Elevøvelse #5: Galvanisk celle/Daniellcelle

Elevøvelse: Galvanisk celle, 06/12-12

Mari Stavrum, 3MKA

Utstyr:

• To glassbegre
• Sinkstang (negativ pol - anode)
• Kobberstang (positiv pol - katode)
• En saltbro (kaffefilter dyppet i sølvnitrat - Na₂SO₄)
• Sinkløsning (ZnSO₄)
• Kobberløsning (CuSO₄)
• Et voltmeter

Ved å lage en galvanisk celle fikk vi muligheten til å se og bruke redoksreaksjoner i batterier i praksis og å omforme kjemisk energi til elektrisk energi.

Det første vi gjorde var å fylle de to begrene med hver sin løsning – den ene med sinkløsning og den andre med kobberløsning.  Deretter satt vi sinkstangen i glasset med sinkløsningen, og kobberstangen i glasset med kobberløsningen. Videre dyppet vi et kaffefilter i sølvnitrat og la en ende i hvert beger, slik at det fungerte som en saltbro mellom de to løsningene. Til slutt koblet vi til et voltmeter mellom de to polene som skulle måle den elektriske spenningen.

Kobberstangen i kobberløsningen og sinkstangen i sinkløsningen er to halvceller av det vi kaller en Daniellcelle. En Daniellcelle ble først laget av engelskmannen John Frederic Daniell. Saltbroen bidrar ved å lukke strømkretsen og lede strøm mellom halvcellene uten at løsningene blandes. Hvis man ser på metallenes spenningsrekke kan man se at sink er plassert over kobber i spenningsrekka. Det betyr at kobber er et mer edelt metall enn sink, og ikke har så lett for å gi fra seg elektroner. Fra dette kan man si at sinkelektroden er den negative polen og kobberelektroden er den positive polen.

Når vi kobler til voltmeteret mellom de to elektrodene, så fungerer den som en ytre krets. Ved sinkelektroden frigjøres det ioner (Zn²⁺). De to overflødige frie elektronene går da igjennom den ytre strømkretsen, over til kobberløsningen, hvor de blir tatt opp av kobberionene som ønsker å oppfylle åttetallsregelen. Løsningen reduseres og omgjøres da til rent metallisk kobber og fester seg til kobberelektroden. Den kjemiske ligningene for en slik reaksjon i daniellcellen er:

Zn(s) → Zn²⁺(aq) + 2e^- (elektroner frigjøres i sinkhalvcellen)

Cu²⁺(aq) + 2e^- → Cu(s) (elektroner tas opp I kobberhalvcellen)

Sett i sammenheng kan hele redoksreaksjonen skrives med denne ligningen:

Zn(s) + Cu²⁺(aq) → Zn²⁺(aq) + Cu(s)

Ladningsforskjellen i de to halvcellene vil etter hvert bli veldig forskjellen. Saltbroen er der for å utjevne denne ladningsforskjellen ved å avgi ioner.

Daniellcellen er et oppladbart batteri. Det utlades når det går tomt for sink- og kobberioner og reaksjonene stopper opp. For å lade det opp kobler vi en likespenningskilde til de to polene i batteriet. Denne likespenningskilden må ha større spenning enn cellens elektromotoriske spenning på 1,1 V (dens maksimale potensiale).  Da setter man i gang en prosess som kalles elektrolyse, som reverserer utladningsprosessen. I elektrolysen gir kobber fra seg elektroner (oksidasjon) som pumpes fra den positive polen (Cu-stangen) til den negative polen (Zn-stangen), hvor de blir tatt opp av sinkionene (reduksjon).

Vi slet veldig med å få uttellende spennings på voltmeteret, men etter hvert kom det. Det kan ha hatt noe å gjøre med at vi ikke klarte å holde voltmeteret stille. Til slutt fikk vi 1,12 (bildet er speilvendt!).