PWS Elektrochemische cel Hoe maak je eenvoudig een betrouwbare elektrochemische cel?

Transcriptie

1 PWS Elektrochemische cel Hoe maak je eenvoudig een betrouwbare elektrochemische cel? Gemaakt door: Begeleider: Vak: Sybold Hijlkema V6A Jelmer Sierksma V6A F. Meindertsma Scheikunde

2 Als we wisten wat we deden, heette het geen onderzoek. Albert Einstein 2

3 Inhoudsopgave Inleiding 4 Algemene theorie 5 Geschiedenis van de elektrochemische cel 7 Theorie en uitslagen 8 Citroenbatterij 9 Zuil van Volta 11 Koper-Zink Batterij 14 Loodaccu 18 Redoxreacties opstellen 23 Loodaccu onderzoek 25 Spanning en stroomsterkte 26 Hogere molariteit (50% zwavelzuur) 28 ph-waarde van Zwavelzuur 39 Verschillend aantal anodes en kathodes 30 Led-lamp 33 Lange meting 34 Bouwplan elektrochemische cel 36 Batterijen van de toekomst 37 Conclusie 40 Bronnenlijst 42 Logboek 44 Bijlage meetwaardes en berekeningen 47 3

4 Inleiding Hoe kan het dat uw mobiel of laptop het blijft doen zonder dat het aan de netstroom zit. Een batterij zegt u natuurlijk. Echter heeft u de batterij wel eens uit uw apparaat gehaald. Want de batterij ziet er uit als een blok zwaar plastic. Maar het kan wel één van de belangrijkste dingen voor onze maatschappij opwekken, stroom. Hoe kan het nu dat een zwaar blokje plastic dit kan doen? Ik kan u nu al verklappen dat het komt door wat er in het plastic omhulsel zit. Wat hierin zit en hoe het werkt, dat, onder anderen, zullen wij u in dit verslag uitleggen. een verslag met als doel om deze vraag op te lossen: Hoe maak je eenvoudig een betrouwbare elektrochemische cel? wij zijn beiden zeer geïnteresseerd in de Beta studierichting en voornamelijk in de natuurkundige en scheikundige takken. Aangezien dit onderwerp met beide afdelingen te maken heeft leek ons dit het juiste onderwerp voor een onderzoek. Je moet je kennis van beide richtingen combineren om de juiste gegevens uit je onderzoeken te krijgen. Toen we voor het eerst dit onderwerp voorbij hoorden komen in een gesprek waren we het er bijna meteen over eens dat dit het juiste onderwerp was voor een project. Ondanks dat we bezig waren in het vakgebied waarbij onze interesse ligt, stonden we af en toe wel voor een flinke uitdaging. Maar die hebben we uiteindelijk weer opgelost. We vonden het project en de uitdagingen die het met zich mee gaf een unieke ervaring. We willen vooraf ook nog een aantal mensen bedanken, zonder hen was dit project niet mogelijk geweest. Mr. F. Meindertsma - Voor het begeleiden van onze groep en het steunen van onze ideeën en het vertrouwen in ons. Mr. G. Griffioen - Voor het beschikbaar stellen van het glaswerk en de benodigde stoffen en oplossingen en het begeleiden van sommige proefjes. Mr. Mollema - Voor het beschikbaar stellen van het meetapparatuur en andere elektronica die noodzakelijk was voor ons onderzoek. Leest u door, dan zal u de wondere wereld van de elektrochemische cellen ontdekken! 4

5 Algemene Theorie Eerst willen we u nog informatie geven over batterij namen, om het beeld van de verschillende batterijen en hun werking zo compleet mogelijk te maken met de achterliggende scheikunde. Batterijen zijn er in verschillende soorten en maten, van de bekende AA en AAA batterijen tot de kleine batterijtjes voor horloges of grote accu s voor auto s. Hierbij komen we direct ook terecht bij verschillende naamgeving. Namelijk: waarom heet de elektrochemische cel, het onderdeel dat door middel van scheikundige reacties (Redoxreacties) een spanningsverschil opwekt, bij horloges een batterij en bij auto s een accu genoemd. Technisch is er geen verschil tussen de twee benamingen. Echter in de huidige maatschappij wordt het woord batterij vaak genoemd bij een elektrochemische cel die niet kan worden herladen. En de woorden oplaadbare batterij en accu worden vaak genoemd bij cellen die wel kunnen worden herladen. Dus in principe is de accu in de auto gewoon een grote oplaadbare batterij. In dit verslag wordt met batterij een elektrochemische cel bedoelt, tenzij anders vermeld. Hierboven hebben we het woord redoxreactie gebruikt, dit woord duidt aan wat voor soort scheikundige reactie het is. Later in dit verslag zullen Redoxreacties worden gebruikt om te voorspellen en te beredeneren welke reacties er plaats vinden, en met die reacties berekeningen te doen. In het kort komen redoxreacties erop neer dat er twee (opgeloste) stoffen zijn. Één stof heet de reductor en de andere de oxidator (respectievelijk afgekort: Red en Ox) Vandaar ook het woord RedOxreactie. De namen reductor en oxidator zijn ter aanduiding van bepaalde stoffen die een eigenschap hebben. De reductor kan een elektron afstaan, en een oxidator kan een elektron opnemen, bijvoorbeeld: Oxidator: 2 H + (aq)+ 2 e - H 2 (g) Reductor: Zn (s) Zn 2+ (aq) + 2 e - Hierbij staan de H + (waterstofionen) en het Zn (vast zink) voor de stoffen die met elkaar in een redoxreactie kunnen reageren. En de e - staat voor de elektronen die worden afgestaan (links van de pijl) of opgenomen (rechts van de pijl). De kleine woordjes (in subscript of superscript) zijn op dit moment irrelevant voor het begrijpen van redoxreacties. Ze moeten echter wel er bij staan om de halfreactie scheikundig goed aan te duiden. De halfreacties van een redoxreactie zijn de componenten waaruit de redoxreactie bestaat, bijvoorbeeld: Zn (s) + 2 H + (aq) Zn 2+ (aq) + H 2 (g) Hierboven staat de redoxreactie van de twee halfreacties die eerder genoemd zijn. Zoals te zien is, zijn de twee reacties gecombineerd tot één reactie. En de elektronen zijn weg gehaald doordat aan beide kanten van de pijl evenveel elektronen waren. De reductor en oxidator kunnen onder bepaalde omstandigheden een reactie veroorzaken wat tot gevolg heeft dat er elektriciteit wordt opgewekt. Echter de mate waarin de elektriciteit wordt 5

6 opgewekt is afhankelijk van verschillende factoren, en kan in positieve maar ook in negatieve zin door de factoren worden beïnvloed. Of zelfs worden omgekeerd (opladen van een oplaadbare batterij of accu). Om een reductor en een oxidator te kunnen gebruiken om stroom op te wekken moeten ze met elkaar verbonden worden door een stroomdraad, zodat er elektronen overdracht kan plaatsvinden tussen de reductor en de oxidator. Een schematisch voorbeeld van de eerder genoemde redoxreacties staat op bladzijde 9 van dit verslag. Zoals eerder is gezegd, staat de reductor één of meer elektronen af, en neemt de oxidator één of meer elektronen op. Dus zullen de elektronen, als de reductor en oxidator verbonden zijn met een stroomdraad, van de reductor naar de oxidator stromen. Dit stromen van de elektronen kan worden gebruikt om bijvoorbeeld dingen te laten bewegen, en kan worden gemeten met behulp van een stroommeter (ampèremeter) en een spanningsmeter (voltmeter). Oftewel, dit stromen is elektriciteit. De kant waar de elektronen worden afgestaan (reductor) heet ook wel kathode, dit is de negatieve kant. De kant waar de elektronen worden opgenomen (oxidator) heet ook wel anode, dit is de positieve kant Door een foutje van iemand in de vroegere natuurkunde wordt de kant waar de elektronen in gaan positief ( + ) genoemd, en de kant waar de elektroden uit komen negatief ( - ). Echter er zijn verschillende voorwaarden waar aan een reductor en oxidator moeten voldoen voordat ze kunnen worden gebruikt voor het opwekken van elektriciteit: De oxidator moet boven de reductor staan in tabel 48 van BINAS (bij het ontladen) De stoffen die als reductor en oxidator reageren, moeten stroom kunnen geleiden, zodat de elektronen van en naar de knijper en stroomdraden kunnen stromen. De stoffen mogen niet onderling een reactie aangaan zonder daar de stroomdraden te gaan. De stoffen aan de linker en de rechter kant moeten geneutraliseerd worden, want een oplossing kan niet positief of negatief geladen zijn. Hierdoor wordt het dus lastig om zelf een redoxreactie op te stellen om elektriciteit op te wekken. Zoals later ook duidelijk wordt in dit verslag met bepaalde reactievergelijkingen op bladzijde 24. Hierboven zijn alleen de voorwaarden genoemd voor het opwekken van elektriciteit door chemische reacties. Maar er moet bijvoorbeeld ook nog aan de veiligheid gedacht worden. Denk hierbij aan het gevaar van vergiftiging en ontploffing. Als er bijvoorbeeld een stof wordt gebruikt die als reactieproduct (rechts van de pijl) een gas heeft, zal de redoxreactie een gas produceren. Als dit gas niet door een andere chemische reactie naar vast of vloeibaar wordt omgezet, zou een afgesloten ruimte waarin de reactie plaats vindt kunnen ontploffen door de druk. In het eerder genoemde voorbeeld, staat aan de rechterkant waterstofgas (H 2(g) ). Deze reactie zou dus niet in grote hoeveelheid in een afgesloten ruimte mogen plaatsvinden, door het explosiegevaar door de druk. Als er giftige stoffen worden gebruikt, zoals chloorgas, en deze reactie niet in een zuurkast plaats vindt of in een afgesloten ruimte waarin het chloorgas weer met een andere stof reageert, kan dit voor serieuze gezondheidsproblemen zorgen voor alle omstanders. 6

7 Geschiedenis van de elektrochemische cel Batterijen bestaan al langer dan je denkt. In 1938 vond de archeologist Wilhelm Konig een paar opvallende potten gemaakt van klei, toen hij aan het graven was bij Khujut Rabu, net buiten het hedendaagse Bagdad (Irak). De potten waren ongeveer 13 cm lang en er zat een ijzeren staaf in die was ingepakt in koper. De potten dateerde uit ongeveer 200 v.chr.. Uit testen bleek dat de potten ooit eens waren gevuld met een zure vloeistof, waarschijnlijk azijn of wijn. Hierdoor kreeg Konig het vermoeden dat het ging om oude batterijen. Sinds de ontdekking van de batterijen zijn er een aantal replica s gemaakt door geleerden en expert en ze waren instaat om er een elektrische lading mee te produceren. Deze batterijen werden waarschijnlijk gebruik in religieuze rituelen of misschien zelfs wel voor galvanisatie (het gebruiken van elektriciteit om een voorwerp te bedekken met een dun laagje metaal). De term batterij werd voor het eerst gebruikt door Benjamin Franklin. Hij gebruikte het in 1748 om een rij elektrisch geladen glasplaten aan te duiden (tot die tijd had de term batterij alleen de betekenis van een in een rij opgestelde artilleriekanonnen). In die periode maakten geleerden batterijen door een aantal Leidse flessen parallel te schakelen. Leidse flessen zijn wijnflessen met erbinnen geleidend water. Het glas van de fles functioneert als een isolator. en om het glas heen zit een laag tinfolie en aan de bovenkant van de fles zit een bolvormige elektrode waardoor je de lading kan laten toenemen of afnemen. Je kunt een Leidse fles opladen door middel van een elektriseermachine. De leidse fles is geen Elektrochemische cel want er word alleen energie opgeslagen en niet Energie gemaakt met redoxreacties. Voor de Bagdad-batterij werd altijd gedacht dat de moderne batterij was bedacht door de Italiaanse natuurkundige Alessandro Volta. Volta bedacht in 1799 een batterij door afwisselend lagen van Zink, met Pekel doorweekte doeken en zilver op te stapelen. Deze rangschikking, genaamd naar de ontdekker: de Zuil van Volta was niet het eerste apparaat wat stroom opwekte maar was wel de eerste die een stabiele, langdurige stroomtoevoer kon opwekken. Hij kwam op het idee voor deze batterij door de experimenten van zijn vriend Luigi Galvani. Deze geleerde toonde aan dat de spieren van kikkers samentrokken als je er verschillende metalen pinnen instak. Alleen waren er wel wat nadelen aan de Zuil van Volta: De hoogte van de lagen was beperkt, omdat als je het te hoog maakte werd de Pekel uit de doeken geperst. En de metalen schijven die werden gebruikt corrodeerden snel waardoor de levensduur van de batterij omlaag ging. Ondanks deze tekorten is nu wel de SI-Eenheid van celspanning naar hem vernoemd (Volt). De volgende doorbraak in accu technologie kwam in 1836 en was bedacht door de Engelse chemicus John Frederick Daniell, de uitvinder van het Daniell-element. In deze vroege batterij werd een koperen plaat geplaatst op de bodem van een glazen pot die voor de helft gevuld werd met een kopersulfaat-oplossing. Vervolgens werd een zinkplaat opgehangen in de pot, en een zinksulfaat oplossing toegevoegd. Omdat kopersulfaat een grotere dichtheid heeft dan zinksulfaat, kwam de zink oplossing bovenin in de koperoplossing drijven en ging het om de zinkplaat heen zitten. De draad die was aangesloten op de zinkplaat was de draad die de minpool vertegenwoordigde, terwijl een vanaf de koperplaat aangesloten draad als de pluspool functioneerde. Uiteraard zou deze opstelling niet goed hebben gefunctioneerd in een zaklamp, maar voor stationaire toepassingen werkte het prima. De Daniell cel was in feite wel een veel voorkomende manier om deurbellen en telefoons van stroom te voorzien. In de Verenigde Staten in 1898 werd de Colombia Dry Cell als eerste commerciële batterij verkocht. 7

8 Theorie en resultaten Een aantal soorten van elektrochemische cellen hebben we gebouwt en daarmee geprobeert om elektriciteit op te wekken. Om hiermee een effieciente en eenvoudige elektrochemische cel te vinden die later groter kan worden gemaakt, zodat er gemakkelijk elektriciteit mee kan worden gemaakt. De verschillende soorten elektrochemische cellen waar we het over gaan hebben zijn: Batterij 1: Citroenbatterij Deze elektrochemische cel werkt door simpel weg een koper en een zink plaatje op een afstandje in een citroen te drukken. Batterij 2: Zuil van Volta Deze elektrochemische cel krijgt zijn werking door steeds in een volgorde papier (met een zure oplossing), koper en aluminum te stapelen. Batterij 3: Koper-Zink Batterij Deze elektrochemische cel bestaat uit twee halfcellen die met behulp van koper, zink en een zoutbrug elektriciteit kan opwekken. Batterij 4: Loodaccu Deze elektrochemisce cel heeft maar één compartiment met vloeistof, in tegenstelling tot de koper zink batterij. En heeft daarnaast alleen een zwavelzuuroplossing en twee loodplaatjes nodig om te werken. 8

9 Citroen Batterij Benodigdheden Citroen Koperplaatje Zinkplaatje Krokodillenbekje (klemmetje) (2x) Stroomdraad (4x) Voltmeter Ampèremeter Weerstandje (5 Ohm) Stopwatch Foto van citroenen. Plan van aanpak Stap 1. Plaats de klemmen op de plaatjes en sluit deze in serie aan op de weerstand en de ampère meter. Stap 2. Sluit vervolgens de voltage meter aan in parallel. Stap 3. Plaats de koper en zink plaatjes in een citroen. Stap 4. Start de stopwatch. Stap 5. Lees de meters af, en noteer de resultaten op bepaalde tijdseenheden. Schematische weergave van de opstelling voor een citroen batterij. 9

10 Verwachte resultaten De redoxreactie die moet gaan plaatsvinden is tussen het citroenzuur (2-hydroxy-1,2,3- propaantricarboxylzuur / C 6 H 8 O 7 ) en het zink van het zinkenplaatje. De redoxreactie ziet er als volgt uit: Halfreactie: (2 H + (aq)+ 2 e - H 2 (g) ) 1x (Zn (s) Zn 2+ (aq) + 2 e - ) 1x Redoxreactie: Zn (s) + 2 H + (aq) Zn 2+ (aq) + H 2 (g) Als de reactie volgens plan gaat ontstaan er in de citroen waterstofgas en zink-ionen (in zeer kleine hoeveelheden) de hoeveelheid zink op het plaatje zal ook gaan afnemen maar ook dat is nauwelijks merkbaar omdat het om kleine hoeveelheden gaat. Met het koper gebeurt er niets. er kan geen redoxreactie tussen het koper en het citroenzuur plaatsvinden omdat de oxidator een hoger standaardelektrodepotentieel heeft dan het zuur. Het dient alleen voor de geleiding van de stroom. er zal een stroom moeten ontstaan van 0,76 volt (0,76-0) volgens Binas 48. Resultaten bij de metingen kregen we 2 keer een piek van 0,001 mv Evaluatie De Citroenbatterij viel heel erg tegen. Hij gaf maar een heel klein beetje spanning en de hoeveelheid elektrische stroom was zo laag dat we het niet eens konden meten. De enigste manier hoe we een redelijk hoeveelheid stroom zouden kunnen krijgen is een heel groot aantal citroenen parallel aan elkaar te zetten en dan zou de stroomsterkte nog niet vergelijkbaar zijn met een normale AA batterij. Dus onze conclusie is dat de citroen een slechte batterij is die alleen maar zou kunnen werken als er met grote aantallen citroenen, koper- en zinkplaatjes wordt gewerkt. Een voorbeeld van hoe de citroen batterij eruit zag 10

11 Zuil van Volta Benodigdheden Sterk papier (karton) Koper muntjes ( ) Aluminiumfolie Tape Keukenpapier Een zuur ( keukenazijn ) Stroomdraad (6x) Voltmeter Ampèremeter Stopwatch Weerstandje (5 Ohm) Plan van aanpak Een oude tekening van hoe een zuil van volta vroeger gemaakt werd. Stap 1. Maak van het sterke papier een koker met een evengrote binnen diameter als de diameter van de muntjes. Stap 2. Sluit de koker aan een kant af met aluminiumfolie en bevestig dit met tape. Stap 3. Maak nu schijfjes van aluminiumfolie en keukenpapier met dezelfde diameter en dikte als de muntjes. Stap 4. Dompel de schijfjes keukenpapier in het zuur ( keukenazijn ). Stap 5. Stapel in deze volgorde de muntjes op elkaar in de koker: keukenpapierschijfje - kopermuntje - aluminiumfolieschijfje De koker heeft nu aan de ene buitenkant aluminium en aan de andere buitenkant met koper. Stap 6. Sluit aan beide kanten van de koker een stroomdraad aan. Stap 7. Verbindt de draadjes met een weerstandje en zet daaroverheen in parallel een voltmeter. Stap 8. Houdt de voltmeter in de gaten en noteer de waarden op bepaalde tijdseenheden. Verwachte resultaten Het aluminium zal volgens onderstaande reacties reageren met het azijnzuur, en hierbij zal het aluminium langzaam oplossen. Het zuur zal reageren tot een gas. 11

12 Halfreacties (2H + (aq)+ 2 e - H 2 (g) ) 3x (Al (s) Al 3+ (aq) + 3 e - ) 2X Redoxreactie 2Al (s) + 6H + 2Al 3+ (aq) + 3H 2 (g) Schematische weergave van de onderdelen van de zuil van volta. Bij deze batterij is het azijnzuur de oxidator en het aluminiumfolie is de reductor. Het zuur reageert wederom niet met het koper want het koper (de reductor) staat boven de oxidator [H + ]. En volgens Binas tabel 48 zal er bij deze batterij een voltage van (1,67-0 =) 1,67 V (spanning) worden opgewekt. Resultaten Bij de test die we voor de pws-week deden kregen we een uitslag van 6,9 volt. Toen we verder gingen testen in de pws-week kregen we steeds hogere resultaten met nieuwe Zuilen van Volta: uiteindelijk kregen we een piek van 13,9 Volt. Bij het meten van oudere Zuilen van Volta bleek dat het steeds minder voltage opleverde in een zeer korte tijd, en als ze ouder waren dan 30 minuten gaven ze helemaal geen voltage meer af. Bij al deze testen gebruikten we azijnzuur met een molariteit van 0,1 en rond de 10 a 15 koperen muntjes. Foto van de drie door ons gemaakt zuil van volta batterijen. Foto van een werkende zuil van volta die kort 13,92 spanning leverde. 12

13 Evaluatie De zuil van Volta deed zijn naam wel eer aan, het leverde meer voltage dan alle andere batterijen. Dat kwam omdat er eigenlijk meerdere redoxreactie achter elkaar waren die op hetzelfde moment liepen, waardoor er een serie schakeling ontstond, in een serieschakeling worden de voltages bij elkaar opgeteld. Hierdoor kregen we een batterij met een voltage die piekte op ongeveer 14 volt, die net iets groter was dan een standaard C batterij. Helaas had het niet veel vermogen want we kregen net 7,7 ma, en die piek was heel kort. Dit zou je misschien kunnen verhogen door er een transformator tussen te zetten maar dan gaat ook het Voltage omlaag. Een nog groter probleem is dat het water van het azijnzuur te snel verdampt en of reageert, waardoor de redoxreactie al snel niet meer kan plaatsvinden. Onze conclusie: de Zuil van Volta is niet een efficiënte en geschikte batterij voor ons. 13

14 Koper Zink batterij Benodigdheden Maatcilinder 250 ml (2x) Kopersulfaat oplossing Zinksulfaat oplossing Koper elektrode Zink elektrode Zoutbrug (papier en kaliumchloride) Voltmeter Ampèremeter Weerstandje (5 Ohm) Stroomdraad (6x) Krokodillenbekje (klemmetje) (2x) Stopwatch Plan van aanpak Stap 1. Schenk de kopersulfaat oplossing en de zinksulfaat in een aparte maatcilinder. Foto van een Koper Zink batterij tijdens het testen. (links koper en rechts zink) Stap 2. Verbindt een van de stroomdraden met de koperelektrode en de voltmeter. En verbind de andere stroomdraad met de zinkelektrode en de voltmeter. Stap 3. Plaats de koperelektrode in de oplossing met kopersulfaat. En de zinkelektrode in de oplossing met zinksulfaat. Stap 4. Dompel een stuk papier in een kaliumchloride oplossing (zoutbrug) Let op! de reacties beginnen nadat de zoutbrug in de beide vloeistoffen zit, en dan dus een gesloten stroomkring vormt! (Doordat de stroomdraden al aangesloten zijn) Stap 5. Leg de zoutbrug met een kant in de kopersulfaat oplossing en met de andere kant in de zinksulfaat oplossing, en start onmiddellijk de stopwatch. Stap 6. Houdt de voltmeter in de gaten en noteer de waarde op bepaalde tijdseenheden Verwachte resultaten Koper heeft het symbool Cu, zink heeft het symbool Zn. In tabel Binas 48 staan de koperionen Cu 2+, boven de koperionen Cu + en de zinkionen Zn 2+. Dus de oxidator is kopersulfaat (sulfaat reageert niet mee). In tabel Binas 48 staat zink Zn, onder de koper Cu. Dus de reductor is zink. Aangezien de oxidator boven de reductor staat kan de reactie verlopen. De oxidator of de reductor kunnen niet reageren met sulfaat of met de glaswand. Dus de enige reacties die mogelijk zijn staan hieronder: 14

15 Halfreacties: (Cu 2+ (aq)+ 2 e - Cu (s) ) (Zn (s) Zn 2+ (aq) + 2 e - ) x1 x1 Redoxreactie: Cu 2+ (aq) + Zn (s) Zn 2+ (aq) + Cu (s) Aan deze reactievergelijkingen te zien zal de zinkelektrode langzaam van omvang afnemen, aangezien het zink naar zink-ionen wordt omgezet. En zal de koperelektrode langzaam van omvang toenemen, aangezien de koper-ionen worden omgezet naar vast koper. De voltmeter zal volgens het standaardelektrodepotentiaal rond de 1,1 V aanwijzen. ( standaardelektrodepotentiaal: 0,34 V + - 0,76 V = 1,1 V ) Maar kan ook sterk er van afwijken doordat het elektrodepotentiaal afhankelijk is van verschillende factoren, zoals concentratie en temperatuur. Ook zal de concentratie kalium ionen in de kopersulfaat oplossing toenemen en de chloride ionen in de zinksulfaat oplossing. Resultaten Schematische weergave van de werking van een Koper Zink batterij De koper-zink batterij gaf de resultaten die we hadden verwacht(1,06 V) maar de spanning was niet stabiel. De omstandigheden moesten ideaal zijn, anders was er niet een spanning meetbaar. er zat ook geen verschil in welke zoutbrug werd gebruikt: verschillende lengte en breedte van de gelzoutbrug gaven allemaal dezelfde waardes. Ook als je de uitkomsten van de papieren zoutburg vergelijkt met de uitslagen van de Gel-zoutbruggen is er geen merkbaar verschil. Voorbereiding om de gel zoutbrug te maken 15

16 Opstelling om de gel zoutbrug te maken Opstelling voor het uit testen van de zink koper batterij met de gel zoutbruggen. Met de nummers 2 en 4 wordt respectievelijk 2 molair en 4 molair aangeduid. Foto van een Gel zoutbrug die net uit zijn omhulsel komt. Zink koper batterij tijdens het testen, met een onstabiele spanning van 2,9 V De batterij moest scheef worden gehouden, omdat de zoutbruggen net te kort waren. Zoutbruggen na de proefjes. 16

17 Evaluatie De Zink-Koper batterij De zink-koper batterij werkte wel maar een stuk minder goed dan gedacht. Het leverde een redelijk voltage van 1,10 volt zoals voorspelt. Ook de hoeveelheid stroomsterkte was goed. Alleen was de batterij heel erg onstabiel. De spanning en de stroomsterkte schommelden steeds en vaak schoot het ook weer terug naar 0. Dit komt volgens ons omdat de zoutbrug heel erg onstabiel was. Het maakte niet uit of we een zoutbrug gebruikten op gel basis of een die werkte via papier. Als we een goede betrouwbare zoutbrug hadden zou het volgens ons veel beter hebben gewerkt. We hebben twee verschillende soorten zoutbruggen geprobeerd: - De eerste soort was een zoutbrug van papier. Hierbij verzadigden wij papier met kaliumchloride. - De tweede soort was een zoutbrug gemaakt van gel. Hierbij maakten we met behulp van gelatine en een gel, en in het bereidingsproces van de gel stopten we er kaliumchloride in. Deze vloeistof goten we langzaam en voorzichtig in een plastic buisje die van de onderkant werd afgesloten. Waarna we de luchtbelletjes eruit probeerden te halen. Onze conclusie: De zink-koper is een goede batterij maar heel erg afhankelijk van de zoutbrug, als de zoutbrug ook maar een beetje tegen werkt word de hele batterij onbetrouwbaar. Om het principe van een batterij met twee halfcellen nog een keer te testen, hadden we dezelfde opstelling gebruikt als beschreven bij de koper zink batterij. Echter ditmaal gebruikten we magnesium in plaats van koper, en koolstof in plaats van zink. Bij deze batterij was de redoxreactie en de resultaten zeer vergelijkbaar met de koper zink batterij. 17

18 Lood accu Benodigdheden Maatcilinder 250 ml Zwavelzuur oplossing Loodplaatje (2x) Voltmeter Ampèremeter Weerstand (5 Ohm) Stroomdraden (6x) Krokodillenbekje (klemmetje) (2x) Spanningskastje Stopwatch Plan van aanpak Foto van het uiterlijk van een loodaccu in de praktijk. Stap 1. Plaats de loodplaatjes in de maatcilinder. (de plaatjes mogen elkaar niet raken!) Stap 2. Schenk zo n 100 ml zwavelzuur in de maatcilinder. (zodat alleen het lood in het zwavelzuur zit, en niet de ijzerstaafjes voor het verbinden van de stroomdraden) Stap 3. Sluit de twee plaatjes aan met de krokodillenbekjes. Stap 4. Zet de voltmeter over de twee stroomdraden en zet de ampèremeter in serie met een kleine weerstand Stap 5. Sluit de twee overige draden op het spanningskastje (Let op! In het begin maakt het niet uit welk draadje op de positieve kant komt en welke op de negatieve kant. Echter hierna moet de stroomdraad dat op het plaatje zit die bruin is, ALTIJD op de positieve kant van het spanningskastje) Stap 6. Zet het spanningskastje op genoeg volt (ongeveer 5 V) zodat op de ampèremeter 100mA staat Stap 7. Wacht tussen een halfuur en een uur, zodat de loodaccu zichzelf heeft geactiveerd (hiermee bedoelen wij dat op één loodplaatje PbO 2 wordt gevormd en er PbSO 4 2- in de vloeistof zit) 18

19 Verwachte resultaten De lood accu bestaat alleen maar uit één omhulsel, loodplaatjes (met bedrading) en een zwavelzuur-oplossing. De redoxreactie die moet plaatsvinden om elektriciteit op te wekken is tussen lood (Pb (s) ), loodperoxide (PbO 2(s) ) en zwavelzuur (SO 4 2- (aq) + 2 H + (aq)). Echter er is geen loodperoxide in de loodaccu aanwezig in het begin, maar dit moet ontstaan uit andere reacties. Aangezien de waterstofionen en sulfaationen vrij kunnen bewegen in de vloeistof en dus ook bij het loodplaatje kunnen komen en daar de waterstofionen elektronen kan afstaan en het lood met het sulfaat die weer kunnen opnemen zal de volgende reactie vanzelf plaatsvinden: Redoxreacties Loodsulfaat (PbSO 4 ) reactie: Ox: 2 H + (aq) + 2 e - --> H 2(g) Red: Pb (s) + SO 4 2- (aq) --> PbSO 4(s) + 2 e - Redoxreactie: Pb (s) + SO 4 2- (aq) + 2 H + (aq) --> PbSO 4(s) + 2 H 2(g) Op dit moment bevat de accu nog steeds geen loodperoxide, maar bevat nu wel loodsulfaat Dus dit is nu inhoud: Pb (s), PbSO 4(s), [H + ], [SO ] En hiermee kunnen we de accu activeren (opladen): 2- ( Pb (s) + SO 4 (aq) --> PbSO 4(s) + 2 e - ) x 1 ( 2 H 2 O (l) + 2 e - --> H 2(g) + 2 OH - (aq) ) x 1 Samengevoegd wordt deze redoxreactie: 2- Pb (s) + 2 H 2 O (l) + SO 4 (aq) --> PbSO 4(s) + H 2(g) + 2 OH - (aq) 19

20 Batterij opladen: Loodperoxide plaatje: 2- PbSO 4(s) + 2 H 2 O (l) --> PbO 2(s) + SO 4 (aq) + 4 H + (aq) + 2 e - Lood plaatje: PbSO 4(s) + 2 e > SO 4 (aq) + Pb (s) Redoxreactie: 2-2 PbSO 4(s) + 2 H 2 O (l) --> PbO 2(s) + Pb (s) + 2 SO 4 (aq) + 4 H + (aq) Hieruit zien we nu dat alle onderdelen in de accu zitten. En dus kan hij nu weer worden ontladen volgens onderstaande reacties, en weer opgeladen volgens bovenstaande. De eerste keer opladen wordt ook wel activeren genoemd. Batterij ontladen: De rode kleuren zijn ter aanduiding dat die halfreactie niet kan verlopen, de groene kleur geeft aan dat die halfreactie wel kan verlopen. Het gaat hierbij om aan te duiden dat er meerdere halfreacties zijn die de aanwezige stoffen bevatten, maar de goede oxidator moet worden gekozen op grond van Binas tabel 48 Oxidator (loodperoxide plaatje) SO H 2 O + 2e - --> SO OH - (aq) Deze staat als oxidator lager dan de hier vernoemde derde halfreactie (zie de groene halfreactie) SO H + + 2e - --> SO H 2 O (l) Deze staat ook lager dan de eerder genoemde halfreactie. En in Binas 48 staat een opmerking dat deze halfreactie alleen zal verlopen als de vloeistof warm en geconcentreerd is. En de vloeistof is niet warm. Ditzelfde geldt voor de reactie met [2 H + ] PbO 2(s) + SO 4 2- (aq) + 4 H + (aq) + 2 e - --> PbSO 4(s) + 2 H 2 O (l) Deze halfreactie zal verlopen, deze staat het hoogste in tabel 48 en er zijn geen opmerkingen van Binas. Reductor (lood plaatje) Pb (s) + SO 4 2- (aq) --> PbSO 4(s) + 2 e - 20

21 Redoxreactie: 2- PbO 2(s) + Pb (s) + 2 SO 4 (aq) + 4 H + (aq) 2 PbSO 4(s) + 2 H 2 O (l) Redoxreacties samengevoegd: Omdat de reactie voor het laden omgekeerd is aan het ontladen, zie hieronder: 2- Opladen: 2 PbSO 4(s) + 2 H 2 O (l) --> PbO 2(s) + Pb (s) + 2 SO 4 (aq) + 4 H + (aq) 2- Ontladen: PbO 2(s) + Pb (s) + 2 SO 4 (aq) + 4 H + (aq) --> 2 PbSO 4(s) + 2 H 2 O (l) Hieruit concluderen wij: PbO 2(s) + Pb (s) + 2 SO 4 2- (aq) + 4 H + (aq) <--> 2 PbSO 4(s) + 2 H 2 O (l) Hierbij is de reactie naar rechts de reactie die plaats vindt bij het ontladen, en de reactie naar links de reactie die plaats vindt bij het opladen. Wij verwachten dus dat er PbO 2(s) zal worden gevormd bij het activeren / opladen en dat bij het ontladen dit gedeeltelijk weer weg gaat. Resultaten De eerste keer hadden we de accu 3 minuten opgeladen met 100mA en 3 V. Deze accu kon vervolgens ongeveer 2 minuten een redelijk constante stroomsterkte geven met een 5 Ohm weerstand. De tweede keer was de accu voor 10 minuten opgeladen, en de rest hadden we gelijk gehouden. Op dat moment kon de batterij ongeveer 1,5 minuut ontladen met een constante stroomsterkte. De derde keer hadden we de accu voor 30 minuten opgeladen. Echter tot in tegenstelling van de andere twee accu s ging de accu zo goed (hield het al 20 minuten vol) dat we besloten om weg te gaan en de volgende dag te kijken of hij nog spanning gaf. Dit was helaas niet het geval Foto van de opstelling hoe we de eerste batterij hadden getest. Voor de veiligheid staat de batterij (het bekerglas met het zuur) in de gootsteen. 21

22 Evaluatie De resultaten van de eerste test met de loodaccu sprongen meteen uit boven die van de testen die we ervoor hadden gedaan. De uitslagen waren niet alleen maar hoog (1,9 V) maar ze waren ook stabiel en langdurig. Er was alleen wel een kleine verbazing wanneer de accu bij de tweede keer opladen een lagere stroomsterkte en spanning gaf dan de eerste keer. Terwijl de accu 7 minuten langer was opgeladen. De derde keer opladen ging zo goed dat we dachten dat hij maar niet zou ophouden. We waren alleen wel veel te optimistisch om te denken dat de accu het bij de derde keer opladen een dag zou volhouden. Aangezien we bij het eerst opladen van de accu opeens een grote witte wolk ( PbSO 4(s) ) vanaf de anode zagen komen, denken wij dat de volgende reactie bij het activeren en opladen er verantwoordelijk voor is: 2- ( Pb (s) + SO 4 (aq) --> PbSO 4(s) + 2 e - ) x 1 ( 2 H 2 O (l) + 2 e - --> H 2(g) + 2 OH - (aq) ) x 1 Samengevoegd wordt deze redoxreactie: 2- Pb (s) + 2 H 2 O (l) + SO 4 (aq) --> PbSO 4(s) + H 2(g) + 2 OH - (aq) Dit zou ook de enorme toename van het bruisende effect (waterstofgas vorming) bij een verhoging van de spanning en de witte wolk ( PbSO 4(s) ) bij het opladen verklaren. In tegenstelling tot de eerder genoemde redoxreactie die vanzelf loopt doordat de oxidator boven de reductor staat. Luchtbelletjes (gasvorming) vanaf de kathode Een witte wolk (PbSO4(s)) komt vanaf de anode 22

23 Redoxreacties opstellen Om verder te kijken dan de soorten elektrochemische cellen die nu al bestaan, besloten we om zelf redoxreacties proberen op te stellen. De onderstaande redoxreacties gaven we in eerste instantie een kans, tot we verschillende voorwaarden er aan gingen stellen. Binas tabel 48 Bij deeltjes zonder toestandsaanduiding moet steeds (aq) worden gelezen. Eerst geven we de gebruikte halfreacties, waarna we deze combineren tot de complete redoxreactie. Hierna geven we onze conclusie waarom we denken dat de redoxreactie geen elektriciteit kan opwekken. Oxidator: ( MnO 2 (s) + 4 H e - --> Mn H 2 O (l) ) x 1 Reductor: ( Zn(s) --> Zn e - ) x 1 MnO 2 (s) + Zn(s) + 4 H + --> Mn 2+ + Zn H 2 O (l) Het probleem is hier dat je met twee positieve ionen komt te zitten. Wat er voor zou zorgen dat de oplossing positief geladen zou worden. En dit kan niet voorkomen in een oplossing, dus deze reactie zal niet plaatsvinden Oxidator: ( S(s) + 2 e - --> S 2- ) x 1 Reductor: ( Zn(s) --> Zn e - ) x 1 S(s) + Zn(s) --> ZnS(s) Het Probleem hier is dat S(s) een niet-metaal is, dus de elektronen kunnen niet door de zwavel heen (omdat het heel erg slecht stroom geleid) vanaf de stroomdraad naar het contactoppervlakte waar de S 2- (aq) zou moeten worden afgestaan. Oxidator: ( AgCl(s) + e - --> Ag(s) + Cl - ) x 1 Reductor: ( Zn(s) --> Zn e - ) x 1 2 AgCl(s) + Zn(s) --> 2 Ag(s) + Zn Cl - Het probleem hier is dat AgCl(s) een zout is in vaste vorm. En vaste zouten geleiden de elektronen niet, dus hierbij kunnen de elektronen niet vanaf de stroomdraad naar het oppervlakte komen waar de stof Ag(s) + Cl - zou afstaan als er een elektron beschikbaar was. 23

24 Oxidator: ( H 2 O e - --> 2 OH - ) x 3 Reductor: ( Al (s) --> Al e - ) x 2 3 H 2 O Al (s) --> 2 Al H 2 O (l) + 6 OH - Het probleem hier is dat het waterstofperoxide opgelost is in water. Dus deze reactie zal direct verlopen. Zonder dat de stoffen met een stroomdraad verbonden hoeven te worden. Doordat het waterstofperoxide zelf de elektronen kan afgeven, want de stof kan vrij in de oplossing bewegen. Evaluatie Er zijn veel verschillende voorwaarden waar je allemaal rekening mee moet houden om een elektrochemische cel te kunnen maken. En wij konden zelf niet een nieuwe redoxreactie opstellen waarmee we elektriciteit kunnen opwekken. Dus we besloten om verder te gaan met de lood accu, waarmee we zeer goede resultaten, op een eenvoudige manier, hadden behaald. 24

25 Loodaccu onderzoek Proef 1: Spanning en stroomsterkte Bij deze proef gingen we meten hoe hoog de spanning en stroomsterkte na een bepaalde tijdsduur was, om een beter inzicht te krijgen hoe de spanning en stroomsterkte zich over een tijdsduur in een lood accu gedraagt. Proef 2: Hogere molariteit (50% zwavelzuur) Bij deze proef gingen we een hogere molariteit zwavelzuur gebruiken om te bepalen als we daarmee de accu konden verbeteren. Proef 3: ph-waarde van zwavelzuur Bij deze proef gingen we meten als de ph meetbaar veranderde bij het ontladen. Oftewel, meten of de zwavelzuur concentratie meetbaar veranderde. Proef 4: Verschillend aantal anodes en kathodes Bij deze proef gingen we meten hoe hoog de spanning en stroomsterkte waren bij een verschillend aantal anodes en kathodes per bekerglas. Om hieruit te kunnen concluderen of een eenzijdige vermeerdering van het contactoppervlakte van de anode of kathode een significant verschil geven. Proef 5: Led lampje Bij deze proef gingen we observeren hoelang de batterij een LED kon laten branden. Om weer een verschil proberen aan te duiden met het gebruikt van een verschillend aantal anodes en kathodes. Proef 6: Lange meting Bij deze proef gingen we weer de batterijen gebruiken met het verschillend aantal anodes en kathodes. Deze keer gingen we proef 3 herhalen, echter met een langere oplaadtijd, en daardoor dus ook een langere ontlaad tijd. Wat de eventuele meetfouten kleiner maakte 25

26 Proef 1: Spanning en stroomsterkte Bij deze proef gingen we meten hoe hoog de spanning en stroomsterkte na een bepaalde tijdsduur was, om een beter inzicht te krijgen hoe de spanning en stroomsterkte zich over een tijdsduur in een lood accu gedraagt. Deze batterij, met 100 ml zwavelzuur 2 M en 2 Loodplaatjes was: Opgeladen: 30 min, mA en 3,2 V. Ontladen: met een LED met onbekende kleine weerstand Grafiek met het verloop van een accu batterij in 30 minuten In bovenstaande grafiek staat op de y-as de spanning (V) en de stroomsterkte (ma), op de x-as staat de tijd (seconden). Voor de exacte meetgegevens, zie bijlage. 26

27 Evaluatie Wat ons bij deze proef vooral opviel was dat de accu een relatief lange tijd dezelfde stroomsterkte en spanning blijft geven, maar na een bepaalde tijd ineens sterk daalt. Zoals hierboven te zien was: Bij deze test was de batterij 30 minuten lang opgeladen. De spanning en stroomsterkte bleven gelijk op 1,89 V en 5,9 ma voor 22,5 minuten. Toen zakte de ampère binnen 10 seconden naar 0,2 ma, en 5 seconden later was de stroomsterkte niet meer meetbaar. Vanaf minuut 22,5 begonnen de spanning ook te dalen maar minder snel dan de stroomsterkte. De spanning maakte eerste een sterke daling van 1,89 volt naar 1,45 volt en daar bleef het stabiel totdat de test we de test hadden stopgezet. 27

28 Proef 2: Hogere molariteit (50% zwavelzuur) Bij deze proef gingen we een hogere molariteit zwavelzuur gebruiken om te bepalen als we daarmee de accu konden verbeteren, hiervoor gebruikten we 50% zwavelzuur. Echter, tijdens het opladen viel ons iets al direct op. Het bleek dat op de anode, waar de loodperoxide zich de vorige keren vormde, geen bruine loodperoxide laag zat. Wij concludeerden hieruit dat het zwavelzuur, dat corrosief is, een te hoge concentratie had, waardoor het zuur de loodperoxide laag direct weer weghaalde. Dus deze proef was mislukt. En we hebben hier dus ook geen meetresultaten van. Echter het was zeer leerzaam om er achter te komen dat er een maximale concentratie zwavelzuur is voor een accu, mede met de blik op de accu die we zelf willen maken. Omdat we nog meer andere proefjes wilden doen, en het zeer veel tijd zou kosten om met veel verschillende molariteiten te onderzoeken wanneer de maximale concentratie was bereikt, gingen we dit op internet zoeken. Na een beetje zoekwerk kwamen we er achter dat de maximale concentratie van de vloeistof 37% zwavelzuur mag bevatten, voor een loodaccu. 28

29 Proef 3: ph-waarde van zwavelzuur Bij deze proef gingen we meten als de ph meetbaar veranderde bij het ontladen. Oftewel, meten of de zwavelzuur concentratie meetbaar veranderde. De gebruikte zwavelzuur die we hebben gebruikt bij bijna alle proefjes (niet proef 6), was 2 molair. Begin: 85,7 ma, 1,81 V, 5 Ohm ph 1 ph Na minuten: Tijd (minuten) ph Einde: 0 ma, 0 V, ph 1 Foto van de meetresultaten van de ph proef. Evaluatie de ph veranderde niet, dus de molariteit van het zuur veranderde ook niet genoeg om een verandering in ph weer te geven. Hieruit concluderen wij dat het Zwavelzuur in overvloed aanwezig is, en dus er meer lood (loodplaatjes) moet worden toegevoegd om een betere accu te krijgen. Omdat volgens ons het contactoppervlakte van lood op dit moment de beperkende factor is voor deze lood accu. Aangezien de startwaarde al ph 1 was, konden we toen de proef al stoppen. Maar we wilden voor de zekerheid de proef doorzetten, om eventuele onverwachte dingen tegen te komen, en omdat we de opstelling toch al klaar hadden. 29

30 Proef 4: Verschillend aantal anodes en kathodes Bij deze proef gingen we meten hoe hoog de spanning en stroomsterkte waren bij een verschillend aantal anodes en kathodes per bekerglas. Om hieruit te kunnen concluderen of een eenzijdige vermeerdering van het contactoppervlakte van de anode of kathode een significant verschil geven. Ter verduidelijking wordt soms + -, ++ - of + -- gebruikt. Dit staat voor: 1 anode en 1 kathode, 2 anodes en 1 kathode of 1 anode en 2 kathodes respectievelijk. Deze batterijen, met 100 ml zwavelzuur 2 M en 3 Loodplaatjes (+ - of ++ - of + --) waren: Opgeladen: 30 min, mA en variabele spanning (rond de 5,2 V om de stroomsterkte gelijk te houden) Ontladen: met een 100 Ohm weerstand Grafiek met het verloop van 3 soorten accu s in 15 minuten In bovenstaande grafiek staat op de y-as de spanning (V) en de stroomsterkte (ma), op de x-as staat de tijd (seconden). Voor de exacte meetgegevens, zie bijlage. 30

31 Evaluatie Om het makkelijker te houden zullen we het hier over plus (de aansluiting met de stroomdaden aan de positieve kant van het spanningskastje) en min (de aansluiting met de stroomdraden aan de negatieve kant van het spanningskastje) hebben. We hadden een opstelling gemaakt van 3 verschillende loodaccu s. Ze verschilden alleen op het punt van de aansluiting van de loodplaatjes met de plus of min kant. Er was een opstelling, voor de controle, met 1 loodplaatje aangesloten aan de plus kant en 1 loodplaatje aan de min kant. En een loodplaatje niet aangesloten. De tweede opstelling was met 2 loodplaatjes parallel aangesloten op de plus kant en 1 loodplaatje op de min kant. De derde opstelling was met 2 loodplaatjes parallel aangesloten op de min kant en 1 loodplaatje op de plus kant. We waren van plan om deze 3 opstellingen tegelijkertijd op te laden en te ontladen, om de omstandigheden gelijk te houden. Echter, we kwamen erachter dat de door ons gebruikte meetapparatuur (ampèremeter en voltmeter) afwijkingen vertoonden als we ze met andere meetapparatuur gingen vergelijken. Wat ons dwong om een selectie te maken van meetapparatuur die onderling een zo n klein mogelijke afwijking hadden. Zodat we hieruit konden concluderen of de hoeveelheid loodplaatjes (oppervlakte) van de plus of min kant een significante invloed heeft op de spanning of de ampère van de lood accu. Eerste opstelling voor het opladen van de loodaccu s, echter deze opstelling is niet gebruikt. De spanning was hierbij overal gelijk, echter de spanning verschilde sterk doordat de loodaccu s parallel waren aangesloten Elke loodaccu had 3 elektroden, maar was verschillend aangelsoten 31

32 Tweede opstelling voor het opladen van de loodaccu s, deze opstelling hebben we wel gebruikt. Met deze opstelling konden we elke loodaccu afzonderlijk beïnvloeden, en hiermee de omstandigheden gelijk houden Opstelling voor het ontladen en meten van de loodaccu s 32

33 Proef 5: Led lampje Bij deze proef gingen we observeren hoelang de batterij een LED kon laten branden. Om weer een verschil proberen aan te duiden met het gebruikt van een verschillend aantal anodes en kathodes. Deze batterijen, met 100 ml zwavelzuur 2 M en 3 Loodplaatjes waren: Opgeladen: 30 min, mA en variabele spanning (rond de 5,2 V om de stroomsterkte gelijk te houden) Ontladen: met een LED met onbekende kleine weerstand. Accu met één anode en één kathode ( + - ): 4,4 4,1 ma 1,95 V stabiel LED 57 min 20 seconden gebrand Accu met twee anodes en één kathode( ++ -): 4,0-3,8 ma 1,93 V stabiel LED xx min xx seconden gebrand Accu met twee kathodes en één anode ( + --): 4,4 4,1 ma 1,96-1,95 V stabiel LED 46 min 44 seconden gebrand Evaluatie Door een menselijke fout met de stopwatch was de tweede observatie helaas mislukt. Deze meetgegevens zijn na later inzicht ook onnauwkeurig. Aangezien het lastig te bepalen was wanneer het led lampje nu wel of niet uit was. Dit kon ook door lichtinval en de persoon die het observeerde verschillen, omdat het led lichtje een zeer zwak licht gaf. Het led lampje hadden we wel met opzet gekozen, aangezien de batterijen de benodigde stroomsterkte voor een groter lampje (met meer weerstand) niet konden leveren. Door de achteraf geconcludeerde grote onbetrouwbaarheid van deze proef, zal deze geen grote invloed op onze eind conclusie hebben. Foto van het proefje. Hier werd er bijgehouden hoelang het ledje licht gaf. 33

34 Proef 6: Lange meting De batterijen hadden we deze keer elk een uur opgeladen met 100mA En deze keer hadden we de meting anders aangepakt. Aangezien het tijdsverschil tussen een verandering ook relatief groot was, besloten we om alleen een meting met de tijd te noteren als deze zichtbaar veranderde. Beginwaarden: Controle: 3,8 ma, 1,90 V Stabiel (zakte geleidelijk) 2 Plus: 3,9 ma, 1,96 V Stabiel 2 Min: 3,9 ma, 1,97 V Stabiel Tijd gebeurtenissen van de 3 opstellingen Grafiek met het verloop van 3 soorten accu s in 60 minuten In bovenstaande grafiek staat op de y-as de spanning (V) en de stroomsterkte (ma), op de x-as staat de tijd (minuten). Voor de exacte meetgegevens, zie bijlage. 34

35 Evaluatie Uit deze proef kwam een duidelijk verschil naar boven, namelijk: tussen de laatste 38 minuten van de controle-batterij (met één anode en één kathode), de laatste 8 minuten van de anodebatterij (met de twee anodes en één kathode), en de laatste minuten van de kathode-batterij (met twee kathodes en één anode). Hierbij valt vooral op dat de kathode-batterij in verhouding tot de controle-batterij het veel langer volhoud, en dat de kathode-batterij in verhouding het een beetje langer volhoud dan de anode-batterij. Het verschil van de meetwaardes is duidelijk, en de kans dat het door een meetfout komt is klein, aangezien het verschil relatief groot is. Tussen sommige meet punten zitten grote verschillen doordat de spanning en stroomsterkte soms binnen een paar seconden naar beneden viel. Wederom de opstelling zoals met proef 4 35

36 Bouwplan elektrochemische cel Nadat we alle uitslagen van onze testen hadden nagekeken leek het ons het beste om de batterij die we zelf gaan bouwen te baseren op een loodaccu. Het grote voordeel van dit ontwerp is dat we het ook weer als het nodig is opnieuw kunnen opladen en dus niet iedere keer een nieuwe cel hoeven te maken, of de oude batterij moeten openbreken. Verder konden we uit onze testen concluderen dat de loodaccu de meest effectieve batterij is, van de batterijen die we getest hebben, die we zelf kunnen maken, en bovendien gaf het de meest stabiele lading. Bij ons ontwerp zitten er meerdere Loodplaatjes in 1 bakje met 11,6 molair zwavelzuur (37%). Ons idee was om zoveel mogelijk loodplaatjes met een tussenliggende ruimte in de bak te stoppen, zoals te zien is in onderstaand figuur. En deze loodplaatjes parallel aan te sluiten, zodat de stroomsterkte opgeteld wordt. Een andere manier om een hogere stroomsterkte te krijgen is met het gebruik van een transformator, echter dit zorgt voor energie verlies. Dus wij kozen voor de optie om de loodplaatjes in parallel aan te sluiten. Aangezien bij het uitvoeren van verschillende proefjes met de loodaccu het water sterk aan het bruisen was, en volgens de door ons opgestelde redoxreacties er ook waterstofgas ontstaat, zullen we ervoor zorgen dat het bakje niet luchtdicht is. Schematische weergave van het eigen bouwplan voor de elektrochemische cel. In bovenstaande figuur staat de A voor anode, oftewel waar de positieve kant van de spanning op komt te staan en met de bruine laag loodperoxide op het lood. De K staat voor kathode, oftewel de kant waar de negatieve kant van de spanning op komt te staan en met alleen lood. In de vloeistof zitten te stoffen zoals aangegeven in het figuur. 36

37 Batterijen van de toekomst In dit punt bespreken wij 3 uitvindingen en ontdekkingen die in de toekomst de batterij nog meer zullen verbeteren in zowel de accuduur van de batterij als de milieuvriendelijk. 1. Batterij met vloeibare elektroden Lithium batterij zijn erg effectief maar ze hebben wel een probleem, ze zijn lastig te maken en ze zijn duur. Onderzoekers van de Massachusetts Insitute of Technology hebben een nieuw soort batterij gemaakt met elektroden gemaakt van een vloeibaar metaal zonder dat de temperatuur erg hoog hoeft te zijn. Bij de eerste versie gebruikten ze Magnesium en Antimoon en een elektrolyt dat gemaakt was van een vloeibaar zout. Het probleem met deze batterij was dat op ruim 700 graden gehouden moest worden om alles vloeibaar te houden. Door de hoge temperatuur en de zouten roestte de batterij gewoon weg. In de laatste versies van de elektrochemische cel gebruiken ze (weer) Lithium en een legering van 75% lood en 25% Antimoon en daalde de minimale temperatuur die nodig was tot 327 graden Celsius. Daarmee is MIT er nog niet. De lagere, maar nog steeds hoge, temperatuur betekent per saldo verlies aan energie en dus rendement van het opslagsysteem. Daar zal iets aan moeten worden gedaan om de vloeibare-poolbatterij marktrijp te maken. Voordeel voor batterijen met vloeibare polen is dat ze normaal een levensduur hebben die veel langer is dan die van batterijen met vaste elektrodes. Na tien jaar, met elke dag een laad/ontlaadcyclus, zouden de batterijen nog 85% van hun capaciteit over hebben, beweren de MIT-onderzoekers. Voor grootschalige opslag van groene energie is dat natuurlijk ontegenzeggelijk een voordeel. (Schrouwers, ) Grafische weergave van een elektrochemische cel met een vloeibare elektroden. 37

38 2. Suikerbatterij Zoals de meeste mensen wel weten is het drinken van Cola of chocolade eten een uitstekende manier om suikers (glucose, fructose, sacharose, dextrose) binnen te krijgen. Ze zijn een uitstekende vorm van energie omdat suikermoleculen niet alleen een grote energiedichtheid hebben maar ze zijn ook makkelijk te transporteren in het lichaam en makkelijk te verteren. Dat is een reden waarom bijna iedere levende cel op aarde glucose aanmaakt. Onderzoekers van het Virginia Tech hebben succesvol een op suiker aangedreven batterij gemaakt. De batterij heeft een energie opslag van 596 ampère-uur per Kilo dat is 10 keer zoveel als de standaard lithium-ion batterijen. De cel is hervulbaar met een oplossing van Maltodextrine, een hoogwaardig koolhydraat dat bestaat uit complexe glucose-polymeren. Het was voor de onderzoekers een hele klus om de juiste kunstmatige stofwisseling te maken die nodig om de enzymen op de juiste plaats te houden voor langere periodes zodat ze de suikers konden afbreken. (Anthony, ) De enige bijproducten zijn water en elektriciteit en volgens de makers is het mogelijk om de nieuwe batterij commercieel te maken binnen 3 jaren tijd. In de toekomst zal je misschien wel je mobiel kunnen opladen door alleen maar even snel een oplossing van 15% Maltodextrine er in te gieten. En omdat de bijproducten water en Elektriciteit zijn is het idee ook nog heel milieu vriendelijk. Schematische weergave van een suikerbatterij. Foto van een suikerbatterij. 38