Citroenbatterij op vakantie

Pappa, hoe maken ze eigenlijk batterijen?

Met die vraag kwam Pepijn (een van mijn vier-jarige zoons) tijdens onze vakantie. Daar ga ik graag op in, maar hoe? We logeren in het huis van mijn zwager; hij is bepaald niet onderbouwd in de exacte vakken en heeft weinig bruikbare spullen en gereedschappen. Thuis heb ik wel vanalles voorhanden, maar hier niet. Toch wil ik het Pepijn laten zien. Dat wordt improviseren!

Zelf gemaakt en zichtbaar werkend

Pepijn zit aan tafel mee te kijken. Dat waren de twee eisen voor de batterij die ik samen met de jongens ging bouwen. Het geheel moest in minder dan een uurtje knutselen voor mekaar zijn. De gebruite spullen moesten in huis gevonden worden of eenvoudig te verkrijgen zijn, en ze moesten voor hem herkenbaar zijn. Uiteindelijk moest hij zelf kunnen ervaren dat de batterij werkelijk werkte.

Cu/Zn-Redoxkoppels

De basis van een batterij is een combinatie van twee redox-koppels met een ruim potentiaalverschil ertussen. Eén van de koppels staat elektronen af (reductor, de min-kant), het andere neemt ze op (oxidator, de plus-kant). De elektronen zullen (vanwege het potentiaalverschil) proberen over te lopen via een verbonden geleider (vaak koperdraad), het overgebleven ladingstekort of -overschot moet kunnen overlopen of aangevuld kunnen worden door iets dat 'vrije' ionen bevat of kan doorlaten (bijvoorbeeld een 'zoutbrug'). Voor de twee redox-koppels zijn veel mogelijkheden, maar bij voorkeur worden vaste stoffen (gewone batterijen) en eventueel een vloeistof (autoaccu) gebruikt, zodat de constructie eenvoudiger blijft. Een veel gebruikte mogelijkheid in proefjes (in waterig milieu) is:
  Zn(s) <--> Zn2+(aq) + 2e-
  Cu(s) <--> Cu2+(aq) + 2e-
De stroomsterkte die de batterij kan leveren is evenredig met de mogelijke reactiesnelheid. Schroef en zakmes Die hangt af van de oppervlakte; vandaar dat vaak plaatjes van de gebruikte metalen worden gebruikt. De spanning die de batterij kan leveren is onder andere afhankelijk van de concentraties van de gebruikte stoffen en van het gekozen redox-koppel. Zo is bij een Zn/Cu-cel onder 'standaard omstandigheden' het potentiaalverschil 1,10 V (Binas (dank zij mijn netbook) tabel 48: Cu: +0,34; Zn: -0,76)). Indien een hogere spanning gewenst is, kunnen meerdere cellen in serie geschakeld worden; de spanningen van de cellen kunnen dan worden opgeteld. Koperdraad knippen en elektriciteitssnoer strippen. Zo geeft de zogenaamde 'platte batterij' 4,5 V, terwijl die opgebouwd is uit drie gewone, in serie geschakelde 1,5 V-staafbatterijen. De zogenaamde 'citroenbatterij' is alom bekend; hij bestaat uit een citroen waar een plaatje koper en een plaatje zink ingestoken zijn. Het vruchtvlees van de citroen voldoet als zoutbrug (zie boven), vanwege het sap (waar vanalles in is opgelost) en de doorlatende celwanden.

Snuffelen in oude spullen

Een citroenbatterij met koper en zink (of vergelijkbaar) leek me goed voor het doel. Op zoek naar de benodigdheden!
  • In een experimenteerdoos van mijn neefje vond ik een groene LED. Groene LED's lichten op bij 1,8 V. LED's hebben maar heel weinig stroom nodig om op te lichten. Bij 0,1 mA zou je een LED al zwakjes kunnen zien oplichten. Ideaal dus!
  • De citroen kochten we gewoon in de supermarkt.
  • In een bak met wat gereedschap en restjes van de verbouwing onlangs vond ik een stukje van zo'n 20 cm elektriciteitsdraad (massieve koperen kern).
  • Er lagen een paar gegalvaniseerde schroeven in de kist; het dunne laagje zink aan de buitenkant zou (voor korte tijd?) voldoende moeten zijn.
  • Ook vond ik nog een stukje van een elektriciteitssnoer waar ooit een lamp of zo aangehangen had. Elke ader is zo'n snoer bestaat uit vele dunne draadjes.

Priegelwerk

Ik kon me vaag herinneren dat twee citroenbatterijen in serie voldoende zijn om een rode LED (1,2 V) te laten oplichten. Een groene LED heeft anderhalf keer zo veel nodig om op te lichten, dus het leek me zinvol om drie in plaats van twee cellen in serie te zetten.
  1. Van de citroen sneed ik drie schijven. Koperspiraal onder de schijf citroen.
  2. Het stuk koperdraad knipte ik in drieën met een verroeste nijptang. Zo konden er net drie kleine spiraaltjes uit gebogen worden die als koperen 'plaatje' dienden, hoewel het oppervlak niet bar groot leek te worden... De schroef door de schil heen gedraaid.
  3. De verzinkte schroeven konden door de schil heen de schijf in gedraaid worden; de stukjes koper kwamen onder de schijven te liggen. Vanwege de afmetingen van de schroeven en de schroefdraad, leek het zinken oppervlak me groot genoeg.
  4. Met m'n zakmes ontdeed ik het snoer van het plastic en sneed er enkele individuele draadjes af om de verbindingen te kunnen leggen. Priegelwerk om met die dunne draadjes de drie cellen in serie aan elkaar te krijgen en de zaak op de LED aan te sluiten, maar het lukte.

Met z'n allen in de wc

Na het aansluiten zagen we in eerste instantie helaas niets! Was de LED verkeerd om aangesloten (LED's laten stroom maar in één richting door)? We liepen met het bord met alles er op naar de wc om het in het donker te kunnen bekijken. En JA! Het oplichten van de LED was toen goed zichtbaar! Na een uurtje of zo lichtte de LED al duidelijk minder fel op, en na enkele uren was er aan de LED niets meer te zien. De zinken schroeven kleurden de citroen er omheen echter zwart, en aan de onderkant leek het koperdraad mooi schoon geworden te zijn.

Kleiner en ingepakt

Dunne draadjes verbinden de drie cellen. Zeer verheugd waren m'n zoons toen ze de LED zagen oplichten! Ze hadden duidelijk begrepen dat het gelukt was om een batterij zelf te maken. De volgende dag zei ik tegen Pepijn: "Jij weet nu hoe een batterij gemaakt wordt, hè?" En hij antwoordde met iets als: "Ja, maar dan iets kleiner en in ingepakt." De slimmerd; snapt dat er iets soortgelijks maar wel anders dan hele citroenen in een batterij zitten! Daarmee is dit uurtje knutselen goed geslaagd! We hebben later nog een echte batterij open gepeuterd om dat inderdaad te zien. Een zinken huls, zwarte troep en een koolstof staafje. Voor hem verder weinig begrijpelijk of interessant.

Even kritisch...

Er zijn wel wat vragen en opmerkingen boven gekomen aan de hand van dit proefje.
  • Even was er twijfel of de LED goed aangesloten was, ondanks dat ik er wel over nagedacht had: De pijlpunt (de min) van de LED wees naar de kant van het zink (dat elektronen af zou moeten gaan staan), dus dat was correct. Het leek mij echter niet onmogelijk dat door allerlei neveneffecten de polariteit wellicht omgedraaid zou zijn. Ja! De citroenbatterij doet het! Het zou niet voor het eerst zijn dat een scheikundig proefje met huis-, tuin- en keuken-materialen anders zou uitpakken dan verwacht!
  • Wat gebeurt er eigenlijk aan de Cu-kant? In het begin zijn er toch geen Cu2+-ionen aanwezig?! Drie mogelijkheden die ik zo even zie:
    1. Het zuur kan ook als oxidator optreden:
        H+(aq) + e- --> H2(g)
      Het potentiaalverschil met de Zn-kant is wel kleiner, maar dat hoeft vanwege de drie cellen geen probleem te zijn. Ook de gasvorming (waterstof) is geen bezwaar, want die is op deze schaal waarschijnlijk niet zichtbaar.
    2. De koperzouten die op het oppervlak van het koperdraad zitten (oxides waarschijnlijk, vanwege de zwarte kleur) zouden onder invloed van het zuur Cu2+-ionen kunnen leveren. Het gaat dan echter maar om heel weinig stof (vrij schoon koper), wat zou kunnen verklaren dat de batterij het maar zo kort doet. Bovendien ondersteunt dat het 'mooi schoon' worden van het koper.
    3. Andere aanwezige stoffen in het citroensap zouden als oxidator op kunnen treden. Hiervan heb ik echter geen enkel idee!
    Nader onderzoek zou zeer interessant zijn! Kan het koper vervangen worden door platina (geen koperzouten meer)? Kan het koper vervangen worden door schoongeëtst koper (geen koperzouten meer)? Kan de citroen vervangen worden door azijn (geen citroensap) of door niet-zure stoffen (geen zuur)?
  • Het zou een aardig maar totaal ander onderzoek zijn om van een (citroen)batterij te gaan onderzoeken wat de invloed van het oppervlak is op de maximale stroomsterkte.
  • Wat van dit is er nou eigenlijk echt binnengekomen bij Pepijn? Is zijn vraag op zijn niveau beantwoord? Het is lastig om goed te begrijpen wat kleine kinderen nou werkelijk van iets begrepen hebben. Ik zal hem over een paar dagen nog eens vragen...

Leuk om te doen

Het was leuk om dit met m'n zoons te doen! Ik vind het steeds weer een uitdaging om (hun) vragen niet vanuit een haast arrogante alwetendheid te beantwoorden, maar ze zelf, vanuit wat ze waarnemen, hun oordeel over de wereld te laten vellen. Ik hoop maar dat dit weer een beetje wat gelukt is.
Wat ook leuk was, was om dit verslag geheel als een 'wetenschappelijk verslag' op te bouwen, zoals ik dat van mijn leerlingen vraag. Ik heb me gehouden aan de op school gebruikelijke kopjes, hoewel vrij vertaald voor de 'smakelijkheid' van dit verslag:
  1. Titel
  2. Inleiding / aanleiding
  3. Doel
  4. Theorie
  5. Benodigdheden
  6. Werkwijze
  7. Waarnemingen / resultaten
  8. Conclusie
  9. Discussie
  10. Evaluatie
Ga maar na; alle alinea's komen overeen met bovenstaand tien kopjes!

Vragen of opmerkingen? Kom er gerust mee! Zie de contact-pagina.

-klb- augustus 2012