Sitronbatteri og Daniellcelle

Kap. 6 – Redoksreaksjon: Elevøvelse 
Lage sitronbatteri og Daniellcelle

Hensikt:
Hensikten med disse forsøkene er å lære om elektrokjemi, og vi skal i den forbindelsen lage et sitronbatteri og en daniellcelle. En Daniellcelle består av to halvceller og en saltbro.

Bakgrunnsteori:
Viktige begreper:

• Galvanisk element: Når elektronene som blir overført mellom stoffene føres ut til en ytre strømkrets, kan vi generere elektrisk energi fra kjemisk energi. Et slik spenningskilde kalles et galvanisk element. 
• Elektrolysecelle: I en elektrolysecelle overføres elektrisk energi til kjemisk energi. 
• Elektromotorisk spenning/ems: To metaller få større elektromotorisk spenning (ems) mellom seg jo lenger fra hverandre de står i spenningsrekka.
• Elektrolytt: En elektrolytt er et stoff som inneholder frie ioner, f.eks. en saltløsning. Den leder strømmen, og lar ikke de to ulike stoffene blande seg. Den lukker strømkretsen, uten å delta i selve redoksreaksjonen. Den jevner ladningsfordelingen.

Hypotese:
Forsøk 1: Vi tror at sitronbatteriet kan gi noe spenning, men at det ikke er tilstrekkelig til å fungere som et ordentlig batteri. Det er mange variabler til å skape perfekte forhold til god spenning og det er vanskelig å få mye ut av en sitron.

Forsøk 2: Vi tror at Daniellcelle vil gi noe mer spenning enn sitronbatteriet. Som læreboka sier, kan den i tillegg klare å gi elektrisk energi til en liten elmotor.

Utstyr:
Forsøk 1:

• Sitron (eller annen sitrusfrukt)
• En galvanisert spiker
• 50-øring (eller noe annet av kobber) (Cu)
• Magnesium (Mg)
• Sinkbit (Zn)
• Bly (Pb)
• Voltmeter
• Krokodilleklemmere
• Stålull til å pusse metallene
• Kamera (mobil, til bilder)

Forsøk 2:

• Sinksulfatløsning
• Kobbersulfatløsning
• 2 rene begerglass
• En ren rørepinne
• Kobberstang
• Sinkstang
• Saltløsning, f.eks. natriumsulfatløsning (til saltbroen)
• Tørkepapir (eller bomullsbit e.l.)
• Voltmeter
• Krokodilleklemmer
• Stålull til å pusse metallene
• Kamera (mobil, til bilder)

Metode:
Forsøk 1: 
Vi samlet all utstyret vi trengte. Vi rullet sitronen mot slik at den ble litt mykere og saftigere. Vi pusset alt av metallet vi skulle ta i bruk med stålull. Dette er for å gjerne oksidasjonen på overflaten til metallene. Deretter stakk vi en galvanisert spiker og en 50-øring i sitronen. Vi koblet opp til voltmeteret ved hjelp av krokodilleklemmerne: den positive i spikeren, og den negative i kronen. Vi gjorde det samme med magnesium, der magnesium erstattet kronen. Deretter prøvde vi sink, som erstattet magnesium. Vi prøvde oss også frem med bly. Vi noterte ned resultatene. 

Forsøk 2:
Vi samlet alt utstyret vi trengte. Vi tok frem to rene begerglass og to rene rørepinner. Vi tok ca. 1 teskje av sinksulfat i det ene glasset, og samme mengden av kobbersulfat i det andre. Vi tok lunkent vann (rundt 37 grader celcius, som kroppstemperatur) og blandet dette ut. Vi tok deretter kobberstangen i kobbersulfatløsningen, og sink i sinksulfatløsningen. Vi klypte voltmeteret i stengene: den positive i kobberstangen, og den negative i sinkstangen. Vi lagde saltbroen, som er elektrolytten. Det var en saltløsning av natriumsulfat. Vi tok tørkepapir, og brettet det til et avlangt "bånd". Vi dynket den i saltløsningen, slik at den var helt gjennomvåt. Vi tok deretter endene i hver sitt begerglass – en ende i kobberløsningen, en ende i sinkløsningen. Vi så at vi fikk spenning på voltmeteret.

Resultater og observasjoner:
Forsøk 1:

Vi fant ut at:

1. 50-øring (kobber) i sitronen ga 0,1 V
2. Magnesium i sitronen ga 0,7 
3. Sink i sitronen ga 0,4 V
4. Bly i sitronen ga 0,3 V (ikke avbildet)

Vi ser at spenningen er avhengig av hva slags metall man bruker. Det er fordi metallene er ulikt plassert i spenningsrekka. 

Li, Na, Mg, Al, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb, H, Cu, Ag, Hg, Au, Pt

Metallet som står til venstre i spenningsrekka, blir den negative elektroden, mens den som står til høyre blir den positive elektroden. Jo større avstand det er fra den negative elektroden til den positive elektroden, jo større blir spenningen.

Strømmen vi får kommer fra redoksreaksjonene mellom stoffene i sitronbatteriet. Denne kjemiske energien blir omdannet til elektrisk energi.

Forsøk 2:

Ved sinkstanga blir skjer det en oksidasjon – elektroner blir avgitt. Sinkatomene blir til sinkioner som går ut i løsningen. Det blir altså mindre av sinkstanga.
Reaksjonslikningen er: Zn → Zn²⁺ + 2e^-

Ved kobberstanga skjer det en reduksjon. Elektronene blir tatt opp av kobberionene i løsningen. Det blir dannet fast kobber på kobberstanga. Det blir altså mer av kobberstanga.
Reaksjonslikningen er: Cu²⁺ + 2e^- → Cu

Elektronene går fra den negative polen (sinkstanga) til den polen siden (kobberstanga). 
Hele reaksjonen blir:  Zn (s)+ Cu²⁺(aq) → Zn²⁺(aq) + Cu (s) + elektrisk energi

Vi har lært at metaller kan få elektroner av metaller lenger opp i spenningsrekka.

Li, Na, Mg, Al, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb, H, Cu, Ag, Hg, Au, Pt

Sink er (Zn), og kobber er (Cu). Altså kan kobber lett få elektroner fra sink. Vi har også lært at metaller får større spenning mellom seg når de er lenger fra hverandre på spenningsrekka. Det vil altså si at bly (Pb) og kobber (Cu) ikke ville fått særlig stor spenning mellpm seg.

Drøfting og feilkilder:
Vi lærte at å pusse metallene med stålull gir økt spenning. Vi prøvde også å pusse litt ekstra på noen av metallene, og det ga ørlite grann utslag på spenningen, rundt 0,05-0,1 mer spenning.

Sitronen var noe hard og kanskje ikke så moden som den kunne ha vært. Vi opplevde å få noe lavere spenning enn andre i klassen. 

Vi byttet voltmeter halvveis i forsøk 1, da den første viste seg å være litt ødelagt. Vi sammenliknet de to voltmeterne, men forskjellen var svært liten. 

Vi vasket utstyret godt før vi brukte det. Klasser før oss kan ha brukt utstyr til andre ting, og kanskje ikke vasket så godt. Urene glass kan gi unøyaktighet, eller til å med påvirke blandingene vi lagde, pga. reaksjoner med eventuelle andre stoffer. (i forsøk 2).

Konklusjon:
Vi har lært om hvordan kjemisk energi kan bli til elektrisk energi.
Vi har kommet fram til at Daniellcellen har færre variabler enn sitronbatteriet, og kan som batteri var over noe lenger tid enn sitronbatteriet.

Kilder:

• Brandt, Harald m/ flere (2015): Naturfag Påbygging, Aschehoug
• http://ndla.no/nb/node/15925?fag=7
• http://ndla.no/nb/node/14709?fag=7
• http://ndla.no/nb/node/14710?fag=7