Læring utenfor husets fire vegger: Galvanisk celle / Daniellcelle

Elevøvelse gjennomført 6.12.12

Av Tuva Klunderud

Utstyr:

2 begerglass

Multimeter

Kobberelektrode (s)

Sinkelektrode (s)

Kobberløsning CuSO₄(aq) (blå)

Sinkløsning ZnSO₄ (aq)

Kaffefilter dyppet i saltløsning

Kobbertråd

Lysdiode

Hensikt med forsøket

Hensikten med forsøket er å se og forstå hvordan en daniellcelle fungerer, og hvilke redoksreaksjoner som oppstår.

Fremgangsmåte

Vi fylte et begerglass med sinkløsning (en gjennomsiktig væske) og et begerglass med kobberløsning (en blå væske). I glasset med sinkløsningen plasserte vi sinkelektroden, og i glasset med kobberløsningen plasserte vi kobberelektroden. Mellom elektrodene koblet vi en kobbertråd. Deretter tok vi et kaffefilter og dyppet det i saltløsning (natriumsulfat) og rullet det sammen til en avlang pølse. Vi la papiret med hver sin ende i hver av begerglassene. På denne måten fungerer kaffefilteret som en saltbro. Til kobbertråden koblet vi en lysdiode, som vil lyse når det kommer nok elektrisk strøm gjennom tråden. Vi brukte et multimeter, som vi koblet til hver av elektrodene, for å måle spenningen.

Fagstoff

For å få en god forståelse av hva som skjer i forsøket, må vi gå litt inn på hvordan en daniellcelle fungerer:

- En galvanisk celle består av to poler. Mellom polene er det en elektrolytt.

- Ved den negative polen skjer det en oksidasjon, og det avgis elektroner.

- Ved den positive polen skjer det en reduksjon, og her tas elektronene opp.

- Elektrolytten leder strøm og forbinder de to halvcellene (saltbro).

En daniellcelle er en videreutvikling av Alessandro Voltas elektriske batteri, som var det første elementet med varige strømmer. John Fredric Daniell (1790-1845) laget videreutviklingen, som hadde mer jevn strøm. En daniellcelle består av to halvceller. De to halvcellene er forbundet med hverandre ved hjelp av en saltbro. I hver av halvcellene er det en løsning. I dette tilfellet er det en sinkløsning og en kobberløsningen. I vanlige batterier brukes andre materialer, ofte nikkel og kadmium. I sinkløsningen er det frie sinkatomer og frie sulfationer, mens i kobberløsningen er det frie kobberioner og sulfationer.

Saltbroen inneholder en elektrolytt – en løsning som leder strøm, men som ikke lar løsningen i de to halvcellene blande seg. Den fungerer også slik at den holder strømkretsen lukket.

Mellom elektrodene oppstår det en redoksreaksjon. Fordi sink står over kobber i spenningsrekka, gir sinkatomer fra seg elektroner til kobberatomer, for å oppnå åtteregelen.

Sinkatomene i sinkelektroden avgir to atomer: Zn --> Zn²⁺+2e^- Sinkatomene blir da oksidert, og ved å gi fra seg elektroner mister sinkelektroden masse.

De frie kobberionene i kobberløsningen tar opp de to elektronene fra sinkatomene: Cu²⁺+2e^- --> Cu. Kobberionene blir redusert til nøytrale Cu-atomer og setter seg på kobberelektroden, som da får tilført masse. Sinkelektroden fungerer som en negativ pol (anode) og kobberelektroden som en positiv pol (katode). Elektronene som overføres går gjennom ledningen (en ytre krets – kobbertråden i dette tilfellet) og det går en strøm.

Når det har blitt overført elektroner blir det et overtall av positive ioner i sinkløsningen, og overtall av negative ioner i kobberløsningen. Negative sulfationer går derfor gjennom saltbroen, for å jevne ut ladningene og nøytralisere løsningene.

Som sagt bruks det ofte andre materialer i vanlige batterier, men prinsippet er det samme: to elementer med ulik plass i spenningsrekken brukes til å tvinge elektroner gjennom en ytre krets. Det som er med en slik daniellcelle er at den også kan lades opp. Dette fungere slik at ved å koble på en spenning, tvinges elektronene til å gå tilbake – motsatt vei. Oksidasjonen og reduksjonen vil da foregå ved motsatt pol enn tidligere. Når alle elektronene har gått tilbake slik de var i utgangpunktet, er batteriet (daniellcellen) ferdig oppladet. Men ved hver oppladning minsker noe av batteriets fulle funksjon, fordi alle elektronen vil ikke føres tilbake, slik at utgangpunktet vil ikke bli like godt.

Resultat

Etter å ha koblet til multimeteret observerte vi hva som skjedde. Spenningen som strømmet gjennom var veldig ujevn, fra 0 til 1,1 V. Det kan ha vært flere grunner til dette, blant annet at det var forlite saltløsning i saltbroen. Vi tok en ny saltbro, men med løsning i, og da fikk vi større utslag på multimeteret. Men det tok ikke lang tid, før spenningen sank, mest sannsynlig fordi det ikke tok lang tid før elektronen var overført fra sinkatomene til kobberatomene. Hadde vi hatt to stoffer som stod lenger fra hverandre i spenningsrekka, ville nok den elektriske spenninga vært større. Vi fikk dessverre ikke noe lys i lysdioden, fordi spenningen var for svak og/eller for ujevn.

Da forsøket var ferdig så vi ingen synlig endring av masse på elektrodene.