9.5 Fra elektrolysecelle til oppladbart batteri

Oksygengass og hydrogengass kan lages ved elektrolyse av vann. Vi bruker oppløst natriumsulfat som elektrolytt og to grafittstaver som elektroder.  Reaksjonen er ikke spontan, men går ved å tilføre energi fra et batteri.

2H2O(l) 2H2(g) + O2(g)      Eocelle = –2,06 V

Når vi avslutter elektrolysen, vil det sitte igjen gassbobler på begge elektrodene. Det er hydrogengass på den ene elektroden og oksygengass på den andre. Disse gassene kan reagere med hverandre og gjendanne vann. Reaksjonen er spontan, og vi har derfor fått en galvanisk celle.

2H2(g) + O2(g) 2H2O(l)      Eocelle = +2,06 V

I forsøket skal vi bruke dioder til å vise at vår galvaniske celle leverer strøm. En diode lyser når det går strøm gjennom den. Da dioden leder strøm bare én vei, kan vi også avgjøre hvilken vei elektronene går.

Problemstilling

Hvordan kan en elektrokjemisk celle der vann spaltes, bli til en galvanisk celle og et oppladbart batteri?

 

UTSTYR

Utstyr for gruppen

•   10 % Na2SO4, natriumsulfatløsning

•  grafittelektroder (f.eks. Faber-Castell TK 9071)

•  reagensrør med plastpropp

•  spiker med samme tykkelse som grafittelektrodene

•  modelleire

•  to dioder, 1,5 V (to hvite eller en rød og en grønn)

•  tre ledninger med krokodilleklemmer

•  batteri, 4,5 V eller 9 V

•  hvitt ark

•  gassbrenner, fyrstikker

•  (stativ)

 

Fremgangsmåte og observasjoner

Elektrolysecelle

1)  Lag to hull i plastproppen med en spiker som du varmer i en gassflamme.

2)  Tre grafittelektrodene gjennom hullene og sett proppen i reagensrøret. Skyv elektrodene så langt ned i røret som mulig. Fyll hulrommet i plastproppen med modelleire slik at elektrodene står støtt og holdes fra hverandre nede i røret. Ta ut proppen igjen.

3)  Fyll elektrolysecellen med natriumsulfatløsning og sett i proppen med elektrodene. Sett denne elektrolysecellen i en klump modelleire på et stykke hvitt papir på bordet.

 

Elektrolyse

4)  Kople sammen diodene og batteriet slik at et positivt ben og et negativt ben fra hver diode holdes sammen med en krokodilleklemme og koples sammen (grønn ledning på bildet øverst på forrige side) til negativ pol på batteriet. De to andre bena på diodene koples også sammen og festes (rød ledning) på den ene grafittelektroden. Kople den tredje ledningen (svart) fra den andre grafittelektroden og la den ligge klar for å kople til den positive polen på batteriet. Pass på at både diodene og batteriet ligger på det hvite arket.

5)  Noter batteriets poler på arket. Sett i gang elektrolysen ved å kople den løse ledningen til batteriets positive pol.

6)  Merk av på papiret hvor diodene er, og skriv «E» ved siden av den lysende dioden. Skriv fortegn på de to tilkoplingspunktene og tegn en pil som viser hvilken vei elektronene beveger seg gjennom den lysende dioden under elektrolysen.

7)  Noter på arket hvilken grafittelektrode som er positiv og hvilken som er negativ under elektrolysen. Observer gassdannelsen på begge elektrodene. Noter på arket ved hvilken elektrode det dannes mest gass. Kople fra ledningen på batteriets positive pol og la den ligge løs.

I elektrolysecellen er det nå gassbobler på begge elektrodene. Det er oksygengass på den ene elektroden og hydrogengass på den andre.

 

Galvanisk celle?

8)  Kople den løse ledningen fra punkt 7 til den positive polen på batteriet der den andre ledningen er festet. Batteriet er nå koplet ut. Observer hvilken lysdiode som lyser og skriv «G» ved siden av den. Tegn en pil som viser hvilken vei elektronene beveger seg gjennom dioden som nå lyser.

 

Oppladbart batteri?

9)  Når dioden ikke lenger lyser, kolber du om til elektrolyse ved å flytte den sorte ledningen tilbake til den positive polen på batteriet. Elektrolyser i en bestemt tid, f.eks. 5 s. Kople fra batteriet igjen (flytt ledningen fra positiv til negativ pol) og ta tiden på hvor lenge batteri-dioden lyser.

10) Punkt 9) kan gjentas flere ganger. Undersøk om det er noen sammenheng mellom oppladningstid og utladningstid.

 

Resultater og spørsmål

Elektrolyse

a)  Bruk notatene på arket og lag en oversiktlig figur som viser hele kretsen med ledninger, sammenkoplede dioder, elektrolysecelle med elektroder og batteri under elektrolysen. Sett fortegn på batteriets poler, diodebena til dioden som lyser, og elektrodene i elektrolysecellen. Tegn en pil langs en av ledningene for å vise hvilken vei elektronene beveger seg i kretsen. Tegn inn gassbobler på elektrodene, mest på den elektroden hvor det ble dannet mest gass.

b)  Skriv halvreaksjonen ved siden av hver elektrode.

c)  Skriv ligning for totalreaksjonen i elektrolysecellen. Vurder hvordan denne passer med din observasjon av at det ikke ble dannet like mye gass ved begge elektroder.

 

Galvanisk celle og oppladbart batteri

d)  Bruk notatene på arket og lag en oversiktlig figur tilsvarende den i punkt a for elektrolysen.

e)  Forklar hvorfor du har fått dannet en galvanisk celle.

f)   Forklar hvorfor denne elektrokjemiske cellen kan ses på som et oppladbart batteri.

g)  Hvilken sammenheng er det mellom oppladningstiden og tiden batteriet bruker på å bli utladet?

 

RISIKOVURDERING

Egenskaper ved stoffene

•   10 % Na2SO4: Vurdert ikke merkepliktig

Faremoment ved gjennomføringen

Åpen flamme (gassbrenner).

Spesielle tiltak

Unngå løst hår og løse klær. 

Avfallshåndtering

Natriumsulfatløsninger tømmes i vasken og skylles ned med vann.