Leerdoelen
•Je kunt uitleggen hoe de waarneming van een kikker aan een balkonhek leidde tot de uitvinding van de batterij.
•Je kunt de werking van een elektrochemische cel (batterij of accu) beschrijven.
•Je kunt de spanning van een elektrochemische cel (batterij of accu) berekenen met behulp van de Binas.
Hoe leidde een waarneming van een kikker aan een balkonhek tot de uitvinding van de batterij?
De uitvinding van de batterij begon met Luigi Galvani, een arts uit Bologna die onderzoek deed naar de anatomie van kikkers. Hij observeerde dat de pootjes van een dode kikker samentrokken wanneer deze in aanraking kwam met een koperen scalpel terwijl de kikker aan een zinken balkonhek hing. Galvani interpreteerde dit als "dierenenergie".
Alessandro Volta, woonachtig bij het Comomeer, reproduceerde Galvani's observaties systematisch. Hij bouwde de zuil van Volta door koperen en zinken plaatjes af te wisselen met stukjes papier gedrenkt in zout water. Toen hij de bovenste zinken plaat en de onderste koperen plaat met een draad verbond en er een lampje tussen plaatste, ging het lampje branden. Dit toonde aan dat de opstelling elektrische stroom genereerde, en zo was de basis voor de batterij gelegd.
Hoe werkt een elektrochemische cel?
Een elektrochemische cel (batterij of accu) is een apparaat dat stroom levert door middel van chemische reacties. In zo'n cel reageert de sterkste oxidator (ox) altijd aan de pluspool en de sterkste reductor (red) aan de minpool. De reductor staat elektronen af, waardoor de minpool negatief wordt geladen. Deze elektronen stromen naar de pluspool, waar de oxidator de elektronen opneemt.
Bij stroomlevering geldt:
•De reductor reageert aan de minpool.
•De oxidator reageert aan de pluspool.
De Daniel cel is een voorbeeld van zo'n elektrochemische cel en was de eerste commercieel verkochte batterij.
Hoe is de Daniel cel opgebouwd?
De Daniel cel is opgebouwd uit twee gescheiden halfcellen. Een halfcel bestaat uit een elektrode (een metalen staafje) in een vloeistof met ionen. In de Daniel cel zijn dit:
•Een zinken elektrode in een zinksulfaat (ZnSO4) oplossing. Hier is zink de reductor (Zn $\rightarrow$ Zn2+ + 2e-).
•Een koperen elektrode in een kopersulfaat (CuSO4) oplossing. Hier is het koper(II)ion de oxidator (Cu2+ + 2e- $\rightarrow$ Cu).
De elektronen die vrijkomen bij de zinkelektrode (minpool) willen naar de koperionen in de kopersulfaatoplossing (pluspool). Om dit te laten gebeuren, worden de twee elektroden met een draad verbonden.
De reacties in de Daniel cel zijn als volgt:
•Oxidatie halfreactie (reductor): Zn(s) $\rightarrow$ Zn2+(aq) + 2e-
•De zinken elektrode wordt lichter doordat Zn-atomen als Zn2+-ionen in de oplossing gaan.
•Reductie halfreactie (oxidator): Cu2+(aq) + 2e- $\rightarrow$ Cu(s)
•De koperen elektrode wordt zwaarder doordat Cu2+-ionen uit de oplossing als koper neerslaan op de elektrode.
•Totaalreactie: Zn(s) + Cu2+(aq) $\rightarrow$ Zn2+(aq) + Cu(s)
Waarom is een zoutbrug nodig?
Om een gesloten stroomkring te creëren en de ladingsbalans te handhaven, is een zoutbrug nodig. Dit is een hol glazen pijpje dat een pasta bevat, bijvoorbeeld met kaliumchloride (KCl) ionen (K+ en Cl-).
•Wanneer elektronen van de minpool naar de pluspool stromen, wordt de pluspool steeds negatiever en de minpool steeds positiever.
•Om dit te compenseren, bewegen ionen vanuit de zoutbrug: negatieve Cl--ionen bewegen naar de positieve minpool, en positieve K+-ionen bewegen naar de negatieve pluspool.
•Hierdoor blijft de lading in beide halfcellen neutraal en kan de stroom blijven vloeien. Zonder zoutbrug zou de reactie snel stoppen.
Hoe bereken je de spanning van een elektrochemische cel?
De spanning (ook wel bronspanning of delta V0) van een elektrochemische cel kan worden berekend met behulp van de standaard elektrode potentialen (V0) uit Binas tabel 48.
De formule voor het berekenen van de spanning is: Delta V0 = V0(oxidator) - V0(reductor)
Voor de Daniel cel (zink en koper) geldt:
•De standaard elektrode potentiaal van de oxidator (Cu2+/Cu) is +0,34 V (uit Binas tabel 48).
•De standaard elektrode potentiaal van de reductor (Zn2+/Zn) is -0,76 V (uit Binas tabel 48).
De berekening van de spanning is dan: Delta V0 = (+0,34 V) - (-0,76 V) = +0,34 V + 0,76 V = 1,10 V. De bronspanning van de Daniel cel is dus 1,10 volt.
Op welke manier kwamen veel uitvindingen tot stand?
Veel uitvindingen, waaronder de batterij, kwamen tot stand door toeval en puur geluk. Dit is bijvoorbeeld te zien in het verhaal van Luigi Galvani, die per ongeluk met een koperen scalpel een kikker aanraakte die aan een zinken balkonhek hing, wat leidde tot onverwachte samentrekkingen en uiteindelijk tot Volta's experimenten en de uitvinding van de batterij.
