exercise/toerrbatteri.tex

   1 % category: green
   2 \chapter{Vi bygger tørrbatteri}
   3 \label{torrbatteri}
   4 \index{Bygge tørrbatteri|textbf}
   5
   6
   7 \section*{Innledning}
   8 (Et svart pulver strøs på en fuktig svampmatte. Matten rulles rundt en stav av karbon. Deretter ruller vi sinkfolie rundt denne igjen. Når karbonstaven og sinkfolien er koblet til en motor, vil motoren gå rundt.)\\
   9 \newline
  10
  11
  12 \section*{Framgangsmåte}
  13 Bruk hansker, dypp svampen ned i den metta løsningen av NH$_{4}$Cl. Klem overskuddet av løsning vekk etterpå. Legg svampen som nå er skikkelig fuktet med NH$_{4}$Cl-løsningen ned på benken. Spre 4 gram med MnO$_{2}$ i et lag på oversiden av svampen. Nå ruller du svampen rundt en karbonstav slik at laget med MnO$_{2}$ kommer imellom karbonstaven og svampen. Deretter ruller du og omgir svampen tett med en bit sinkfolie. Vær nøye med at sinkfolien \textbf{ikke} kommer i kontakt med karbonstaven (se figur \ref{batt1})! \\
  14 \newline
  15 \begin{figure}[h]
  16 \centering
  17 \includegraphics[width=0.8\textwidth]{images/torrcelle/torrcelle1}
  18 \caption{Oppbyggingen av tørrbatteriet.} \label{batt1}
  19 \end{figure}
  20 Surr deretter cellen sammen med streng slik at lagene i rullen holder seg på plass. Mål spenningen som tørrbatteriet gir ved å feste den ene proben til karbonstaven og den andre til sinkfolien. Noter ned spenningen på et ark. Fest til slutt ei ledning med krokodilleklemme til karbonstaven og til terminalen på en liten motor og ei ledning fra sinkfolien til den andre terminalen på motoren. Motoren starter og vil nå gå ihvertfall i 30 minutter.
  21
  22
  23 \section*{Teori}
  24 I denne øvelsen har vi konstruert en tørrcelle fra en karbonstav som er omgitt av mangandioksid, som igjen er omgitt av en fuktet svampbit med ammoniumklorid løsning og deretter et lag med sinkfolie. Sink og karbon elektrodene har forskjellig potensiale. Denne cellen produserer i begynnelsen rundt 1.5 volt og elektronene strømmer gjennom den eksterne kretsen fra sinken til karbonstaven i sentrum. Reaksjonen som produserer elektroner er oksidasjonen av sinkmetall (se figur \ref{batt22}):
  25 \begin{equation}\label{batt22}
  26     Zn  \longrightarrow  Zn^{2+}  +  2e^{-}
  27 \end{equation}
  28 Ved karbonelektroden blir mangandioksid redusert.Den faktiske reaksjonsmekanismen som foregår ved karbonelektroden har lenge vært gjenstand for mye debatt. Kozawa og Powers $\lbrack$4$\rbrack$ postulerte en ettrinns fastfase, proton-elektron mekanisme, hvor det er mangandioksidets krystallgitter som aksepterer elektronene og protonene. Hvor man under en fortsatt utladdning får økt konsentrasjon av Mn$^{3+}$ og OH$^{-}$, noe som gir følgende mulige reaksjon ved katoden:
  29 \begin{equation}\label{batt23}
  30     MnO_{2} (s)  +  H_{2}O (l)  +  e^{-}  \longrightarrow  MnO(OH) (s) + OH^{-} (aq)
  31 \end{equation}
  32 Dette er den vanligste reaksjonsmekanismen under en sakte utladning av systemet, men andre utladnings reaksjoner har også blitt funnet og er avhengig av elektrolytt konsentrasjonen, utladnings temperatur og typen av mangandioksid som blir brukt. En total cellereaksjon kan representeres ved:
  33 \begin{equation}\label{batt24}
  34     Zn (s)  +  2MnO_{2} (s)  +  2H_{2}O (l)  \longrightarrow    Zn^{2+} (aq)  +  2MnO(OH) (s)  +  2OH^{-} (aq)
  35 \end{equation}
  36 Hydroksi-ionene som er produsert ved karbonelektroden vandrer mot sinkelektroden og bærer med seg negativ ladning fra karbonelektron tilbake til sinkelektroden. Sinkionene som produseres ved ved sinkelektroden vandrer i motsatt retning. Der hvor OH$^{-}$ og Zn$^{2+}$ ioner møtes, dannes et kompleks av sink og ammonium dannes fra ammoniumklorid.
  37 \begin{equation}\label{batt25}
  38     Zn^{2+} (aq)  +  4NH_{4}^{+} (aq) +  4OH^{-} (aq)  \longrightarrow   \lbrack Zn(NH_{3})_{4} \rbrack ^{2+} (aq)  +  4H_{2}O (l)
  39 \end{equation}
  40 Konstruksjonen av en typisk kommersiell tørrcelle (tørrbatteri) er illustrert i figur \ref{batt2}. En sink sylinder fungerer som anode og beholder for de andre komponentene. Den indre overflaten av sinkbeholderen er dekket med en fuktig pasta av ammoniumklorid, sink klorid \footnote{Sink klorid er blandet inn i pastaen for å fungere som elektrolytt og for å forhindre akkumulering av ammoniumgass inne i cellen. Ammoniumgass produseres i reaksjonen mellom ammoniumklorid og hydroksi ionene, som blir dannet i reduksjonen av mangandioksid}, og et bindemiddel (for å holde pastaen stiv). Pastaen er elektrisk ledende. Sink beholderen er fylt med en blanding av mangandioksid og pulverisert grafitt. Grafitten blir brukt til å øke den elektrisk ledende egenskapen til blandingen. Blandingsforholdet mellom mangandioksid og karbon varierer vanligvis mellom 3:1 og 10:1.\\
  41 \newline
  42 Men i celler som skal kunne levere høyere spenninger over tid er også et blandingsforhold på 1:1 vanlig. Vanlige batterier til bruk i dagliglivet benytter seg av mangandioksid henta fra naturlige mangandioksid forekomster, mens de såkalte "heavy duty" batteriene bruker mangandioksid produsert ved elektrolyse av smeltet mangansulfat løsning.\\
  43 \newline
  44 Ammoniakk reagerer med sink-ionene og klorid-ionene i pastaen, og danner tetraamine sink(II)ion ($\lbrack$Zn(NH$_{3}$)$_{4}$$\rbrack$$^{2+}$ og det uløselige diamminediklorosink(II) (Zn(NH$_{3}$)$_{2}$Cl$_{2}$ $\lbrack$2$\rbrack$.\\
  45 \newline
  46 Akkumulering av ammoniumgass inne i cellen kan forårsake at cellen utvider seg, eller begynner å lekke. For ytterligere å forsterke batteriet og forhindre lekasje, er sinkbeholderen kledd med en stålkappe ytterst.
  47
  48 \begin{figure}[h]
  49 \centering
  50 \includegraphics[width=1.0\textwidth]{images/torrcelle/torrcelle2}
  51 \caption{Oppbyggingen av et kommersielt tørrbatteri.} \label{batt2}
  52 \end{figure}
  53
  54
  55 \section*{Forsiktig}
  56 Mangandioksid, MnO$_{2}$ er et sterkt oksidasjonsmiddel.\\
  57 \newline
  58 Høye konsentrasjoner av NH$_{4}$Cl kan forårsake irritasjon i nese og slimhinner.
  59 Kan reagere sterkt med  visse nitrater og klorater, fare for brann og eksplosjon. Unngå kontakt med halogener og
  60 halogenforbindelser.
  61
  62
  63
  64 \section*{Utstyr og kjemikalier}
  65
  66 \begin{itemize}[noitemsep]
  67   \item 100 ml 4M ammoniumklorid, NH$_{4}$Cl \\
  68     (lages ved å løse 20g med NH$_{4}$Cl i 85 ml destillert vann)
  69   \item 4 g mangandioksid, MnO$_{2}$ i pulverform
  70   \item Svamp 20cm x 5cm x 5mm (tykk)
  71   \item Voltmeter m/prober
  72   \item Hansker
  73   \item 2 x 20 cm ledninger m/krokoklemmer
  74   \item Ca. 30 cm streng
  75   \item Motor som kan drives av 1,5V batteri
  76   \item 15cm karbonstav, 8mm i diameter
  77   \item Sinkfolie, 12cm $\cdot$ 12cm $\cdot$ 0.25mm (tykk)
  78 \end{itemize}
  79
  80 \nocite{Kozawa}
  81 \nocite{Joseph}
  82 \nocite{Linden}
  83 \nocite{Vincent}
  84 \nocite{bassam4}
  85
  86 \printbibliography