Naturfag – Reaksjoner og batterier

Lastet opp i kategorien Naturfag den 16.05.2012

Definisjon på en kjemisk reaksjon

I en kjemisk reaksjon skjer det en forandring der det blir dannet nye stoffer med andre egenskaper enn de stoffene vi startet med. Forandringen kommer av at atomene binder seg sammen på nye måter.

Kunne balansere en reaksjonslikning

I en balansert reaksjonslikning er antallet atomer av de forskjellige grunnstoffene det sammen på begge sider i reaksjonslikningen. Når vi balanserer en reaksjonslikning, kan vi bare endre koeffisientene (tallet foran symbolet), ikke indeksene (tallet nede bak symbolet)

Indeks er det lille tallet i en likning. Eks 02

Koeffisient er det store tallet. Den sier oss hvor mange molekyler det er. Eks 2H2

Se bok s. 314

Forklare forskjellen på en eksoterm og en endoterm reaksjon

Reaksjoner deles inn i to. Endoterme og eksoterme.

Kjemisk reaksjon foregår i to trinn. Først brytes de ned bindingene mellom atomene i utgangsstoffene, og det krever energi. Deretter blir det laget nye bindinger mellom atomene slik at vi får dannet nye molekyler.

I de fleste reaksjoner fører det til at det frigjøres energi. Slike reaksjoner kaller vi eksoterme. Eks joystick når du kjenner den.

Men i noen ganske få tilfeller krever det mer energi å bryte bindingene enn det som blir frigjort når de nye bindingene dannes. Slike reaksjoner kalles endoterme. Eks Fotosyntesen.

Kunne forklare forbrenning og eksempler på det

Forbrenning defineres som når et stoff reagerer med oksygen. De tre betingelsene for at det skal brenne:

  1. Brennbart stoff
  2. Oksygen (eller et annet stoff som kan holde forbrenningen i gang)
  3. Tenn temperatur

Eks. vedkubbe i en bål.

Forklar hva en redoksreaksjon er og eksempel på det

Redoksreaksjon er en reaksjon der det skjer en elektronovergang. Alle atomer vil ha 8 elektroner i det ytterste skall. Kan se på en redoksreaksjon i 2 deler

Oksidasjon har vi når et atom eller ion gir fra seg ett eller flere elektroner

Reduksjon har vi når et atom eller ion tar opp ett eller flere elektroner

Biomasse

Biomasse består av energirike organiske forbindelser i plante- og dyrematerialer og regnes som den rimeligste fornybare energien på kort sikt. De viktigste kildene til biomasse er ved, rester av skogbruk, halm, husdyrmøkk, energivekster fra landbruket, organiske materiale fra sortert kommunalt avfall og kloakkslam. Biomasse er en fornybar energikilde så lenge vi ikke bruker mer enn det som er oppnålig. Grunnen til at biomasse er fornybar energi, er fordi at istedenfor å la det ligge å bli brutt ned av naturen, tar vi i bruk den energien. Den fører heller ikke til økt utslipp av drivhusgassen karbondioksid, i motsetning til fossile brensel. CO2 som blir frigjort ved forbrenning, blir dessuten tatt opp av plantene som vokser opp. Vi sier at biomasse er CO2- nøytral.

Pellets

En ¼ av norske bolig bruker ved til oppvarming. Ved regnes som en av de viktigste biomassen når det gjelder oppvarming. Ved er også en fornybar energikilde, men vedfyring har også noen ulemper. Når du fyrer med ved, blir det sluppet ut sot og andre partikler som kan være helseskadelig. Pellets som er laget av flis og bark blitt presset sammen, er mindre skadelig. Pellets går også under fellesbetegnelsen fordelt biomasse.

Biogass

Når søppel blir brutt ned uten tilgang til oksygen (aerob nedbryting) får vi metangass. En slik biogass fra avfallsdeponier blir kalt deponigass. Denne gassen kan blant annen brukes til spesiale biler, busser og lastebilder. Metangass er en kraftig klimagass. 1 kg CH4 (metangass) har 21 ganger så sterk virkning på jordas klima som 1 kg CO2. Omdanning til biogass skjer raskere dersom vi varmer for eksempel opp kloakkslam, husdyrgjødsel eller matavfall i en lufttett beholder (reaktor). Det organiske materialet blir spaltet av bakterier og vi får metangass. Dette kalles reaktorgass.

Biodrivstoff

Noen av biodrivstoffene som egner seg som drivstoff til biler, busser og lastebilder er etanol, metanol og biodiesel. Biodrivstoffene etanol (C2H5OH) og metanol (CH3OH) blir brukt sammen med vanlig bensin. Disse biodrivstoffene utgjør 15 % av blandingen. Bioetanol kommer fra ved å gjøre planter som inneholder sukker, cellulose eller stivelse, som ulike sorter korn, mais, sukkerrør osv. Bioetanol er ofte framslit som biogass. Biodiesel er laget av planteolje eller dyrefett. Det kan være fiske olje fra fiskeavfall eller fettavfall fra slakterier.

Batteri

Daniellcelle består av to halvledere. Vi kaller sinkstaven i sinkioneløsningen for en halvcelle. Kobberstangen i kobberioneløsningen er en annen halvcelle. De to halvcellene er forbundet med hverandre ved hjelp av en saltbro. Saltbroen inneholder en løsning som leder strøm (en elektrolytt), men som ikke lar løsningen i de to halvcellene blande seg. Saltbroen sørger altså bare for at strømkretsen er lukket, men deltar ikke i reaksjonen.

I daniellcellen går kjemisk energi over til elektrisk energi. Mellom sinktanga og kobberstanga er spenningen 1,1 V. Dette kaller vi for elektromagnetisk spenning (ems). Gjennom den elektromagnetiske spenningen går det elektroner fra sinkstanga til kobberstanga.

Et galvanisk element består av to elektroder: En anode (sink – Zn) som er negativ, ettersom den gir fra seg elektroner, og en katode (kobber – Cu) som er positiv, fordi den mottar elektroner. Et galvanisk element består også av en løsning av sinksulfat, Zn2+-ioner og SO42--ioner (ZnSO4), og en løsning av kobbersulfat, Cu2+-ioner og SO42--ioner (CuSO4), i to forskjellige beholdere. I tillegg består den av en saltbro, en fuktet papirstrimmel (som kan bestå av for eksempel kaliumnitrat (KNO3) og alternativt et voltmeter eller en lyspære eller lignende. Ledninger forbinder elektrodene (og evt. voltmeteret eller lyspæra) med hverandre.

 

Ved sinkelektroden:

Sinket danner ioner ved å gi fra seg to elektroner, som strømmer gjennom ledningen i form av elektrisk energi. Da blir det igjen Zn2+ i væsken. Sinkelektroden blir gradvis redusert, ettersom den konstant gir fra seg elektroner og danner ioner. Den kjemiske reaksjonen som skjer kalles en oksidasjon, dvs. at atomer gir fra seg e-, og kan skrives slik:

Zn (s) à Zn2+ (aq) + 2e-.

 

Ved kobberelektroden:

Kobber har lett for å ta til seg elektroner. Så når elektronene strømmer gjennom ledningen, og til løsningen av kobbersulfat, går de sammen med Cu2+-ionene i væsken. Ionene tar til seg elektroner og blir til kobber (Cu). Dette kobberet legger seg på kobberelektroden. Kobberelektroden blir hele tiden større og større. Den kjemiske reaksjonen som skjer kalles en reduksjon, dvs. at atomer tar til seg e-, og kan skrives slik:

Cu2+ (aq) + 2e- à Cu (s).

 

Ved saltbroen:

En av saltbroens funksjoner er å slutte kretsen for å hindre at Cu2+-ionene og Zn2+-ionene kommer i kontakt med hverandre. Hvis dette skjedde, ville for eksempel de frigjorte elektronene sinkelektroden nøytralisere Cu2+-ionene, og skape et belegg av kobber utenpå sinkstaven, som etter hvert ville ha sluttet å virke. Den er også nødvendig for å balansere elektron-fordelingen mellom de to tankene: Løsningen av sinksulfat blir stadig mer positiv (Zn2+ går fra sinkelektroden og ut i væsken) og løsningen av kobbersulfat blir stadig mer negativ (Cu2+ går fra væsken og setter seg på kobberelektroden). Elektronene kan bare gå gjennom kretsen når begge væskene er balanserte. Derfor sender saltbroen (SO42-) ut i løsningen av sinksulfat for å nøytralisere ladningen.

Zn(s) + Cu+2(aq) à Zn2+(aq) + Cu(s)  + elektrisk energi

 

(2+) fra Zn gårover til Cu2+ og det blir en overskudd av protoner i Zn, mens Cu+2 får (2+) og det blir dannet Cu.

Oppladning av batteri

Når daniellcellen leverer elektrisk energi, forsvinner noe av sinkstanga i sink-halvlederen og kobberioner i halv-lederen. Når der ikke lenger er mer sink eller kobberioner igjen, stopper reaksjonen. For å lade opp batteriet må vi tvinge elektronene tilbake til sinkstangen. Vi setter på en likespenningskilde til polene i cellen. Spenningen må være større enn EMS som er på 1,1V. Det skjer en elektrolyse der sink tar opp elektroner (reduksjon) ved den negative polen og kobber gir fra seg elektroner (oksidasjon) ved den positive polen. Et ladbar batteri er altså en batteri som lar galvanisk celle og elektrolyse gå begge veier.

En galvanisk celle består av to poler. Mellom polene er det elektrolytt.

-          Ved den negative polen skjer der en oksidasjon, og det avgis elektroner

-          Ved den positive polen skjer der en reduksjon, og her tas elektronene opp

-          Elektrolytten leder strøm og forbinder de to halvcellene (saltbroen)

Kapasitet, energi og energitetthet

Batteri finnes i ulike størrelser og har ulike varighet. Et D-batteri varer 8-10 ganger enn et AA-batteri. Vi sier at kapasiteten er større. Kapasiteten forteller oss om hvor mye ladning et batteri kan levere. Energien er den kraften vi får igjen fra spenning* strøm* tid. Energi defineres som den evnen til å utføre et arbeid. Energitetthet defineres gir mer energi per masseenhet (J/kg) eller energi per volumenhet (J/m3), altså mer energi til et mindre kapasitets område.

Energi= spenning * kapasitet= spenning * strøm * tid

Brenselcelle

I en brenselcelle blir utgangsstoffene (stoffene som utgjøre energikilden) tilført kontinuerlig mens cellen er i bruk. De kan produsere energi så lenge det er tilgang på utgangsstoffene. Brenselcelle finnes i blant annen i biler, mobiltelefoner og bærbare pc-er. Men brenselcelle er mye dyrere enn batterier og er ikke like velprøvd som batteri.

Det finnes også mange forskjellige brenselceller. Noen går på organiske stoffer, men de fleste bruker brenselcellene bruker hydrogengass. I hydrogenbrenselcellen reagerer hydrogen- og oksygengass, og det blir dannet vann. Kjemisk energi blir omgjort til elektrisk energi når elektronoverføringen mellom hydrogen og oksygen skjer via en ytre strømkrets.

PEM

En pem-celle består av to kammer. Hydrogengass blir pumpet inn i det ene kammeret, mens oksygengass pumpes inn i det andre kammeret. Mellom de to kamrene er det en plastmembran. I kammeret med hydrogengass er det en plate som inneholder platina. Det er negativ pol i brenselcellen. Der avgir hydrogengassen to elektroner og danner to H+- ioner (protoner)

Negativ pol: Oksidasjon: 2H? 4H+ + 4e-

Membranen slipper H+- ionene, men ikke elektronene gjennom til det andre kammeret, der oksygengassen er. Elektronene blir tvunget til å gå via en ytre krets til en annen plate som inneholder platina. Plata er den positive polen i brenselcellen. Ved den positive polen blir elektronene tatt opp av O-atomene i O2-molekylet og H+ -ionene. Sammen danner de vannmolekylet.

Positiv pol: Reduksjon: O2 +  4H+ + 4e- ?2H2O + energi

PEM-cellen har en elektromagnetisk spenning på 1,2 V. Brenselcellen har en virkningsgrad på ca. 50 %. De passer svært bra for bruk i biler og busser. Ulempen er at de bruker platina som katalysator, og platina er veldig dyrt. I tillegg til dette kan katalysatoren bli ødelagt hvis hydrogengassen ikke er helt ren. Denne prosessen kan også snus akkurat som en ladbar batteri. Vi kan produsere hydrogengass og oksygengass ved å sette på en likespenningskilde

Positive sider Negative sider
Pålitelige Platina er dyrt
Enkel å bruke Hydrogenet må være helt ren
Lavt vedlikehold Hydrogen er lett og fly
Lang levetid Kokepunkt på -253oC
Høy virkningsgrad Hydrogen er eksplosivt

 

 

Brenselscelle

-          Vi fører inn H2 gass til platina platen

-          Ved platinaplaten blir elektorene til hydrogengassen splittet fra.

-          Elektronene går gjennom ledningen

-          Protonene går gjennom platen

-          Det hydrogenet med overskudd av protoner kommer til den andre platen der den settes sammen med O2 og gir H2O

 

-          Oksi: H2 (g) ? 2H+ + 2e-

-          Red: O2 (g) + 4H+ + 4e- ? 2H2O(g)