Mg-atoom is dus de ………………………………………………………………………………………. 62

Natuurwetenschappen – context 1: Materie, energie en leven Wordt het Fe3+-ion gereduceerd of geoxideerd?…………………………………………………………… Het Fe3+-ion is dus de ………………………………………………………………………………………….

b) Kwantitatief vastgelegd: de spanningsladder van de metalen – zie ook boek p. 74-75

Zwakke oxidator

Sterke reductor

Ca2+ Na+ Mg2+ Al3+ Zn2+ Fe2+ Sn2+ Pb2+ H+(H O) Cu2+ Ag+ Hg2+ Au3+

Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb H Cu Ag Hg Au

2

Normpotentiaalwaarde -2,76 V - 2,71 V - 2,38 V - 1,66 V - 0,76 V - 0,41 V - 0,14 V - 0,13 V 0,00 V + 0,34 V + 0,80 V + 0,85 V + 1,42 V

Metalen kunnen gerangschikt worden in een elektrochemische spanningsreeks of spanningsladder. De volgorde in deze reeks wordt bepaald door te vergelijken hoe gemakkelijk een metaalatoom elektronen afgeeft en aldus positieve ionen vormt in de oplossing. Rechts boven op de ladder staan de sterke reductoren of metalen die gemakkelijk elektronen afstaan (= geoxideerd worden) en aldus gemakkelijk positieve ionen vormen. Deze metalen noemt men sterke of onedele metalen. Hoe meer naar onder rechts in de reeks, hoe kleiner het reducerend vermogen van de metalen (zwakke reductoren). Deze metaalatomen vertonen een zwakke neiging om elektronen af te staan. Ze worden dus moeilijker geoxideerd en blijven dus gemakkelijker als metaalatoom bestaan. Deze metalen noemt men de zwakke of edele metalen. 63

Natuurwetenschappen – context 1: Materie, energie en leven

2 Galvanische cellen 2.0 Een beetje geschiedenis: de eerste batterij Het gebeurde op 6 november 1780. Wetenschappers konden statische ladingen opwekken door stoffen te wrijven. Op de werktafel van Luigi Galvani lagen kikkerpoten naast een geladen elektriseermachine. Plotseling bewogen de poten! Galvani ontdekte dat de achterpoten van een dode kikker konden samentrekken met de opgewekte elektrische ladingen. Op zekere dag trokken de pootjes echter samen zonder elektrostatische ladingen. De kikkerpoten waren met de zenuw bevestigd aan de koperen balustrade en reageerden bijzonder heftig als tegelijk een voetspier en de balustrade werden aangeraakt met een ijzeren of een zinken staaf.

Hoe dat kwam achterhaalde Alessandro Volta (1745-1827). De koperen haken waaraan de pootjes hingen reageerden chemisch met de ijzeren staaf en dat leverde elektrische stroom op. Uit het voorval met de kikkerpootjes leerde Volta dat een scheikundige reactie een elektrische stroom kan opwekken. Zo kon hij de allereerste batterij maken, ook chemische cel, galvanisch element of volta-element genoemd

Uit de Wetenschapskalender, 22 februari 1997 Eind 18e eeuw merkte de Italiaan Alessandro Volta op dat, wanneer men een zilveren en een zinken plaat die op een glazen handvat zijn gemonteerd met elkaar in contact brengt en weer uit elkaar haalt, beide elektrisch geladen zijn. Hij had de contactspanning tussen twee verschillende metalen ontdekt. Hierop voortbordurend legde hij een geldstuk op en een geldstuk onder zijn tong. De geldstukken bestonden elk uit een ander metaal en waren verbonden door een geleidende draad. Onmiddellijk nam Volta een zilte smaak en een onaangename prikkel waar. Hij had vastgesteld dat elektriciteit op een chemische wijze kon worden opgewekt. Hierop nam hij een glazen kolom en vulde die afwisselend met doorboorde koperen plaatjes, in zwavelzuur gedrenkte stukjes stof en zinken plaatjes. De zuil van Volta bleek spanningen van meerdere volts te kunnen opwekken en was de eerste versie van wat later een batterij zou worden genoemd.

64

Natuurwetenschappen – context 1: Materie, energie en leven

2.1 Principe van een galvanische cel – zie ook boek p. 76-77

Twee afzonderlijke bekers respectievelijk voorzien van een zinkplaatje (Zn) gedompeld in een ZnSO4-oplossing en een koperplaatje (Cu) gedompeld in een CuSO4oplossing worden onderling verbonden met:

 een uitwendige metalen geleider voor de verplaatsing van elektronen

 een uitwendige elektrolytbrug voor de verplaatsing van ionen bijvoorbeeld een buis gevuld met een verzadigde KCl-oplossing of NaNO3-oplossing.

Wordt een metalen plaatje in contact gebracht met H 2O, dan zal een deel van de metaalatomen geoxideerd worden: er ontstaan positieve metaalionen en elektronen. De positieve metaalionen zitten niet meer vast op het metalen plaatje: ze bewegen rond in de oplossing. We zeggen dat de metaalatomen in oplossing gaan. Niet elk metaal zal even veel in oplossing gaan. Zo zal zink Zn gemakkelijker in oplossing gaan dan koper Cu. Zink is namelijk een onedel metaal (ligt hoger op de spanningsladder dan koper). Dit betekent dat zink een groter reducerend vermogen heeft dan koper: zink staat gemakkelijker elektronen af en wordt dus gemakkelijker geoxideerd dan koper. Dit gebeurt in deze oxidatiereactie: Zn  Zn2+ + 2 eIn de linkerbeker waarin het zinkplaatje zit, zullen dan ook meer positieve metaalionen en negatieve elektronen zitten dan in de rechterbeker (waarin het koperplaatje zit). Geleidelijk aan wordt het zinkplaatje smaller en kleiner, doordat steeds meer zinkatomen in oplossing gaan. De elektronen die in de linkerbeker ontstaan bij de oxidatie van vele zinkatomen, gaan via de metalen geleider naar het koperplaatje in de rechterbeker. In de rechterbeker zitten positieve koperionen, die deze elektronen kunnen opnemen. Hierdoor worden de positieve koperionen gereduceerd tot koperatomen. Dit gebeurt in deze reductiereactie: Cu2+ + 2 e-  Cu De totale redoxreactie ziet er als volgt uit: Zn + Cu2+  Zn2+ + Cu De beweging van de elektronen in de uitwendige metalen geleider is niets anders dan een elektrische stroom. Zo’n systeem (twee verschillende metalen plaatjes in een oplossing, een metalen geleider, een elektrolytbrug) noemen we een galvanische cel: in zo’n cel ontstaat elektrische stroom uit chemische reacties (een oxidatiereactie en een reductiereactie).

65

Natuurwetenschappen – context 1: Materie, energie en leven

Samengevat: In een galvanische cel leveren twee verschillende metalen plaatjes, ondergedompeld in een geleidende oplossing en uitwendig geleidend verbonden, elektrische energie (elektrische stroom) uit chemische reacties (redoxreactie). Het aanwezige metaal dat de sterkste REDuctor is wordt geoxideerd en vormt het negatieve plaatje (wordt de negatieve elektrode genoemd). Het aanwezige metaalion dat de sterkste OXidator is wordt gereduceerd en vormt de positieve elektrode (wordt de positieve elektrode genoemd). De elektronen verplaatsen zich van de negatieve naar de positieve elektrode.

Op onderstaande website vind je dynamische voorstellingen van de werking van de galvanische cel. Je kan inzoemen op het zinkplaatje, het koperplaatje, de elektrolytbrug en in detail bekijken wat er gebeurt. http://users.skynet.be/eddy/galvanische_cel.htm

66...