Hoe maak je een chemische stroombron?

Video

1.Onderzoeksvraag

Hoe maak een zelf een stroombron?

2.Voorbereiding

Materialen

• koper(II)sulfaatoplossing;
• zinksulfaat oplossing;
• koper- en zinkelektroden;
• krokodillenklemmen;
• plastic flesjes;
• flacon houder;
• Kerstlichten;
• LED;
• spuiten;
• rechthoekige stukken stof.

3. Werkwijze

1. Plaats koper- en zinkelektroden in plastic flesjes en plaats ze zo dat de metalen elkaar afwisselen. Verbind de elektroden met krokodillenklemmen zodat de elektroden aan weerszijden een vrije klem hebben.
2.  Verbind de flacons met koper- en zinkelektroden met stukjes stof. Giet koper(II)sulfaatoplossing in de injectieflacons met de koperelektroden en zinksulfaatoplossing in de injectieflacons met de zinkelektroden. We hebben twee verbonden Daniell-cellen gemaakt
3. Meet de spanning. Als je meer Daniell-cellen aansluit, kun je zelfs kerstverlichting aansturen!

4.Reflecteren

Het principe achter de Daniël-cel is gebaseerd op het verschil tussen de reactiviteit van koper en zink. De spanning is ongeveer 1,1 volt. Zink is een actiever metaal. En elk zinkatoom geeft gemakkelijk twee elektronen af, waardoor zinkionen Zn²⁺ worden gevormd, die vrijkomen in de oplossing :

Zn – 2e → Zn²⁺

Deze elektronen migreren naar de koperelektrode, die een negatieve lading ontwikkelt en de positief geladen koperionen Cu²⁺ in de koper(II)sulfaatoplossing begint aan te trekken. Deze ionen accepteren de beschikbare elektronen om metallisch koper te vormen, dat neerslaat op het oppervlak van de koperelektrode:

Cu²⁺ + 2e → Cu⁰

Terwijl ze door de draden van zink naar koper bewegen, creëren de elektronen een elektrische stroom.

 

De halfvergelijking aan de anode is: Zn à Zn²⁺ + 2 e^–

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.

Cu²⁺ + 2 e^–  –> Cu

De spontane stroom van elektronen van anode naar kathode genereert een stroom met een spanning nabij de theoretische E O cel voor deze paren (1,10 V).

Anode: Zn –> Zn²⁺ + 2 e^–                E° = -0,76 V

Kathode: Cu²⁺ + 2 e^– –> Cu            E°= + 0,34 V

De metaalatomen van de metaalstaven (elektrodes) hebben de eigenschap om op te lossen in de vloeistof (elektrolyt) waarbij er positief geladen metaalionen in het elektrolyt gaan en de negatief geladen elektronen achterblijven op de elektrode. Er zal hierdoor een potentiaalverschil ontstaan tussen elektrode en het elektrolyt. De oplossingsdrang van een metaal is groter naarmate het metaal onedeler is.

Omdat zink onedeler is dan koper zal de zinkstaaf sneller zijn elektronen afgeven en dus een groter negatief potentiaal hebben dan de koperstaaf. Er ontstaat een potentiaalverschil tussen de elektroden, gelijk aan het verschil tussen de beide standaardelektrodepotentialen.

Door een elektrische verbinding aan te brengen tussen de zink- en de koperstaaf zullen de elektronen van de meer negatief geladen zink-elektrode (de anode) naar de minder negatief geladen koper-elektrode (de kathode) gaan. Er loopt nu een elektrische stroom die tegengesteld is aan de elektronenstroom.

Op hetzelfde moment zal ook een ionenstroom op gang komen. Voor iedere twee elektronen die van de zink- naar de koperstaaf lopen zal een Zn-atoom in de elektrolytoplossing gaan als Zn²⁺-ion. Dit proces – het afstaan van elektronen – wordt oxidatie genoemd en vindt plaats aan de anode.

Omdat de koperstaaf er twee elektronen bij krijgt moeten deze gebonden worden aan een Cu²⁺-ion uit het elektrolyt, wat als een koper-atoom zal neerslaan op de koperstaaf. Dit proces – het opnemen van elektronen – wordt reductie genoemd en vindt plaats aan de kathode.

Het gevolg hiervan is dat in het kopersulfaat een overschot aan SO₄²⁻-ionen ontstaat en in het zinksulfaat een tekort. Door tussen beide vloeistoffen een zoutbrug (bijvoorbeeld van kaliumchloride) of poreuze schijf aan te brengen wordt dit evenwicht hersteld. Het galvanische element kan nu net zo lang elektriciteit leveren totdat de gehele zinkstaaf is opgelost of totdat alle koperionen neergeslagen zijn op de koperstaaf.