Versuch: Akku zusammen mit einer Glühlampe
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Elektrik Lehrwerkstätten und Berufsschule für Mechanik und Elektronik CH-8400 Winterthur Zeughausstrasse 56 Tel. 052 267 55 42 Fax 052 267 50 64 Halter für Galvanikversuche P A9 4 1 0 Inkl.Versuchsanleitung: Dank kleinen Abmessungen werden nur wenig Chemikalien benötigt. Der Halter wurde speziell für den Einsatz in Schülerübungen zum Thema „Galvanische Elemente“ entwickelt. Trotz kleinen Abmessungen kann mit normalen 4 mm Laborkabeln gearbeitet werden. Die farbigen Kunststoffhülsen schaffen Klarheit beim Versuchsaufbau. Technische Daten: • Roter bzw. blauer 4 mm Lamellenstecker mit axialer 4 mm Buchse, auf Alu-Halter montiert • Halterbreite 40 mm • Steckerteile vergoldet, d.h. guter Korrisionsschutz • Halterstab aus Aluminium, ø10 mm × 150 mm inkl. ausführlicher Versuchsbeschreibung mit 3 Schülerblättern zu den Themen: − Die Voltazelle (Galvanisches Element, Batterie) − Der Bleiakkumulator − Galvanisieren von Metallen (chemische Wirkung des Stromes) Empfohlenes Zubehör: PA 9307 Krokodilklemme, blank, 5 Stück PA 9414 Schmirgeltuch 25 × 300 mm, 5 Stück PA 0941 Dose PP, 125 ml, ø63 mm, (dicht verschliessbar und säurefest) PA 9411 Elektroden, 1 Satz (Cu, 2 Fe, MS, 2 Pb, 2 Kohle, 2 Zn) Preis- und technische Änderungen vorbehalten PA9410.DOC 05/03 HP PA9410 1. Galvanische Elemente Sie wandeln chemische in elektrische Energie um. Da dieser Prozess nicht umkehrbar ist, spricht man von Primärelementen. 1.1 Prinzip Zwischen zwei in einer Flüssigkeit (Elektrolyt) getauchten, elektrischen Leitern baut sich eine Spannung auf, deren Grösse stoffabhängig ist. Der Wert entspricht der sogenannten Normalpotential gegen die Normal-Wasserstoff-Elektrode bei 25°C, d.h. der elektrochemischen Spannungsreihe und reicht von +1,50 V für Gold bis -2,4 V für Magnesium. 1.2 Die elektrochemische Spannungsreihe Zwischen einer Kupferplatte und einer Zinkplatte baut sich eine Spannung von 0,34 V bis -0,76 V = 1,10 V auf. Dabei geht das unedlere Metall in Lösung, hier also die Zinkplatte. Material Spannungswert Verhalten 1,50 V 1,20 V 0,80 V 0,80 V 0,74 V 0,34 V 0,14 V 0,00 V -0,13 V -0,14 V -0,23 V -0,44 V -0,56 V -0,76 V -1,67 V -2,40 V Edel ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ Gold Platin Quecksilber Silber Kohle Kupfer Antimon Wasserstoff Blei Zinn Nickel Eisen Chrom Zink Aluminium Magnesium ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ Unedel 1.3 Das galvanische Element im Schülerversuch Das Volta-Element → Schülerversuch Seite 4 2. Batterien Batterien sind galvanische Elemente, die technisch so aufgearbeitet wurden, dass sie als ortsunabhängige Spannungsquellen eingesetzt werden können. Aus technischen Gründen haben sich nur wenige Batterietypen durchgesetzt. 2.1 Die Leclanché-Batterie 1,5 V Sie ist eine Weiterentwicklung des Volta-Elements und die am häufigsten verwendete Batterie. Sie geht auf eine Entwicklung des französischen Ingenieurs Leclanché zurück, der seine Erfindung 1867 auf der Weltausstellung in Paris vorstellte. Der Batteriebehälter aus Zink ist der Minuspol, den Pluspol bildet ein Graphit-Stab, der aus einem Gemisch aus Graphit und Braunstein (MnO2) umgeben ist. Als Elektrolyt dient eine 20% NH4C1-Lsg., die mit Quellmitteln wie Stärke eingedickt ist. Die Batterie liefert eine Spannung von 1,5 V. Das am positiven Pol entstehende Wasser (stark chemisch verunreinigt, aggressiv) kann „Auslaufen“ und anliegende Geräte beschädigen. Moderne Batterien dieses Typs sind daher mit einem „wasserdichten“ Stahlmantel umgeben (auslaufsichere Batterie). Preis- und technische Änderungen vorbehalten PA9410.DOC 2/ 7 05/03 HP PA9410 2.2 Die Alkali-Mangan-Batterie Sie ist im Prinzip ähnlich aufgebaut wie die Leclanché-Batterie: Zink-Pulver-Elektrode in Braunstein (=Mangan im Namen), Elektrolyt ist aber Kaliumhydroxid-Lsg. Da diese Lösung erst bei -60°C vollständig erstarrt und nicht schon wie die obige bei -20°C, ist dieser Typ auch noch bei tiefen Temperaturen einsetzbar. Ausserdem entlädt sie sich nicht so schnell von selbst beim Liegenlassen. 3 Der Bleiakkumulator Akkumulatoren sind galvanische Elemente, in denen auf Grund reversibler elektrochemischer Vorgänge elektrische Energie gespeichert und bei Bedarf wieder entnommen werden kann. Aufladung: Entladung: elektrische Energie wird in chemische Energie umgewandelt. chemische Energie wird in elektrische Energie umgewandelt. Beim Bleiakkumulator handelt es sich um eine galvanische Kette Pb/H2SO4/PbO2, bei der die Bleielektrode der Minuspol, die Bleidioxidelektrode der Pluspol ist. Da beim Entladungsvorgang Wasser entsteht, nimmt die Konzentration der Säure mit fortschreitender Entladung des Akkumulators ab. Dadurch wir es möglich, den Ladungszustand eines Bleiakkumulators zu kontrollieren, in dem die Dichte der Säure gemessen wird. 3.1 Der Akku im Schülerversuch 3.1.1 Versuch zusammen mit Glühlampe → Schülerversuch Seite 5 3.1.2 Versuch zusammen mit Elektromotor → Schülerversuch Seite 6 4 Galvanisieren Wie beim Galvanischen Element werden auch beim Galvanisieren zwei Elektroden in einen Elektrolyten getaucht. Nur werden beim Galvanisieren die Elektroden an eine Spannungsquelle angeschlossen. Dadurch wird der Vorgang umgekehrt: Während in einer Batterie Spannung erzeugt wird, und dabei Material der Elektrode abgebaut wird, wird beim Galvanisieren durch Anlegen einer Spannung Material aufgetragen, eine Elektrode wird mit Metall überzogen. In der Industrie werden so z. B. Eisenteile verchromt. 4.1 Galvanoplastik Dabei werden dreidimensionale Gegenstände hergestellt. Von einem Original wird aus Silikon ein Negativabdruck hergestellt. Der wird mit Graphitpulver leitend eingestrichen und dann in ein geeignetes Bad zum Galvanisieren getaucht. Nach Entfernen der Silikon- und Graphitschicht liegt eine Kopie des Originals vor. 4.2 Galvanisieren im Schülerversuch Galvanisieren, zeigt eine Wirkung des elektrischen Stroms → Schülerversuch Seite 7 Preis- und technische Änderungen vorbehalten PA9410.DOC 3/ 7 05/03 HP PA9410 Die Voltazelle Schülerblatt Die Batterie (eine elektrische Energiequelle) ist durch ihre Spannung U gekennzeichnet. Sie gibt die Stärke der Batterie an. Um das Jahr 1800 baute der italienische Physiker Graf Alessandro Volta (1745 - 1827) die erste brauchbare elektrische Stromquelle, die Voltazelle (Voltaelement), die während längerer Zeit einen Strom liefern konnte. Ihm zu Ehren heisst die Spannungseinheit 1 Volt : 1 V (U=1 V) Versuchsaufbau: Spannungsmessgerät V - Kupferplatte + Zinkplatte Schwefelsäure, 10% Eine Zinkplatte und eine Kupferplatte werden mit Krokodilklemmen am Halter befestigt und in verdünnte Schwefelsäurelösung (10 %), die sich in einer kleinen Kunststoffdose befindet, eingetaucht. Über ein Spannungsmessgerät werden die beiden Metallplatten durch Kabel verbunden. Es ist ca. 1 Volt Spannung messbar. Nun können auch mehrere solcher Voltazellen in Serie geschaltet werden → Wir messen nun 2, 3, 4, usw. Volt Spannung. Der Minuspol der Zelle 1 wird dabei verbunden mit dem Pluspol der Zelle 2 und der Minuspol der Zelle 2 verbunden mit ... usw. Bei der Serieschaltung von elektrischen Stromquellen addieren sich die Einzelspannungen! Am Schluss des Versuches werden die Metallplatten getrocknet (nicht mit dem Nastuch!) und mit Metallschmirgeltuch sauber poliert. Die Spannung dieses Elements nimmt im Betrieb mit der Zeit etwas ab → es bildet sich eine Sperrschicht zwischen Metallplatte und Schwefelsäure. In Labors verwendet man heute noch sogenannte. Normalelemente z. B. das Westonelement aus Quecksilber und Cadmium, es hat eine Spannung von 1,01 Volt. Von den vielen (Galvanischen) Elementen, die Volta mit verschiedenen Metallen zusammengestellt hat, ist nur noch die Taschenlampenbatterie (Kohle/Zink) in Gebrauch. Material: (Detail siehe Seite 6) Kupferplatte, Zinkplatte, Halter für Galvanikversuche, Krokodilklemmen, Kunststoffdose, 10% Schwefelsäure in Kunststoffflasche, Spannungsmessgerät, div. Kabel, Schutzbrille Preis- und technische Änderungen vorbehalten PA9410.DOC 4/ 7 05/03 HP PA9410 Der Akkumulator Schülerblatt A) Versuch: Akku zusammen mit einer Glühlampe Der Akkumulator (kurz Akku genannt) ist eine wiederaufladbare Batterie. Versuchsaufbau: Baue eine „Voltazelle“. Anstelle einer Kupferplatte und einer Zinkplatte nimmst Du 2 Bleiplatten und bringst sie auch in verdünnte Schwefelsäure. Schutzbrille! Miss die Spannung über den Bleiplatten. Die Spannung beträgt Null Volt. Der Akku ist leer (gleiches Material der beiden Platten). + - + - 1. Laden des Akkus mit dem Netzgerät Du schliesst den Akku am Netzgerät an: Lade etwa 1 Minute (2-3 V), Netzgerät abstellen und Kabel lösen. Betrachte die beiden Bleiplatten. Die eine Bleiplatte (+ Pol) ist bräunlich geworden durch die chemische Wirkung des elektrischen Stromes (Schicht von Bleidioxid). Schliesse das Spannungsmessgerät an die beiden Platten an, es zeigt ca. 2 Volt Spannung an. 2. Entladen des Akkus An die Stelle des Netzgeräts kommt ein Lämpchen. Es brennt kurz. Es fliesst ein dem Ladestrom entgegengesetzter Entladestrom, die Spannung sinkt ab. Die chemischen Veränderungen des Ladevorgangs werden rückgängig gemacht. Die braune Schicht löst sich langsam ab. Laden/Entladen mit Umschalter: Baue die nebengezeichnete Schaltung auf und zeige sie vor dem in Betrieb nehmen Deiner Lehrerin oder Deinem Lehrer. Wie lange brennt das Lämpchen? Þ Wenn Dein Versuch beendet ist, schmirgle die beiden trockenen Bleiplatten gut ab (keine Rückstände)! Þ Die Schwefelsäure wird zurückfiltriert! A - Material: (Detail siehe Blatt 6) 2 Bleiplatten, Halter für Galvanikversuche, Krokodilklemmen, Kunststoffdose, Lämpchen 2 V oder LED, 10% Schwefelsäure in Kunststoffflasche, Umschalter Spannungsmessgerät, (ev. Strommmessgerät), Netzgerät zum Laden, div. Kabel, Schutzbrille Preis- und technische Änderungen vorbehalten PA9410.DOC V + + 5/ 7 05/03 HP PA9410 Der Akkumulator Schülerblatt B) Versuch: Akku zusammen mit einem Elektromotor Versuchsablauf: Laden: Mit einem Netzgerät wird der AKKU während ca. 1 min. geladen. Die eine Bleiplatte (+) verfärbt sich durch die elektrische Wirkung des Stromes dabei bräunlich. (Schicht von Bleidioxid). Beachte die Stromrichtung am A-Meter. 0.000 V Ladespannung 3-4 V v A + - 0 laden entladen - + Entladen: Durch umschalten des Drehschalters wird der AKKU an den Elektromotor geschaltet. Dieser beginnt sofort zu drehen und läuft einige Sekunden. Die braune Schicht an der (+) Platte löst sich langsam ab. Beachte die Stromrichtung am A-Meter. -+ 0 Pb Pb A Beachte auch den Text zu Versuch 1! Materialliste (Für alle Versuche dieser Beschreibung): Stück 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 div. Artikel-Nr. PA 0941 PA 1124 PA 1128 PA 1130 PA 7190 PA 7493 PA 7498 PA 7702 PA 8527 PA 8540 PA 8590 PA 8591 PA 9307 PA 9410 PA 9411 PA 9414 PA 7310- 17 Bezeichnung Dose 125 ml, D=63 mm, PP Doppelmuffe D=10 mm, gekreuzt Rundfuss Stativstange 150 mm, rund Netzgerät 0...30 VDC/0...3 A, stab. Multimeter, analog, Nullp. li/Mitte Multimeter, digital, MY-68 Glühlampe E10, 2,5 V 0,2 A, 5 Stück Drehschalter 1 x 3U + 0 Lampenfassung E10 Motor/Generator 0...4,5 VDC Propeller D=70 mm Krokodilklemmen blank, 5 Stück Halter für Galvanikversuche Elektroden, 1 Satz Schmirgeltuch, 25 x 300 mm, 5 Stück Verbindungskabel 4 mm, rot, blau Preis- und technische Änderungen vorbehalten PA9410.DOC 6/ 7 Bemerkung absolut dicht verschliessbar Strommessung Spannungsmessung anstelle PA 8590, 1 Stück anstelle PA 8590 gebraucht werden 2 Stück Cu, Fe, Ms, Pb, Zn, Kohle pro Schülerplatz 1 Stück 05/03 HP PA9410 Galvanisieren (Chemische Wirkung des elektrischen Stromes) Schülerblatt Den elektrischen Strom kann man nicht sehen, man kann ihn nur an seiner Wirkung erkennen. Eine dieser Wirkungen ist die chemische Wirkung. Dabei wird eine chemische Verbindung (z. B. Kupfersulfatlösung 10 %) durch den elektrischen Strom in seine Bestandteile zerlegt. Man nennt dieses Verfahren Elektrolyse. Diese Methode wird gebraucht bei der Gewinnung von reinen Metallen oder beim hauchdünnen Beschichten von Metallen (galvanisieren). Versuchsaufbau: Kohlestift Kupfersulfatlösung 2 Kohlestifte werden mit Hilfe der Aufhängevorrichtung mit Klemmen befestigt und in eine blaue Kupfersulfatlösung, die sich in einer Kunststoffdose befindet, eingetaucht. Die Kohlestifte werden durch Kabel mit dem Netzgerät verbunden, dessen Spannungsregler dann langsam bis auf ca. 4 Volt aufgedreht wird. Am einen Kohlestift (+) Pol steigen Gasblasen auf und am andern Kohlestift (-) Pol lagert sich eine rötliche Schicht von reinem Kupfer an (Umkehrvorgang beim Vertauschen der Stromanschlüsse). Ersetzt man den Kohlestift des (+) Pols durch eine Kupferplatte, so kann die Verkupferung verbessert werden, z. B. beim Verkupfern eines Eisennagels oder einer Münze, die man an Stelle des Kohlestifts am (-) Pol einklemmt (Spannungen unter 2 Volt verwenden). Material: (Detail siehe Seite 6) 2 Kohlestifte, 1 Kupferplatte, Halter für Galvanikversuche, Krokodilklemmen, Kunststoffdose, Kupfersulfatlösung 10 %, Netzgerät, div. Kabel, Plattenstativ, Doppelmuffe, etwas Metallschmirgeltuch Preis- und technische Änderungen vorbehalten PA9410.DOC 7/ 7 05/03 HP
