Forsøk og praktisk arbeid

Passer for

  • kjemi 2

Tidsbruk

  • 180 minutter

Lag et enkelt batteri

Dette er et åpent forsøk som har fokus på kreativitet, koblingen mellom fysikk og kjemi og forståelse av elektrokjemi.

 Forsøket kan legges opp som en konkurranse om å lage det beste batteriet. Underveis må du kanskje svare på spørsmål som: ”Får vi lov å koke konsentrert svovelsyre?” Husk at det ikke er sikkert du ønsker å komme på første siden i avisa!

 "Spillereglene" for forsøket er som følger:

  • Hver gruppe skal lage et batteri.
  • Det er ikke lov å bruke serie- eller parallellkoblinger.
  • Det er ikke lov å bruke mer enn to begerglass på maks 150 mL.
  • Det er lov å forandre og forbedre oppskriften innenfor en gitt tidsramme.
  • Det skal gjøres en risikovurdering av forsøket.

Elevene skal i grupper utarbeide forslag til elektroder, elektrolytter, konsentrasjon og temperatur til første time. Forslagene bearbeides og prøves ut etter godkjenning fra læreren.

Faglig forklaring

Galvaniske celler

Et annet ord for galvanisk celle er spenningscelle. I en galvanisk celle setter en spontan redoksreaksjon opp en spenning. Ved måling av standard cellepotensialet, E0celle, er standardbetingelsene som følger:

  • alle ionekonsentrasjoner er 1 mol/L,
  • temperaturen er 25 oC
  • og alle gasstrykk er 1 atm

Cellepotensialene i elevenes tabell er målt mot standard hydrogenelektroden. Når elevene skal måle cellespenningen i sine celler vil de måle et noe lavere potensial enn det maksimale potensialet. Dette skyldes at en del av potensialet går med til å overvinne den indre motstanden i cellen.

 

Standard oppsett for cellediagram

For å lage et enkelt batteri må det settes sammen to halvceller.

Oksidasjonen skjer i anoden, reduksjonen skjer i katoden.

        Anode celle ( + )   ||       Katode celle ( - )

Zn(s) | Zn2+ (1 mol/L)    || Cu2+(1 mol/L)|Cu(s)

De to halvcellene må kobles sammen slik at anoden blir tilført negative ioner og katoden blir tilført positive ioner. Dette må til for at det skal være en ladningsbalanse i cellen. En saltbro kan sørge at det blir ladningsbalanse.

 

Batteriets kapasitet

Beregn batterikapasiteten i Ah (eller mAh) ved å måle effekt (W) og tiden den brukes (h).

P = effekt i watt (W) , U = spenning i volt (V), I = strøm i ampére (A), P = U x I

Regneeksempel
Spenningen er 12V. Ett kjøleskap à 30W, fire lanterner à 10W = 40W og ett TV-apparat à 60W blir brukt i hhv. 7, 4 og 2 timer:

(30W : 12V) x 7 timer = 17,5 Ah
(40W : 12V) x 4 timer = 13,3 Ah
(60W : 12V) x 2 timer = 10,0 Ah


Totalt forbruk = 40,8 Ah. (For riktig kapasitet, beregn ett døgns forbruk uten lading eller benytt batterifaktor 1,2-1,6 x Ah.

Vanlige AA-batterier har en kapasitet på 2-3 Ah. For batterier vi kan lage på skolen er kapasiteten enda lavere.

 

Effekten av konsentrasjon på cellepotensial - Nernst likning

Dersom alle konsentrasjonene i cellen er 1,0 mol/L, er E0celle = E0red- E0oks.  Nernst likning kan brukes til å regne ut cellepotensialet i celler som ikke er under standard betingelser. I en fortynnet løsning ved 25 oC kan man si at

Ecelle =E0celle + (0,0592V/ n ) x log (coks / cred)

Dette er Nernst liking. Der er n antall mol elektroner i den balanserte likningen,

E0celle = E0red- E0oks, coks er ionekonsentrasjonen i anoden (der det foregår en oksidasjon) og cred er ionekonsentrasjonen i katoden (der det foregår en reduksjon)

Eksempel ved T = 25 oC

Zn(s) | Zn2+ (1,5 mol/L) || Cu2+(1,0 mol/L)|Cu(s)

Ecelle =1,10V + (0,0592V /2) x log(0,5/1,0) = 1,11 V

Ecelle er noe lavere ved betingelsene i eksemplet enn ved standard betingelser.

Kommentarer/praktiske tips

Definer hva som menes med det beste batteriet. Det enkleste er kan være å si at det beste batteriet er batteriet med den høyeste cellespenningen. Men stabil drift, pris og miljøvennlige alternativer kan også være kriterier som skal oppfylles.

De fleste ”hjemmelagde” batterier lades ut svært fort. For å få et inntrykk hva batteriet er god for kunne elevene måle den høyeste strømmen de får (om så bare over veldig kort tid). Det er ikke vanskelig å få en relativ høy spenning i enkle batterier laget på skolelaboratoriet. Utfordringen er å få høy strøm. Dette kan være utgangspunkt for en diskusjon omkring elektrisk drevne biler. 

Det er mange utfordringer i dette forsøket:

Saltbro

  • Elevene glemmer at de trenger en saltbro.
  • Elevene synes det er vanskelig å lage saltbroen.

Noen praktiske tips

Fyll et u-rør med en relativt konsentrert saltoppløsning tett åpningene med bomull. Urøret kan også fylles med en saltgel. Pass på at ionene kan bevege seg fritt inn i halvcellene. Hvis saltbroen ikke fungerer blir det ingen cellespenning.

KCl eller Na2SO4 er som regel godt egnet i en saltbro, men elevene bør bruke tabellen med cellepotensialer og sjekke om ionene i saltløsningen kan forstyrre de reaksjonene de ønsker å ha cellen.

Elevene trenger ikke å bruke to begerglass, metallelektroder og en saltbro. Hvis de for eksempel ønsker å lage et blybatteri kan de plassere elektroder av bly og blyoksid i svovelsyre også måle cellespenningen.

 

Måleresulater

Hvis elevene holder temperaturen i cellen lik 25 oC kan de bruke Nernstlikningen til å regne ut det teoretiske cellepotensialet for cellen.

Det kan være vanskelig å få målinger som stemmer med denne verdien pga indre motstand i cellen og fordi motstanden i måleinstrumentene kan være stor.

Ved å variere halvcellene, konsentrasjoner og temperatur kan elevene påvirke cellepotensialet i cellen.

Hvis elevene ønsker å undersøke hva som skjer hvis de endrer flere variabler, må de gi en faglig begrunnelse for valg av elektrolytt, elektrode, konsentrasjoner og temperatur og de bør gi en faglig begrunnelse for hvorfor potensialet endrer seg når de endrer betingelsene.

 

Vurdering

Elevene skal i notatene sine dokumentere hele prosessen for dette arbeidet. De må begrunne valg av elektroder og elektrolytter, kommentere forsøksdesign og resultatene, og skrive en refleksjon over hva de har lært gjennom å gjøre dette forsøket. Elevene bør dessuten forklare følgende:

  • hvorfor de trenger to halvceller for å lage et batteri
  • hvorfor de ikke kan bruke vann som elektrolytt
  • hvordan saltbroen virker

Notatene fra dette forsøk er godt egnet som en del av en mappevurdering i faget. Dette kan også brukes til å forberede elevene til muntlig eksamen, hvis rammen for eksamen er 48 timer forberedelse med praktisk arbeid.

Aktuelle kompetansemål i læreplanen

Læreplan i kjemi - programfag i studiespesialiserende utdanningsprogram

  • Kjemi 2
    • Forskning
      • publisere rapporter fra egne forsøk, med og uten digitale verktøy
    • Redoksreaksjoner
      • balansere redoksreaksjoner ved hjelp av halvreaksjoner og oksidasjonstall
      • gjøre forsøk med elektrokjemiske celler og gjøre rede for spontane og ikke-spontane redoksreaksjoner
      • beregne kapasiteten og cellepotensialet til et batteri og utbyttet i en elektrolyse

Materialer og utstyr

  • voltmeter
  • amperemeter
  • ledninger og krokodilleklemmer
  • enkelt glassutstyr
  • valgfritt materiale til elektroder og elektrolytter