Springen naar inhoud

Electrolyse met Al-electroden en 100 .. 250 V AC


  • Log in om te kunnen reageren

#1

woelen

    woelen


  • >1k berichten
  • 3145 berichten
  • Ervaren gebruiker

Geplaatst op 24 augustus 2006 - 09:34

Ik heb weer eens een exotisch experiment gedaan, maar het resultaat er van vind ik behoorlijk bijzonder. Zelf kan ik het niet goed verklaren, misschien dat iemand me hier mee kan helpen (Hzeil, jij misschien? je weet veel van electrochemie heb ik gemerkt).

Het experiment is als volgt:
  • Neem een bekerglas (of grote jampot) van een halve liter, gevuld met water. Kraanwater is OK, mits het niet al te hard is, anders demi-water gebruiken. Los hierin een flinke theelepel vol met natriumbicarbonaat, NaHCO3, op. Verder geen speciale chems nodig, iedereen kan dit experiment doen.
  • Plaats nu twee aluminium strips van een paar cm breed in de beker, zodat ze zo'n 5 tot 7 cm onder het vloeistofoppervlak steken. Er moet ook een stuk boven de vloeistof steken, waar je met een knijper of krokodilleklem een draad aan bevestigt. Op deze manier heb je een cel gemaakt, met twee draden en twee Al-electroden. Je kunt gewoon strips gebruiken uit de bouwmarkt van blank aluminium.
  • Neem een fitting en draai daar een 25 Watt gloeilamp in. Schakel die in serie met de cel. Dit is ABSOLUUT noodzakelijk. Die lamp beperkt de stroom, die door je cel loopt. Doe je dat niet, dan vliegen onherroeppelijk de stoppen er uit en krijg je zeer gevaarlijke toestanden.
  • Sluit nu het circuit aan op het lichtnet. De lamp gaat branden, in de cel zie je eigenlijk niet veel gebeuren, heel langzaam ontstaan er wat gasbelletjes, verder niks. Na verloop van een minuut of zo zie je dat de lamp steeds zwakker gaat branden en tenslotte gaat hij uit.
Tip: gebruik een scheidingstrafo, zodat je niet direct aan het lichtnet zit. Dat heb ik gedaan. Als je dat doet, dan is aanraken van 1 punt in de schakeling geen probleem. Het is echt een enorm stuk veiliger. Je kunt dan ook een trafo nemen, die 115 V AC produceert voor Amerikaanse apparatuur. Dat is nog veiliger. Gebruik in dat geval een 40 W gloeilamp in serie, bij die 115 V gebruikt hij echter veel minder. Een kleine 115 V omzetter (50 W) kost pakweg 10 euro.

Nu komt het meest bijzondere. Beide aluminium/vloeistof overgangen zijn diode geworden :oops: ! De stroom loopt er probleemloos doorheen de ene kant op, terwijl de andere kant op de stroom heel klein is. In het circuit met twee strips heb je vrijwel helemaal geen stroom meer, omdat de dioden van beide Al-strips in tegengestelde richting zijn geschakeld. Er is er dus altijd wel eentje in sper. Als je het experiment doet met een aluminium strip en de andere strip van bijv. zink of koper, dan zul je zien dat de lamp na verloop van tijd op half vermogen gaat branden. Slechts 1 helft van de sinusgolf is er dan geleiding, voor de andere helft is de diode in sper.

Mijn vraag is nu, waarom wordt de Al/vloestof overgang een diode? Wat is het achterliggende chemische (of fysische) principe hierachter? Waarom gebeurt het niet bij andere metalen? Ik heb hier al een tijdje over nagedacht, maar ik begrijp het niet. Het zal wel iets met de oxidelaag van het Al te maken hebben, maar dat is maar een gokje, verder kan ik er ook weinig over vertellen.

Als je de strips weer iets dieper in de vloeistof drukt, dan is het diode effect weer weg. Het Al boven de vloeistof is nl. gewoon geleidend in beide richtingen. Echter na een tijdje wordt ook een verse Al/vloeistof overgang weer diode.

--------------------------------------------------------------------------------------

WAARSCHUWING:
Dit is een erg leuk en verrassend experiment, dat iedereen kan doen met een beetje verstand van zaken en je hebt er geen speciale chemicalien voor nodig. Als je het doet, wees dan a.u.b. zeer voorzichtig. Je zit wel met hoge spannningen en een natte boel te werken en een schok heb je zomaar te pakken! Zorg er voor dat alles heel droog blijft, alleen de binnenkant van de beker tot aan het vloeistof niveau mag nat worden, verder niets. Verder nooit "rommelen" aan het circuit, als het aanstaat. Altijd eerst de stekker er uit (of de scheidingstrafo loskoppelen) als je er even aan 'rommelen' moet.

Veranderd door woelen, 24 augustus 2006 - 09:39


Dit forum kan gratis blijven vanwege banners als deze. Door te registeren zal de onderstaande banner overigens verdwijnen.

#2

Beryllium

    Beryllium


  • >5k berichten
  • 6314 berichten
  • Minicursusauteur

Geplaatst op 24 augustus 2006 - 10:03

Ik heb niet een chemische verklaring, maar logischerwijs zou je zeggen dat de combinatie Al met het oxide een halfgeleider vormt. De ene laag is dan de p-laag en de ander de n-laag.

Wat me wel intrigeert, is dat dit effect optreedt met wisselspanning, kennelijk is de reactie niet echt reversibel?
You can't possibly be a scientist if you mind people thinking that you're a fool. (Douglas Adams)

#3

Marjanne

    Marjanne


  • >1k berichten
  • 4771 berichten
  • VIP

Geplaatst op 24 augustus 2006 - 11:31

Electrochemie is lang geleden voor mij (wel mijn afstudeerrichting geweest).
Maar ik vind het leuk om een verklaring te verzinnen:

De reactie die aan de electroden plaatsvindt bestaat uit twee delen:
Het is wisselstroom dus het ene moment is Al-strip 1 anode en strip 2 kathode, het andere moment is dat andersom (zo 50 x per sec.)
Op het moment dat een strip anode is, zal Al oxideren tot Al3+ en gezien de basische electrolyt, neerslaan als Al(OH)3. Op het moment dat de strip kathode is zal waterstof ontwikkelen en ontwijken (en er ontstaat OH-). Ik vermoed dat het aluminiumhydroxide aan de strip blijft kleven en mogelijk zelfs dat hieruit de waterstofontwikkeling plaatsvindt? Zodat Al2O3 achterblijft op de strip?

Ik weet dat aluminiumoxide een zeer hoge weerstand heeft. Deze laag groeit aan, steeds langzamer totdat de weerstand te hoog wordt (en dus de stroom te laag) om de lamp nog te laten branden.

Een lamp van 25 W heeft een impedantie van ca. 2 kOhm, dus mij lijkt dat er niet zoveel aluminiumoxide gevormd hoeft te worden om de weerstand zo hoog op te drijven dat de lamp niet meer brandt.

Marjanne

#4

Napoleon1981

    Napoleon1981


  • >1k berichten
  • 2399 berichten
  • Ervaren gebruiker

Geplaatst op 24 augustus 2006 - 11:39

Wat zou de zener spanning zijn van deze diode? Nog een leuk experiment :oops:

#5

woelen

    woelen


  • >1k berichten
  • 3145 berichten
  • Ervaren gebruiker

Geplaatst op 24 augustus 2006 - 16:08

@Marjanne: Jouw verklaring is het waarschijnlijk niet, omdat er wel geleiding is in een bepaalde richting. Jouw verhaal zou plausibel zijn als het helemaal een isolator zou worden, maar dat is niet het geval. Het isoleert slechts 1 kant op (zie het als ventiel, daarin kan lucht ook maar 1 kant op stromen).



@Napoleon1981: Ik heb hier een beetje mee geexperimenteerd en ik heb de indruk dat de zenerspanning net iets boven de peikspanning van de AC bron ligt. Ik heb eerst gewerkt met 115 V AC. Ga ik dan de spanning wat opvoeren, dan brandt de lamp weer even zwakjes en na een poosje gaat hij weer uit. Ga ik dan de spanning weer verlagen, dan is er geen geleiding.

Dus, bij gebruik van 230 volt zal de zener spanning ca. 320 volt bedragen, bij 115 V dus de helft. Ik zal hier echter nog wel wat meer onderzoek naar moeten doen. Ik heb niet een variac, waarmee ik de AC-spanning langzaam kan opvoeren, ik heb alleen een transformator met meerdere taps (30, 70, 100, 120, 140 volt) en op basis daarvan kom ik tot de voorzichtige conclusie dat de zenerspanning van de diode iets boven de piekspanning ligt.



@Beryllium: Hoe moet ik dat dan zien, dat er een P-N overgang ontstaat? Zou dat komen door diffusie van oxide in metaal o.i.d. Het blijft een beetje onduidelijk voor mij wat het mechanisme dan zou zijn.

#6

The Herminator

    The Herminator


  • >1k berichten
  • 2035 berichten
  • Ervaren gebruiker

Geplaatst op 24 augustus 2006 - 16:52

Ik denk dat hij bedoelt dat je gewoon een grensvlak Al/Al2O3 krijgt. Wat dan het p- en wat het n-materiaal is zullen we even op moeten zoeken (ik heb thuis nog wat literatuur liggen uit de tijd dat ik organische zonnecellen ontwikkelde!)..... vanavond meer! :oops:

#7

DrQuico

    DrQuico


  • >1k berichten
  • 2952 berichten
  • VIP

Geplaatst op 24 augustus 2006 - 18:22

Is de Al-electrode de anode of de kathode wanneer hij geen stroom geleid?

#8

DrQuico

    DrQuico


  • >1k berichten
  • 2952 berichten
  • VIP

Geplaatst op 24 augustus 2006 - 20:09

In Advanced Inorganic Chemistry van Cotton en Wilkinson staat het volgende over de oxides en hydraten van aluminium:

The Al2O3 that is formed on the surface of the metal has still another structure, namely, a defect rock salt structure; there is an arrangement of Al and O ions in the rock salt ordering with every third Al ion missing.

Dan beredeneer ik het volgende:
Het oxide op het aluminium zou dan het p-materiaal zijn met een overschot aan electronen. Wanneer het aluminium de kathode is, dan heeft het metaal een tekort aan electronen en is een n-materiaal.

Zou dat kunnen?

#9

The Herminator

    The Herminator


  • >1k berichten
  • 2035 berichten
  • Ervaren gebruiker

Geplaatst op 24 augustus 2006 - 21:39

Je hebt gelijk! :oops:

Even opgezocht: Al2O3 (eenkristallen, "saffier" ) wordt gebruikt als standaard "high-end" p-materiaal, met een band-gap van ca. 5 eV.....

#10

Fuzzwood

    Fuzzwood


  • >5k berichten
  • 11101 berichten
  • Moderator

Geplaatst op 25 augustus 2006 - 01:45

/me vraagt zich nu af of je dat met je big-*** condensator kunt laten doorslaan :oops:

#11

Marjanne

    Marjanne


  • >1k berichten
  • 4771 berichten
  • VIP

Geplaatst op 25 augustus 2006 - 11:03

Het oxide op het aluminium zou dan het p-materiaal zijn met een overschot aan electronen. Wanneer het aluminium de kathode is, dan heeft het metaal een tekort aan electronen en is een n-materiaal.

Zou dat kunnen?


Ik weet niet zoveel (meer) van transistoren en dioden, maar het electrochemische aspect in deze proef interesseert me.

Volgens mij kun je vrij eenvoudig meten of de Al-strip kathode of anode is in spersituatie:
Doe de proef met een zinkstrip als tegenpool.
Als de lamp eenmaal half fel brandt dan vindt er gasontwikkeling plaats aan de zinkstrip als deze de kathode is. De reactie die optreedt aan de Zn-strip:

2 H2O(l) + 2 e- ---> H2(g) + 2 OH-

De Al-strip is dan anode, dus kathode in spersituatie.

Als er geen gasontwikkeling plaatsvindt aan de zinkstrip, dan is de zinkstrip de anode. De reactie die optreedt aan de zinkstrip:

Zn(s) + 4 OH- ---> Zn(OH)42- + 2 e-

De Al-strip is dan niet in sper en kathode, dus anode in sper.

De reacties heb ik uit die schitterende lijst van Jorim van 8 juni 2005.

#12

Marjanne

    Marjanne


  • >1k berichten
  • 4771 berichten
  • VIP

Geplaatst op 25 augustus 2006 - 11:21

Je zou het dan natuurlijk ook moeten kunnen zien aan de Al-strip.

Vindt hier, als de lamp half fel brandt, gasontwikkeling plaats dan is Al de kathode in niet-sper (anode in sper) door waterstofontwikkeling. Vindt er geen gasontwikkeling plaats, dan is Al de anode in niet sper (kathode in sper) en treedt de reactie:

Al ---> Al3+ + 3 e-

op. Het Al3+ vormt natuurlijk direct een oxide.

Mijn gevoel over beide reacties zegt dat de laatste situatie het geval is (dit is een gevoel, geen gegeven..., en dus door iedereen te betwijfelen :oops: )

#13

woelen

    woelen


  • >1k berichten
  • 3145 berichten
  • Ervaren gebruiker

Geplaatst op 25 augustus 2006 - 11:25

Als je een enkele aluminium strip neemt, die diode is geworden en een ander metaal, dan geleidt de cel alleen als de aluminium strip als kathode wordt gebruikt, dus een metaal-aluminium cel kun je zien als diode, welke stroom doorlaat in de richting

pluspool--->ander metaal--->vloeistof--->aluminium--->minpool,

dus electronen lopen juist in omgekeerde richting.

DrQuico, komt dit overeen met de theorie, die jij hebt?

De diode heeft ook een forward voltage nodig. Dat is een beetje wisselend, echt nauwkeurig is die niet te bepalen, maar het gaat zeker om een paar volt. Dus ook als je hem in geleiding zet, dan moet je er wel een paar volt overheen zetten, alvorens er een stroom gaat lopen.

Dit is ook zo bij echte halfgeleider diodes. Die moeten een voorwaartse spanning hebben van ca. 0.6 volt voor silicium en ca. 0.25 volt voor germanium dioden.

@FsWd: Die diode kan ik vast wel laten doorslaan met zo'n zware HV-condensator, maar dat experiment ga ik toch maar niet doen :oops: . Ik wil graag de ramen nog in mijn huis houden. Wat wel interessant zou zijn is om te zien of dit effect van diode vorming onbeperkt doorgaat. Het werkt bij spanningen in de grootte orde van 100 volt, zou het ook werken bij vele kV? Ik ben nu bezig met het bouwen van een labvoeding, die maximaal 8 kV AC en ca. 11 kV DC kan leveren. Als ik die klaar heb, dan zal ik het experiment eens herhalen met een zeer verdunde oplossing van NaHCO3 en het resultaat meld ik wel hier.

Veranderd door woelen, 25 augustus 2006 - 11:25


#14

jdeketel

    jdeketel


  • >100 berichten
  • 127 berichten
  • Ervaren gebruiker

Geplaatst op 25 augustus 2006 - 13:41

Bij het anodiseer proces wordt gebruik gemaakt van een zelfde procedé. Echter wordt hier gebruik gemaakt van zwavelzuur als electroliet.

Aluminium producten worden als anode in de electroliet gehangen. Hier wordt wel gebruik gemaakt van gelijkspanning. Hierbij worden de buitenste lagen Aluminium omgezet in aluminiumoxide. Hierbij wordt een soort van microscopische honingraatstructuur gevormd. Maar deze honingraatstructuur heeft een dikke wand. Het ziet er dus meer uit als een tekening van een benzeenring. De gaatjes lopen naar het Al basismateriaal, en hierdoor loopt ook de stroom. Want door het oxide kan natuurlijk geen stroom lopen.

Hoe langer de stroom wordt aangehouden, hoe dieper de honingraatjes worden. En daaruit ontstaat ook de weerstand. Hoe dieper de raatjes, hoe langer de af te leggen weg voor de stroom. En dus hoe groter de weerstand.

Misschien is het nu makkelijker een conclusie te trekken. Ik ga er vanuit dat jouw experiment eenzelfde structuur opbouwt. Aangezien je beschrijving precies omgekeerd is (kathode en anode) kan ik me voorstellen dat je een hoge weerstand opbouwt met de vorming van het oxide, waardoor de stroom snel stopt. Als je dan je spanning wisselt zal er wel een stroom lopen door het oplossen van het oxide. Bij weer wisselen slaat het weer dicht enz.

Ik kan me ook voorstellen (aangezien je geleidelijk steeds minder stroom hebt) dat de opbouw van het oxide makkelijker gaat dan de afbraak ervan. Als bij de afbraak namelijk waterstof wordt gevormd, dan zal dat meer stroom kosten dan de opbouw van oxide. Je oxide laag wordt steeds dikker.

Succes ermee. Probeer eens wat proefjes met gelijkspanning en een (zwavel)zure oplossing.

Jdeketel

Veranderd door jdeketel, 25 augustus 2006 - 14:00


#15

hzeil

    hzeil


  • >1k berichten
  • 1379 berichten
  • Ervaren gebruiker

Geplaatst op 25 augustus 2006 - 14:01

Woelen, het is mij onmogelijk op alle deze posts tegelijk in te gaan. Je hebt bij de wisselstroomelectrolyse met een of twee Al-electrodes te maken met "electrolytic rectification". Een kathodische stroom wordt probleemloos doorgelaten voor zuurstofreductie of waterstofvorming. Maar een anodische stroom wordt geblokkeerd door de oydevorming.

Je krijgt het mooiste effect met heel zuiver aluminiumfolie en een electroliet bestaande uit borax met wat boorzuur die buffert bij pH = 7.6
Dat komt door de geometrische overeenkomst tussen de boraationen en het Al-oxyde dat gevormd wordt. Hiervan wordt ook gebruik gemaakt bij het formeren van een electrolytische condensator op basis van Al.
Het is heel handig en veilig om een gloeilamp als voorschakelweerstand te gebruiken. Als je twee Al-electrodes gebruikt wordt de stroom in twee richtingen geblokkeerd. Maar als je een Al electrode en een Pt electrode kiest is de uitdoving veel geringer. Dan heb je in principe al een electrolytische gelijkrichter. Maar wel een hele slechte. In kathodische richting wordt wel meer lading doorgevoerd dan in de anodische. Maar de anodische stroom is niet helemaal nul. Gemiddeld is de stroom echter kathodisch.


Bedenk wel dat wisselstroomelectrolyse heel anders is dan die met gelijkstroom. De stroom wordt doorgelaten via twee van elkaar onafhankelijke parallele wegen:
1. De capacitieve weg via ionverschuivingen in de electrochemische dubbellaag ( Gouy-laag). Hiermee zijn geen reacties verbonden. Alleen ionbewegingen waarin deze dubbellaag functioneert als een dielectricum. Alle ionen in de electroliet doen hier aan mee.
2. de Faradayse weg via de electrochemische doorgangsreacties, in twee richtingen.



Hoe hoger de AC-frequentie hoe meer de wisselstroom kiest voor de capacitieve weg. In het algemeen geldt 50 c/s als een lage frequentie voor electrochemische reakties. Het is dus grotendeels een electrolysestroom bij deze frequentie. Je kunt dit beschrijven met een condensator waaraan een weerstand parallel geschakeld is.

De gelijkrichting berust dus op de irreversibiliteit van de reactie. Eenmaal gevormd
Al-oxyde wordt daarna niet meer gereduceerd in een kathodische fase.

Reversibiliteit treedt echter wel op aan een koper electrode! Probeer eens het volgende: Twee geschuurde Cu-electroden in 1 M zwavelzuur. Hierdoor wisselstroom leiden zoals Woelen het beschrijft. Dus met diverse lampen als varieerbare voorschakelweerstand.
Resultaat. Anodisch gevormde koperionen worden direct in de volgende kathodische fase weer teruggevangen. De oplossing wordt niet blauw, maar de structuur van het oppervlak verandert drastisch. Het teruggevangen koper komt op andere plaatsen terecht en dat zie je direkt. Het lijkt op oppervlakterekristallisatie. Zet er eens een roerder in. Wordt de oplossing dan wel blauw?
Uitleggen is beter dan verwijzen naar een website





0 gebruiker(s) lezen dit onderwerp

0 leden, 0 bezoekers, 0 anonieme gebruikers

Ook adverteren op onze website? Lees hier meer!

Gesponsorde vacatures

Vacatures