fruitcel

lab

Voor natuurkunde maken we serie en parallel schakelingen van elektrochemische cellen.

Voor ons practicum hebben we enkele metalen staafjes en diverse zoutoplossingen. Tevens is een deelvraag of fruit gebruikt kan worden als batterij.

Welke chemische reactie's vinden plaats wanneer bijv. een koper en magnesium staafje in een keukenzout oplossing worden geplaatst en vinden deze reactie's ook plaats in een kiwi of citroen wanneer een stukje lood en zink worden gebruikt.

Groetjes,

Ronald

woelen

Dit zijn leuke experimenten. Er vinden twee reakties plaats aan de electroden, en er vindt een ionen stroom plaats in de vloeistof.

Bijvoorbeeld met zink en koper strips:

Zinkstrip: Zn --> Zn²⁺ + 2e

. . . . . electronen lopen door je electrische circuit (laten bijv. LED gloeien).

Koperstrip: Ox + 2e ---> Ox,e

Hier bedoel ik met Ox een bepaalde stof, welke electronen opneemt (een oxidator). Een voorbeeld is (wanneer de koperstrip in een oplossing van kopersulfaat is ondergedompeld):

Cu²⁺ + 2e ---> Cu

Dus, de zink strip wordt de min-pool en deze geeft electronen af (en lost op). Aan de plus pool moet een stof zijn, welke electronen kan opnemen. Bij fruit is dit organisch materiaal (citroenzuur???). Voor ieder electron, dat aan de min-pool wordt afgegeven wordt er aan de plus-pool weer een electron opgenomen.

De oplossing moet ook ionen bevatten. Deze ionen zorgen er voor dat er lading door de vloeistof kan lopen. Je krijgt nl. geen ladings-ophoping bij de electroden. Als dat wel zo zou zijn, dan zou de reactie snel stoppen.

Dit experiment gaat heel goed met twee bekers A en B.

Doe in beker A een zoutoplossing.

Doe in beker B een kopersulfaat oplossing.

Doe een Zn-strip in A

Doe een Cu-strip in B

Neem een slangetje, vul dit met zoutoplossing en doe watten aan de uiteinden, volgezogen met zoutoplossing. Dompel het ene eind in de beker A en het andere eind in beker B. Sluit vervolgens een LED aan tussen de beide metaal strips.

hzeil

Het is een beetje anders dan Woelen schrijft. De Ox is hier gewoon zuurstof O₂ die tot waterstof peroxyde wordt gereduceerd. Deze fruitcel is gewoon een slecht functionerende Zink-lucht cel. Het citroenzuur funtioneert alleen maar als een electroliet zonder dat deze geoxydeerd of gereduceerd wordt.

Alle fruitcellen presteren slecht vanwege de sterke polarisatie rond de electroden. Een goed functionerende zink-lucht cel is de minicel in Uw polshorloge.

woelen

Dat is een heel interessante opmerking die je daar maakt, hzeil.

Dus, als ik fruitsap eerst uit zou koken, dan zou de cel helemaal niet meer werken?

Die tweede opmerking over vorming van waterstof peroxide ga ik binnenkort eens testen. Dat wil ik wel eens zien. Hzeil, wat denk je wat er gebeurt als ik het volgende doe?

Ik los in een beker met water een theelepel citroenzuur op (dat is de electroliet van fruit). Ik voeg 1 kristalletje K₂Cr₂O₇ (ca. 1 mm³) toe en los dit ook op. Ik neem een zink en koper plaatje en gebruik die als electroden. Als ik het circuit dan sluit, dan verwacht ik een duidelijk waarneembare blauwe stof bij het koperplaatje. Als er echt H₂O₂ ontstaat, dan moet dat zeker te zien zijn, omdat er dan CrO₅ ontstaat met het dichromaat. CrO₅ is intens blauw. Ik heb daar wel eens oplossingen van gemaakt van 0.1% HCl, 0.1% H₂O₂ en 0.05% K₂Cr₂O₇. Met dergelijke lage concentraties krijg je al een prachtig diepblauwe oplossing.

Denk je inderdaad dat ik de blauwe stof ga zien? Dit lijkt mij een heel interessante waarneming. Ik dacht nl. altijd dat cittroenzuur of een ander organisch iets de electronen weer opneemt.

Wat ik ook kan doen is de cel een tijdje laten lopen, en dan wat K₂Cr₂O₇ toevoegen. Het zou anders natuurlijk kunnen zijn dat het dichromaat als oxidator dienst gaat doen en dan zie je alsnog geen blauw CrO₅.

hzeil

Nu pas heb ik tijd om te reageren op de post van Woelen ( di 26 sept 00.54 uur) over de fruitcel.

Ik ben het eens met zijn conclusie dat de organische zuren in fruit niet deelnemen aan de redoxreakties en alleen maar dienen als een geleidingselectroliet. De redoxreakties verlopen alleen aan het koper (zuurstof reduktie) en aan het zink ( zink-oxydatie). De zuren doen nog wel mee als dissocieerbaar zwak zuur. Maar dat is geen redoxreaktie. In de buurt van de anode treedt er altijd zuurvorming op en in de buurt van de kathode basevorming. Ongeacht of we als "fruit" een citroen, sinaasappel, appel, augurk of een aardappel kiezen. We kunnen ook kiezen voor een spons, gedrenkt in zout water. In alle gevallen krijg je ongeveer dezelfde EMK ( ik denk 0.7 Volt). Maar de belastbaarheden zullen onderling sterk verschillen door de verschillen in electrolietweerstand.

Ik verwacht niet dat de waterstofperoxyde die aan de koper-elektrode onstaat aantoonbaar is met kaliumbichromaat. Voor de vorming van het blauwe chroompentoxyde ( een van de chroomperoxyden) heb je een heel geconcentreerde waterstofperoxydeoplossing nodig. Maar die komt er niet aan het koper. Het H₂O₂ ontleedt direkt weer tot zuurstof en water en dan begint de reductie van zuurstof weer op nieuw. Zelfs het geperfectioneerde enzymsysteem voor de biologische reductie van zuurstof is niet in staat om vier electronen in een reaktie aan het zuurstofmolecule toe te voegen. Ook daar gaat het dus via H₂O₂ . Dus in stappen van twee. Katalase moet daar helpen het peroxyde direkt weer te ontleden.

Om terug te komen op de fruitcel: Door de hoge inwendige weerstand kan hij maar weinig vermogen ( in Watt's) afgeven. In de praktijk blijkt dat vermogen maximaal te zijn als de celspanning ongeveer 70% van de EMK is. Theoretisch, bij een cel met een lineaire stroom-spanningskarakteristiek, is het precies 50%.

Maar dan pleeg je roofbouw op je batterij. Dat gebeurt vaak als men electromotoren met een batterij gaat aandrijven. Door de grote polarisatie stort de klemspanning dan snel in elkaar. Met een fruitcel kun je alleen maar een heel zuinig lampje laten branden.

woelen

Voor de vorming van het blauwe chroompentoxyde ( een van de chroomperoxyden) heb je een heel geconcentreerde waterstofperoxydeoplossing nodig.

Wat versta je onder "heel geconcentreerd"? Ik heb experimenten gedaan met 0.01% H₂O₂ en 0.01% K₂Cr₂O₇ (10 mg in 100 ml water). Met zulke lage concentraties krijg je duidelijk zichtbaar fraai blauw CrO₅ te zien. Met 0.1% wordt de oplossing zelfs zo donker dat je er niet meer doorheen kunt kijken. Dat CrO₅ is echt zeer intens gekleurd.

hzeil

In mijn gedachten was ik bezig met het preparatief maken van chroompentoxyde en dan heb je hoge concentraties nodig van zowel waterstofperoxyde als chroomzuur. Je kunt het pentoxyde daarna uit de waterfase halen door het, net als een organische stof, op te nemen in aether.

Een fruitcel met citroensap kunnen we ook in een bekerglaasje maken. Met een deksel met twee gleuven. Een voor het koper en de andere voor het zink. Dan kun je alles goed observeren.

Maar wat gebeurt er na toevoeging van wat kaliumbichromaat? Wordt dit dan geoxydeerd tot chroompentoxyde of wordt het gereduceerd aan het koper. In de plaats van de zuurstof?

Dit is zo niet goed voorspelbaar. Dat moet je eerst maar eens doen. Toevoegen van de bichromaationen zal de potentialen van beide electroden Cu en Zn wat verhogen. In gelijke mate? Dat is zo niet te zeggen. De celspanning kan zowel omhoog als omlaag gaan. Voor mij staat wel vast dat deze cel dan als stroombron niet meer deugt. Want na het uitzetten van het lampje gaat de zelfontladingsreaktie in de vorm van oxydatie van zink door het bichromaat gewoon door met groenkleuring door de vorming van chromi-ionen. En dan weet je niet meer wat je ziet.

Wetenschapsforum

Laatste berichten

Nieuwsberichten

fruitcel

fruitcel

Re: fruitcel

Re: fruitcel

Re: fruitcel

Re: fruitcel

Re: fruitcel

Re: fruitcel