Galvaniska celler

Galvaniska cellerVideogenomgång (flippat klassrum)

Inledning

Vad händer om man stoppar ned ett zinkbleck i en kopparsulfatlösning?

Zinkbleck i kopparsulfatlösningZinkbleck i kopparsulfatlösning.

  • Oxidation: Zn(s) → Zn2+(aq) + 2e
  • Reduktion: Cu2+(aq) + 2e → Cu(s)
  • Redox: Zn(s) + Cu2+(aq) → Zn2+(aq) + Cu(s)

Elektronerna utför i detta experiment ett arbete: Det utvecklas värme (reaktionen är exoterm). Frågan är, hur kan man utnyttja detta?

  • Vi separerar reaktionerna!

Koppar-zink-elementet (Daniells element)Koppar-zink-elementet (Daniells element).

Rita upp zinkbleck + ZnSO4 i ett kärl, kopparbleck + CuSO4 i ett kärl bredvid.

  • Fråga eleverna, händer det något?
 

Nej, vi behöver en yttre ledning också!

Rita in en yttre ledning + lampa (X). Fråga eleverna, händer det något? Nej! Varför inte?

Vad krävs det för att det skall bli en ström?

  • Det måste finnas rörliga, laddade partiklar.

Finns det rörliga, laddade partiklar?

  • Ja.

Det måste vara en sluten krets: De laddade partiklarna samlas inte (gärna) på ett ställe. De måste gå runt.

Hur skall vi lösa detta?

  • Sladd från ena bägaren till den andra?

God idé, men de laddade partiklarna (jonerna) i bägaren kan inte vandra genom sladden.

  • En sladd som kan transportera joner?

Mycket bra idé!

  • Hur skall den vara utformad: En saltbrygga!

Rita in en saltbrygga, fylld med natriumsulfatlösning.

Rita in i vilken riktning elektronerna går (från Zn → Cu)

Rita in i vilken riktning strömmen är definierad att gå (från Cu → Zn)

Rita in minuspol (Zn(s)) och pluspol (Cu(s)).

Mot pluspolen dras de positiva jonerna (katjonerna, Cu2+).

Mot minuspolen dras de negativa jonerna (anjonerna, \({\sf \text{SO}_4^{2-}}\))

Daniell-elementet

John Frederic Daniell (1790-1845)John Frederic Daniell (1790-1845). Det vi nu har gjort kallas ett galvaniskt element. Just detta galvaniska element kallas ett Daniell-element, efter dess uppfinnare John Frederic Daniell (1790-1845).

  • Ett intressant faktum är att under 1700-talet betraktades elektricitet som en intressant kuriositet, och en del för den tiden ansedda vetenskapsmän betraktade det t.o.m. som fullständigt nonsens att ägna sin tid åt sådant.

Batterier

Batteri = galvanisk cell: En strömkälla

Det sker en spontan redoxreaktion

  • Reaktanterna får inte komma i direktkontakt med varandra.

Vid (-)polen sker oxidation (elektroner avges)

Vid (+)polen sker reduktion (elektroner upptas)

Elektronerna vandrar genom en yttre ledning

Jonerna vandrar genom en saltbrygga

Demonstration av Voltas stapelDemonstration av Voltas stapel.

Demo

Ett kopparbleck + ett zinkbleck, filterpapper emellan. Håll samman med ett gem av plast.

Koppla blecken till en liten motor

Spruta lite svavelsyra över filterpappret

  • Motorn börjar röra sig!

Vad händer?

Vid zinkblecket (minuspol):

Zn(s) → Zn2+(aq) + 2e

Italienaren Alessandro Volta uppfann år 1800 ett batteri med sammankopplade koppar-zink-element. Volta har också fått ge namn åt enheten för elektrisk spänning, volt.Italienaren Alessandro Volta uppfann år 1800 ett batteri med sammankopplade koppar-zink-element. Volta har också fått ge namn åt enheten för elektrisk spänning, volt. Vid kopparblecket (pluspol):

2H+(aq) + 2e → H2(g)

  • Detta är i princip detsamma som den galvaniska cell som brukar kallas Voltas stapel!

Cellscheman

En galvanisk cell kan man visst rita upp med burkar och ledningar och allting.

  • Men man förenklar ju gärna.
  • Det gör man i ett cellschema.

Cellschema för Daniells element (koppar-zink-elementet):

– Zn(s) | Zn2+(aq) || Cu2+(aq) | Cu(s) +

Minuspol till vänster, pluspol till höger.

Enkelt tvärstreck ("|") markerar en fasgräns

Ibland har man dubbelstreck ("||") till att markera gräns mellan två lösningar, ibland ett streckat streck ("⋮")

Brunsten är ett annat ord för mangandioxid, MnO2. Därför kallas ett sådant här batteri för ett brunstensbatteri.Brunsten är ett annat ord för mangandioxid, MnO2. Därför kallas ett sådant här batteri för ett brunstensbatteri.

Brunstensbatteriet

Anekdot om sär skrivning!

"Använd vanliga brunstens batterier!"

  • Brunst!? Inte behöver man väl batterier för att komma i brunst!? ;-)

Reaktioner i cellen:

(–)pol (ox.): Zn(s) → Zn2+(aq) + 2e

(+)pol (red.): 2MnO2(s) + H2O(l) + 2e → Mn2O3(s) + 2OH(aq)

Cellreaktion: 2MnO2(s) + H2O(l) + Zn(s) → Mn2O3(s) + 2OH(aq) + Zn2+(aq)

Cellschema: (–) Zn(s) | Elektrolyt | MnO2(s) (+)