Zitronenbatterie - Lemon battery

Eine Zeichnung, die drei Zitronen und ein leuchtendes rotes Objekt (die LED) zeigt. Die LED hat zwei Linien, die aus ihrer Unterseite herauskommen, um ihre elektrischen Leitungen darzustellen. In jede Zitrone sind zwei Metallstücke gesteckt; die Metalle sind unterschiedlich gefärbt. Es gibt dünne schwarze Linien, die Drähte darstellen, die die Metallstücke, die in jede Zitrone stecken, und die Leitungen der LED verbinden.
Diagramm, das drei Zitronenzellen zeigt, die so miteinander verbunden sind, dass sie die rote Leuchtdiode (LED) oben mit Strom versorgen. In jede einzelne Zitrone sind eine Zinkelektrode und eine Kupferelektrode eingesetzt; das Zink ist im Diagramm grau eingefärbt. Die zwischen den Elektroden und der LED gezogenen schmalen Linien repräsentieren die Drähte.

Eine Zitronenbatterie ist eine einfache Batterie, die oft zu Bildungszwecken hergestellt wird. Typischerweise werden ein Stück Zinkmetall (z. B. ein verzinkter Nagel) und ein Stück Kupfer (z. B. ein Pfennig) in eine Zitrone gesteckt und durch Drähte verbunden. Energie, die durch die Reaktion der Metalle erzeugt wird, wird verwendet, um ein kleines Gerät wie eine Leuchtdiode (LED) mit Strom zu versorgen .

Die Zitronenbatterie ähnelt der ersten elektrischen Batterie , die 1800 von Alessandro Volta erfunden wurde , der anstelle von Zitronensaft Sole (Salzwasser) verwendete. Die Zitronenbatterie veranschaulicht die Art der chemischen Reaktion ( Oxidations-Reduktion ), die in Batterien abläuft . Zink und Kupfer werden Elektroden genannt , und der Saft in der Zitrone wird Elektrolyt genannt . Es gibt viele Variationen der Zitronenzelle, die verschiedene Früchte (oder Flüssigkeiten) als Elektrolyte und andere Metalle als Zink und Kupfer als Elektroden verwenden.

Einsatz in Schulprojekten

Es gibt zahlreiche Anleitungen zur Herstellung von Zitronenbatterien und zur Beschaffung von Komponenten wie Leuchtdioden (LEDs), Stromzählern ( Multimetern ) und verzinkten ( verzinkten ) Nägeln und Schrauben. Kommerzielle „Kartoffeluhr“-Wissenschaftskits enthalten Elektroden und eine digitale Niederspannungsuhr. Nachdem eine Zelle zusammengebaut ist, kann ein Multimeter verwendet werden, um die Spannung oder den elektrischen Strom von der Voltaic-Zelle zu messen ; eine typische Spannung beträgt bei Zitronen 0,9 V. Ströme sind variabler, reichen aber bis zu etwa 1 mA (je größer die Elektrodenoberflächen, desto größer der Strom). Für einen sichtbareren Effekt können Zitronenzellen in Reihe geschaltet werden , um eine LED (siehe Abbildung) oder andere Geräte mit Strom zu versorgen. Die Reihenschaltung erhöht die den Geräten zur Verfügung stehende Spannung. Swartling und Morgan haben eine Liste von Niederspannungsgeräten zusammen mit der entsprechenden Anzahl von Zitronenzellen veröffentlicht, die zu ihrer Stromversorgung benötigt wurden. Dazu gehörten LEDs, piezoelektrische Summer und kleine Digitaluhren. Bei den Zink/Kupfer-Elektroden wurden für jedes dieser Geräte mindestens zwei Zitronenzellen benötigt. Wenn die Zinkelektrode durch eine Magnesiumelektrode ersetzt wird, erhält man eine Zelle mit einer höheren Spannung (1,5–1,6 V), und eine einzelne Magnesium-/Kupferzelle wird einige Geräte mit Strom versorgen. Beachten Sie, dass Glühlampen Glühbirnen von Taschenlampen nicht verwendet werden , da die Zitrone Batterie nicht ausgelegt ist genug Strom für Licht , sie zu produzieren. Durch Multiplizieren des durchschnittlichen Stroms einer Zitrone (0,001 A / 1 mA) mit der durchschnittlichen (niedrigsten) Spannung (Potenzialdifferenz) einer Zitrone (0,7 V) können wir schlussfolgern, dass wir mehr als 6 Millionen Zitronen benötigen würden, um die Leistung von eine durchschnittliche 4320W Autobatterie.

Variationen

Foto einer Kartoffel. In die Kartoffel wird ein Kupferdraht gesteckt und mit einer Mutter und Schraube oben ein isolierter Bleidraht angeschlossen. Eine verzinkte Maschinenschraube wird ebenfalls in die Stirnseite eingesaugt. Neben dem Schraubenkopf befindet sich eine Mutter; der zweite Anschlussdraht wird zwischen Kopf und Mutter gequetscht. Auf der Schale der Kartoffel ist in der Nähe des darin eingesteckten Kupferdrahts ein "+"-Symbol markiert.
Kartoffelbatterie mit Zink- (links) und Kupferelektroden. Die Zinkelektrode ist eine verzinkte Maschinenschraube. Die Kupferelektrode ist ein Draht. Beachten Sie die Markierungen − und + auf der Kartoffel, die darauf hinweisen, dass die Kupferelektrode der Pluspol der Batterie ist. Eine kurze Schraube und Mutter verbinden die Elektroden mit den Kupferdrähten, die schwarze und rote isolierende Kunststoffbeschichtungen haben.

Für den sauren Elektrolyten können viele Früchte und Flüssigkeiten verwendet werden. Obst ist praktisch, weil es sowohl den Elektrolyten als auch eine einfache Möglichkeit bietet, die Elektroden zu stützen. Die in Zitrusfrüchten (Zitronen, Orangen, Grapefruits usw.) enthaltene Säure ist Zitronensäure . Der Säuregehalt, der durch den gemessenen pH-Wert angezeigt wird , variiert stark.

Kartoffeln haben Phosphorsäure und funktionieren gut; sie sind die Basis für kommerzielle "Kartoffeluhr"-Bausätze. Kartoffelbatterien mit LED- Beleuchtung wurden für den Einsatz in armen Ländern oder von netzfernen Bevölkerungen vorgeschlagen. Internationale Untersuchungen, die 2010 begonnen wurden, zeigten, dass das achtminütige Kochen von Kartoffeln ihre elektrische Leistung verbessert, ebenso wie das Einlegen von Kartoffelscheiben zwischen mehrere Kupfer- und Zinkplatten. Gekochtes und gehacktes Wegerichmark (Stängel) ist laut srilankischen Forschern ebenfalls geeignet.

Anstelle von Früchten können auch Flüssigkeiten in verschiedenen Behältern verwendet werden. Haushaltsessig ( Essigsäure ) funktioniert gut. Sauerkraut ( Milchsäure ) wurde in einer Episode der US-Fernsehsendung Head Rush (ein Ableger der MythBusters- Sendung) vorgestellt. Das Sauerkraut war eingemacht worden und wurde zum Elektrolyten, während die Dose selbst eine der Elektroden war.

Zink- und Kupferelektroden sind relativ sicher und leicht zu bekommen. Andere Metalle wie Blei, Eisen, Magnesium usw. können ebenfalls untersucht werden; sie liefern andere Spannungen als das Zink/Kupfer-Paar. Insbesondere Magnesium/Kupfer-Zellen können in Zitronenzellen Spannungen von bis zu 1,6 V erzeugen. Diese Spannung ist größer als mit Zink/Kupfer-Zellen erreichbar. Sie ist vergleichbar mit der von Standard-Haushaltsbatterien (1,5 V), was sinnvoll ist, um Geräte mit einer einzelnen Zelle zu versorgen, anstatt Zellen in Reihe zu verwenden.

Lernerfolge

Für die jüngsten Schüler im Alter von etwa 5 bis 9 Jahren ist das Bildungsziel utilitaristisch: Batterien sind Geräte, die andere Geräte mit Strom versorgen können, solange sie durch ein leitfähiges Material verbunden sind. Batterien sind Komponenten in elektrischen Schaltkreisen; Wenn Sie einen einzelnen Draht zwischen einer Batterie und einer Glühbirne einhaken, wird die Glühbirne nicht mit Strom versorgt.

Für Kinder im Alter von 10−13 Jahren werden Batterien verwendet, um den Zusammenhang zwischen Chemie und Elektrizität zu veranschaulichen sowie das Schaltungskonzept für Elektrizität zu vertiefen. Die Tatsache, dass unterschiedliche chemische Elemente wie Kupfer und Zink verwendet werden, kann in den größeren Zusammenhang gestellt werden, dass die Elemente bei chemischen Reaktionen nicht verschwinden oder zerfallen.

Für ältere Schüler und Studenten dienen Batterien dazu, die Prinzipien von Oxidations-Reduktions-Reaktionen zu veranschaulichen. Die Schüler können entdecken, dass zwei identische Elektroden keine Spannung liefern und dass verschiedene Metallpaare (außer Kupfer und Zink) unterschiedliche Spannungen liefern. Die Spannungen und Ströme aus Reihen- und Parallelschaltungen der Batterien können untersucht werden.

Der Strom, der von der Batterie durch ein Messgerät abgegeben wird, hängt von der Größe der Elektroden ab, wie weit die Elektroden in die Frucht eingeführt sind und wie nah die Elektroden beieinander platziert sind; die Spannung ist von diesen Details der Elektroden ziemlich unabhängig.

Chemie

Querschnittszeichnung einer Tasse. Die Tasse ist meistens voll, anscheinend mit Wasser. Zwei rechteckige Formen weisen auf ein Kupfer- und ein Zinkstück hin, die jeweils meist im Wasser versunken sind. Das Wasser hat etwa ein Dutzend Symbole an verschiedenen Positionen: Zn2+, H+ und SO42−. Über dem Wasser befindet sich ein Kreis mit dem Symbol H2 darin. Es gibt einen Draht, der die Zink- und Kupferstücke außerhalb des Wassers verbindet; 2 Elektronen (e−) sind entlang des Drahtes mit Pfeilen gezeigt, die vom Zink zum Kupfer zeigen.
Querschnitt einer Kupfer/Zink-Zelle mit einem schwefelsauren Elektrolyten. Die Zeichnung veranschaulicht das Atommodell für die chemischen Reaktionen; Zitronenzellen haben im Wesentlichen das gleiche Modell. Zinkatome treten als Ionen in den Elektrolyten ein, denen zwei Elektronen fehlen (Zn 2+ ). Im Zinkmetall verbleiben zwei negativ geladene Elektronen des gelösten Zinkatoms. Zwei der im sauren Elektrolyten gelösten Protonen (H + ) verbinden sich und zwei Elektronen zu molekularem Wasserstoff H 2 , der von der Kupferelektrode abperlt. Die aus dem Kupfer verlorenen Elektronen werden wettgemacht, indem zwei Elektronen aus dem Zink durch den äußeren Draht bewegt werden.

Die meisten Lehrbücher präsentieren folgendes Modell für die chemischen Reaktionen einer Zitronenbatterie. Wenn die Zelle über einen externen Stromkreis elektrischen Strom liefert, löst sich das metallische Zink an der Oberfläche der Zinkelektrode in der Lösung auf. Zinkatome lösen sich als elektrisch geladene Ionen (Zn 2+ ) im flüssigen Elektrolyten auf und hinterlassen 2 negativ geladene Elektronen (e − ) im Metall:

Zn → Zn 2+ + 2e − .

Diese Reaktion wird Oxidation genannt . Beim Eintritt von Zink in den Elektrolyten verbinden sich zwei positiv geladene Wasserstoffionen (H + ) aus dem Elektrolyten mit zwei Elektronen an der Oberfläche der Kupferelektrode und bilden ein ungeladenes Wasserstoffmolekül (H 2 ):

2H + + 2e − → H 2 .

Diese Reaktion wird Reduktion genannt. Die Elektronen, die im Kupfer zur Bildung der Wasserstoffmoleküle verwendet werden, werden vom Zink durch einen externen Draht übertragen, der das Kupfer und das Zink verbindet. Die durch die Reduktionsreaktion auf der Oberfläche des Kupfers gebildeten Wasserstoffmoleküle sprudeln schließlich als Wasserstoffgas weg.

Versuchsergebnisse

Dieses Modell der chemischen Reaktionen macht mehrere Vorhersagen, die in Experimenten untersucht wurden, die von Jerry Goodisman im Jahr 2001 veröffentlicht wurden. Goodisman bemerkt, dass zahlreiche neuere Autoren chemische Reaktionen für die Zitronenbatterie vorschlagen, bei denen die Kupferelektrode im Elektrolyten aufgelöst wird. Goodisman schließt diese Reaktion als nicht mit den Experimenten vereinbar aus und stellt fest, dass die korrekte Chemie, die die Entwicklung von Wasserstoff an der Kupferelektrode beinhaltet, aber auch Silber anstelle von Kupfer verwenden kann, seit vielen Jahren bekannt ist. Die meisten detaillierten Vorhersagen des Modells beziehen sich auf die Spannung der Batterie, die direkt von einem Messgerät gemessen wird; Sonst ist nichts an der Batterie angeschlossen. Wenn der Elektrolyt durch Zugabe von Zinksulfat (ZnSO 4 ) modifiziert wurde , wurde die Spannung von der Zelle wie unter Verwendung der Nernst-Gleichung für das Modell vorhergesagt reduziert . Die Nernst-Gleichung sagt im Wesentlichen, um wie viel die Spannung sinkt, wenn mehr Zinksulfat hinzugefügt wird. Die Zugabe von Kupfersulfat (CuSO 4 ) hatte keinen Einfluss auf die Spannung. Dieses Ergebnis steht im Einklang mit der Tatsache, dass Kupferatome aus der Elektrode nicht am chemischen Reaktionsmodell der Zelle beteiligt sind.

Wenn die Batterie an einen externen Stromkreis angeschlossen wird und ein erheblicher elektrischer Strom fließt, verliert die Zinkelektrode an Masse, wie durch die oben genannte Zinkoxidationsreaktion vorhergesagt. In ähnlicher Weise entwickelt sich Wasserstoffgas als Blasen aus der Kupferelektrode. Schließlich hing die Spannung der Zelle vom Säuregehalt des Elektrolyten ab, gemessen durch seinen pH-Wert; abnehmender Säuregehalt (und steigender pH-Wert) führt zu einem Abfall der Spannung. Dieser Effekt wird auch von der Nernst-Gleichung vorhergesagt; die jeweils verwendete Säure (Zitronen-, Salz-, Schwefelsäure usw.) beeinflusst die Spannung nur über den pH-Wert.

Die Vorhersage der Nernst-Gleichung scheiterte bei stark sauren Elektrolyten (pH < 3,4), wenn sich die Zinkelektrode im Elektrolyten auflöst, auch wenn die Batterie keinen Strom an einen Stromkreis liefert. Die beiden oben aufgeführten Oxidations-Reduktions-Reaktionen treten nur dann auf, wenn elektrische Ladung durch den äußeren Kreislauf transportiert werden kann. Die zusätzliche Leerlaufreaktion kann durch die Bildung von Blasen an der Zinkelektrode im Leerlauf beobachtet werden. Dieser Effekt begrenzte schließlich die Spannung der Zellen auf 1,0 V nahe der Raumtemperatur bei den höchsten Säuregraden.

Energiequelle

Die Energie stammt aus der chemischen Veränderung des Zinks, wenn es sich in der Säure auflöst. Die Energie kommt nicht aus der Zitrone oder Kartoffel. Das Zink wird in der Zitrone oxidiert und tauscht einen Teil seiner Elektronen mit der Säure aus, um einen niedrigeren Energiezustand zu erreichen, und die freigesetzte Energie liefert die Kraft.

In der gegenwärtigen Praxis wird Zink durch elektrolytische Gewinnung von Zinksulfat oder pyrometallurgische Reduktion von Zink mit Kohlenstoff hergestellt, was einen Energieeintrag erfordert. Die in der Zitronenbatterie erzeugte Energie stammt aus der Umkehr dieser Reaktion, wodurch ein Teil der Energiezufuhr während der Zinkproduktion zurückgewonnen wird.

Smee-Zelle

Von 1840 bis ins späte 19. Jahrhundert wurden große Volta-Zellen mit einer Zinkelektrode und einem Schwefelsäureelektrolyten in der Druckindustrie häufig verwendet. Während manchmal Kupferelektroden wie in Zitronenbatterien verwendet wurden, erfand Alfred Smee 1840 eine verfeinerte Version dieser Zelle, bei der anstelle einer Kupferelektrode Silber mit einer rauen Platinbeschichtung verwendet wurde. An der Oberfläche einer Silber- oder Kupferelektrode haftendes Wasserstoffgas verringert den elektrischen Strom, der einer Zelle entnommen werden kann; das Phänomen wird "Polarisation" genannt. Die aufgeraute, "platinierte" Oberfläche beschleunigt das Sprudeln des Wasserstoffgases und erhöht den Strom aus der Zelle. Im Gegensatz zur Zinkelektrode werden die Kupfer- oder platinierten Silberelektroden durch die Verwendung der Batterie nicht verbraucht und die Details dieser Elektrode haben keinen Einfluss auf die Spannung der Zelle. Die Smee-Zelle war geeignet für die Elektrotypisierung , die Kupferplatten für den Buchdruck von Zeitungen und Büchern sowie Statuen und andere metallische Gegenstände herstellte.

Die Smee-Zelle verwendete amalgamiertes Zink anstelle von reinem Zink; Die Oberfläche von amalgamiertem Zink wurde mit Quecksilber behandelt . Anscheinend neigte amalgamiertes Zink weniger zum Abbau durch eine saure Lösung als reines Zink. Elektroden aus amalgamiertem Zink und reinem Zink liefern im Wesentlichen die gleiche Spannung, wenn das Zink rein ist. Mit dem unvollkommen raffinierten Zink in Laboratorien des 19. Jahrhunderts gaben sie typischerweise unterschiedliche Spannungen.

In der Populärkultur

  • Im Videospiel Portal 2 wurde der Antagonist GLaDOS für einen wesentlichen Teil des Spiels in einen Computer mit Kartoffelbatterie eingebettet.
  • In der 6. Staffel von The Big Bang Theory, Episode "The Proton Resurgence", versucht Leonards und Sheldons Kindheitsheld Professor Proton (Bob Newhart), der Gruppe eine Kartoffelbatterie zu zeigen, was Penny erstaunt.
  • In der Episode "The Blackout in the Blizzard" der 6. Staffel von Bones bauen Angela und die anderen "Schielen" ein riesiges Kartoffelbatterie-Array, um ein Handy mit Strom zu versorgen. Die erbärmlich niedrige Leistung eines solchen Systems veranschaulicht, dass es nur eine Handvoll Sekunden lang erfolgreich ist, während Dutzende von Kartoffeln verwendet werden.
  • In der Episode „ Lemons “ der Fernsehsendung Red Dwarf ( zehnte Serie (Serie X) ) reist die Crew im Jahr 23 n. Chr. 4000 Meilen von Großbritannien nach Indien , um Zitronen zu bekommen, um eine Zitronenbatterie zu bauen, um ihre Zeitmaschine anzutreiben. s Returner-Fernbedienung.
  • In der sechsten Episode der letzten Staffel von Mystery Science Theatre 3000 versuchte die Hauptschurkin Pearl Forrester , die Welt mit Kartoffelbatterien zu erobern, nur um ihre Pläne von Professor Bobo zu ruinieren .
  • In NCIS Staffel 7 Episode 8, "Power Down", verwendet Abby Sciuto Zitronen als Stromquelle für ihre Stereoanlage, wenn ihr während eines Stromausfalls die Batterien ausgehen.
  • In Magnum PI (TV-Serie 2018) , Staffel 3, Folge 2, "Easy Money", verwendet Magnum eine Zitronenbatterie, um ein Walkie-Talkie aufzuladen.
  • In Terry Pratchett und Stephen Baxter ‚s The Long Erde , die auf Schritt verwendeten Geräte von einem Universum zum anderen erscheinen von Kartoffel - Batterien betrieben werden.
  • In Anne with an E Staffel 2, Folge 10, "Das wachsende Gut der Welt", verwenden Anne und ihre Klassenkameraden Kartoffelbatterien, um ihrer Stadt zu beweisen, wie viel sie von den unkonventionellen Lehrmethoden ihres neuen Lehrers gelernt haben.

Siehe auch

Verweise

Weiterlesen

  • "Maglab - Einfaches Tutorial für elektrische Zellen" . US Nationales Labor für hohe Magnetfelder . Abgerufen 2012-11-30 .Beschreibung einer Säurezelle mit Zink- und Kupferelektroden, einschließlich einer JAVA-basierten Animation. Die Animation zeigt, wie sich Zink im Elektrolyten auflöst, Elektronen vom Zink zu den Kupferelektroden fließen und kleine Wasserstoffbläschen aus der Kupferelektrode kommen. Die Animation legt auch nahe, dass eine einzelne Zelle eine LED beleuchten kann, was bei LEDs, die sichtbares Licht emittieren, nicht möglich ist.
  • Margles, Samantha (2011). "Funktioniert eine Zitronenbatterie wirklich?" . Mythbusters Science Fair Buch . Scholastisch. S. 104–108. ISBN 9780545237451. Abgerufen 2012-10-07 . Nur Online-Vorschau.

Externe Links