Energie in je broekzak
Inleiding
Batterijen zijn een draagbare vorm van energie. Handig, omdat de stroombron relatief klein is en je ze overal kunt gebruiken. Ze zijn aan de andere kant erg duur. Bovendien kleven er allerlei milieubezwaren aan batterijen.
In deze module komt de chemie die een rol speelt bij batterijen uitgebreid aan de orde. Je leert van alles over redoxreacties. Bovendien leer je hoe het komt dat je sommige batterijen wel kunt opladen en andere weer niet.
De module wordt afgesloten met een klein project over het recyclen van batterijen.
Bekijk de video. Batterijen
In dit thema wordt er weer gebruik gemaakt van een duoboekje. Alle opdrachten staan in dit boekje maar uiteraard ook op deze website.
Download het duoboekje hier .
Wat ga je doen?
Wat ga je doen?
Batterijen zijn een draagbare vorm van energie. Handig, omdat de stroombron relatief klein is en je ze overal kunt gebruiken. Ze zijn aan de andere kant erg duur. Bovendien kleven er allerlei milieubezwaren aan batterijen.
In deze module komt de chemie die een rol speelt bij batterijen uitgebreid aan de orde. Je leert van alles over redoxreacties. Bovendien leer je hoe het komt dat je sommige batterijen wel kunt opladen en andere weer niet.
De module wordt afgesloten met een klein project over het recyclen van batterijen.
In deze module staan de volgende vragen centraal:
- Welke soort chemische reacties vinden plaats in een batterij?
- Hoe komt het dat de ene batterij oplaadbaar is en de andere niet?
- Hoe duurzaam zijn batterijen?
Je docent geeft aan hoe je gaat samenwerken en hoe je beoordeeld wordt.
Lees de hele module door en maak een planning.
Jullie gaan:
- Engage: een aflevering kijken van het Klokhuis over batterijen.
- Explore: zelf een batterij maken.
- Explain: leren hoe een batterij werkt.
- Elaborate: bekijken hoe duurzaam een batterij is.
- Evaluate: evalueren wat je geleerd hebt.
In de tabel staat hoeveel lessen je hier ongeveer mee bezig bent.
| Activiteit |
|
Max. aantal lessen |
| Engage |
Activiteit 1 |
0,5 |
| Explore |
Activiteit 2 en 3 |
2,5 |
| Explain |
Activiteit 4 |
1 |
| Explain |
Activiteit 5 |
1 |
| Explain |
Activiteit 6 |
1 |
| Elaborate |
Activiteit 7 |
1 |
| Evaluate |
Activiteit 8 |
2 |
| |
Totaal |
10 |
Wat ga je leren?
Deze eisen kun je terugvinden op deze site.
Je gaat leren over:
Subdomein C1: Chemische processen
Je kunt een redoxreactie beschrijven als een reactie waarbij elektronen worden overgedragen.
Kernbegrippen:
- donor/reductor
- acceptor/oxidator
- halfreactie
Je kunt in de context van batterijen/brandstofcellen de totale vergelijking van de reactie afleiden uit gegeven halfreacties.
Subdomein F3: Energieomzettingen
Je kunt redeneren over aspecten van duurzaamheid die een rol spelen bij de omzetting van chemische energie in elektrische energie en omgekeerd.
Belangrijke zaken:
- aangeven dat bij een elektrochemische cel een redoxreactie optreedt waarbij elektronen via een externe verbinding worden overgedragen;
- halfreacties;
- positieve en negatieve elektrode;
- elektrolyt;
- opladen;
- recycling;
- verhouding energie/massa.
Engage
Activiteit 1
Opdracht 1: Leergesprek - duo's
Kijk eerst het klokhuis filmpje over de batterij.
Het klokhuis: Batterij
Nu jullie het filmpje hebben gezien, schrijven jullie allebei tien vragen op die je over het filmpje kunt stellen. Neem hier ongeveer 5 minuten de tijd voor. Let een beetje op elkaar, zodat niet de één al alle vragen af heeft en de ander nog zit te dubben op de eerste vraag.
Wissel de vragen en beantwoord ze. Dit doe je alleen. Na ongeveer 5 à 10 minuten van zelfstudie, bespreek je de vragen en antwoorden met elkaar. Als jullie er niet uitkomen kun je de vragen aan je docent stellen. Het kan echter ook helpen om nog even het filmpje terug te kijken.
Explore
Activiteit 2
Opdracht 2: Zelf een batterij maken - duo's
Om meer te weten te komen over een batterij, ga je samen met een maatje een batterij maken.
In het klokhuis filmpje heb je al een aantal voorbeelden gezien van hoe je een batterij kunt maken, maar misschien heb je zelf ook al ideeën. Een korte zoektocht op internet levert vast nog veel meer info op. Begin hier dan ook eerst mee.
Aanpak:
1.
Nadat jullie op internet de batterij hebben gevonden die jullie gaan maken, is het nodig om goede afspraken te maken. Wie gaat wat doen?
2.
Verzamel materiaal. Mogelijk is het materiaal dat je nodig hebt op school niet voorhanden en moet je er thuis verder aan werken. In elk geval is het de bedoeling dat de batterij aan het begin van de volgende les klaar is.
Alle batterijen worden bij aanvang van de volgende les uitgestald en de docent bespreekt ze kort.
Het bespreekmodel bevat 3 elementen:
- complimenten
- kritische kanttekening
- vraag
Het duo dat de batterij maakt die het meeste vermogen levert, wint.
Activiteit 3
Opdracht 3: Typen batterijen - duo's
We gaan kijken naar de reacties die in een batterij plaatsvinden.
We doen dat door drie typen batterijen te vergelijken.
Je hebt zelf een batterij gemaakt. Kies daarnaast één van de wegwerpbatterijen en één van de oplaadbare batterijen.
Wegwerpbatterijen
- Leclanché Cells
- Alkaline Cells
- Mercury Oxide Cells
- Zinc/Air Cells
- Aluminum/Air Cells
- Lithium Cells
- Lithium Iron Primary
- Magnesium-Copper Chloride Reserve
Oplaadbare batterijen
- Lead–Acid Cells
- Nickel/Hydrogen Cells
- Nickel/Cadmium Cells
- Nickel/Metal Hydride Cells
- Sodium/Sulfur Cells
- Nickel/Sodium Cells
- Lithium Ion Cells
- Manganese-Titanium (Lithium) Cells
- Rechargeable Alkaline Manganese Cells
- Nickel Zinc Cells
- Iron Nickel Cells
- Iron Air Cells
- Iron Silver Cells
- Redox (Liquid Electrode) Cells
Zoek per batterij uit:
Welke reactie(s) vindt(en) erin plaats?Zoek per batterij uit:
- Welke stof of deeltje treedt op als oxidator en welke als reductor?
- Wat is de gemiddelde levensduur van de batterij?
- Wat is het vermogen dat de batterij kan leveren?
- Waar wordt de batterij (vaak) voor gebruikt?
Je presenteert je resultaten digitaal. Denk bijvoorbeeld aan een website, een prezi of een online PowerPoint. Zorg wel voor een omgeving waar klasgenoten een reactie of opmerkingen kunnen achterlaten.
Als iedereen in de klas dit gedaan heeft, maak bij elke presentatie twee of drie opmerkingen. Geef een compliment, maak een kritische kanttekening en stel eventueel een vraag.
Explain
Activiteit 4
01 - individueel
Je docent voert de volgende demonstratieproef uit. Beantwoord hierna de vragen op de volgende pagina in je (digitale) schrift.
Benodigdheden:
- 0,1 M oplossingen van een zilverzout, een koper(II)zout, een lood(II)zout, een tin(II)-zout, een ijzer(II)zout en een zinkzout.
- Een zilver-, koper-, lood-, tin-, ijzer- en zinkstaaf
- Voltmeter en ampèremeter, snoeren en krokodillenbekjes
Werkwijze
De docent zet steeds een staafje metaal in een oplossing van een aantal verschillende metaalionen. De tabel op de volgende bladzijde laat zien welke metalen in welke oplossingen van metaalionen moeten.
Vragen
- Wat neem je waar?
- Neem de tabel over en schrijf op welke reacties verlopen
(+ betekent dat de reactie verloopt, - dat de reactie niet verloopt).
- Schrijf van elke reactie de reactievergelijking op en vermeld erbij welke stof de reductor en welke de oxidator is.
| |
Ag |
Cu |
Pb |
Sn |
Fe |
Zn |
| \(\small{A}{{g}}^{+}\) |
|
|
|
|
|
|
| \(\small{C}{{u}}^{{{2}+}}\) |
|
|
|
|
|
|
| \(\small{P}{{b}}^{{{2}+}}\) |
|
|
|
|
|
|
| \(\small{S}{{n}}^{{{2}+}}\) |
|
|
|
|
|
|
| \(\small{F}{{e}}^{{{2}+}}\) |
|
|
|
|
|
|
| \(\small{Z}{{n}}^{{{2}+}}\) |
|
|
|
|
|
|
In de demonstratieproef zag je dat reductoren en oxidatoren niet even sterk zijn. Het ene metaal is in staat het andere metaal uit de oplossing te verdrijven. Dit metaal is dus sterker (als reductor) dan het metaal dat uit de oplossing wordt verdreven. Op basis hiervan kun je de metalen rangschikken.
Je spreekt van de verdringingsreeks van de metalen.
02 - individueel
Je gaat zelf zo’n verdringingsreeks maken.
Open de volgende applet en maak de opdrachten op het werkblad .
Let op! deze applet maakt gebruik van Flash.
Activiteit 5
Je hebt ervaren dat reductoren en oxidatoren door direct contact met elkaar kunnen reageren.
Er worden dan elektronen overgedragen van de reductor naar de oxidator.
Wat blijkt?
Dit kan ook op afstand van elkaar!
De elektronen kunnen dan door bijvoorbeeld een stroomdraad lopen.
Hier maak je gebruik van in een batterij.
Een aantal experimenten van de demonstratieproef kunnen we ook anders uitvoeren, waarbij we het spanningsverschil meten.
Inleiding
Als er een reactie aan een elektrode optreedt, worden elektronen aan de elektrode afgestaan of opgenomen. Dat wil zeggen dat er een spanningsverschil tussen beide elektroden kan bestaan. Dat is met een voltmeter te meten.
Ga nu naar de volgende pagina.
Activiteit 5 - Opdracht 03 en 04
03 - individueel
Je docent voert het onderstaande experiment uit. Beantwoord hierna de vragen op de volgende pagina in je (digitale) schrift.
Benodigdheden
- 6 bekerglazen van 100 mL
- 0,1 M oplossingen van een zilverzout, een koper(II)zout, een lood(II)zout, een tin(II)zout, een ijzer(II)zout en een zinkzout in water
- Een zilver-, koper-, lood-, tin-, ijzer en zinkstaaf
- Voltmeter en ampèremeter, snoeren en krokodillenbekjes
- Zoutbrug
Werkwijze
Je docent plaatst staafjes metaal in een bekerglas met een oplossing van het betreffende metaalion. Tussen beide bekerglazen wordt een zoutbrug geplaatst. Vervolgens wordt het spanningsverschil tussen de twee metaalstaafjes gemeten (zie de figuur).
Wat neem je waar?
Schrijf in de tabel op welke reacties verlopen
(+ betekent dat de reactie verloopt, - dat de reactie niet verloopt).
Schrijf de reactievergelijking op en vermeld erbij welke stof de reductor en welke de oxidator is.
| |
\(\small{Ag/}{A}{{g}}^{+}\) |
\(\small{Cu/}{C}{{u}}^{{{2}+}}\) |
\(\small{Pb/}{P}{{b}}^{{{2}+}}\) |
\(\small{Sn/}{S}{{n}}^{{{2}+}}\) |
\(\small{Fe/}{F}{{e}}^{{{2}+}}\) |
\(\small{Zn/}{Z}{{n}}^{{{2}+}}\) |
| \(\small{Ag/}{A}{{g}}^{+}\) |
|
|
|
|
|
|
| \(\small{Cu/}{C}{{u}}^{{{2}+}}\) |
|
|
|
|
|
|
| \(\small{Pb/}{P}{{b}}^{{{2}+}}\) |
|
|
|
|
|
|
| \(\small{Sn/}{S}{{n}}^{{{2}+}}\) |
|
|
|
|
|
|
| \(\small{Fe/}{F}{{e}}^{{{2}+}}\) |
|
|
|
|
|
|
| \(\small{Zn/}{Z}{{n}}^{{{2}+}}\) |
|
|
|
|
|
|
04 - individueel
Je hebt zojuist een demonstratieproef bekeken. De zoutbrug is nodig om de stroomkring gesloten te maken. Oftewel, deze verbindt de beide ruimtes met elkaar. Anders zou de ene cel op een gegeven moment postief geladen zijn en de ander negatief.
Je gaat nu weer met een online simulatie zelf een proef simuleren.
Open de volgende applet en maak de opdrachten op het werkblad . Let op! deze applet maakt gebruik van Flash.
Activiteit 6 - Opdracht 4
Opdracht 4: Verschil oplaadbaar en niet-oplaadbaar - duo's
In activiteit 3 heb je gekeken naar de werking van een oplaadbare en een niet-oplaadbare batterij. Wat is nu het verschil tussen beiden?
Behalve uiteraard dat je de één kan opladen en de ander niet.
Kijk terug naar de reactievergelijkingen bij de batterijen in activiteit 3.
Maak twee kolommen in jullie duoboekje:
één met de oplaadbare batterijen en één met de niet-oplaadbare.
Zet de reactievergelijkingen in de juiste kolom.
Vergelijk de kolommen. Wat valt je op?
Activiteit 6 - Opdracht 05
Je zag dat het belangrijkste verschil tussen oplaadbare
en niet-oplaadbare batterijen zit in de reactieproducten.
Bij een oplaadbare batterij blijven die gebonden aan de elektrode.
Bij het opladen keert de reactie om en wordt de oorspronkelijke elektrode
weer teruggevormd. De deeltjes blijven dus min of meer op hun plek.
Hoe wordt een batterij nu opgeladen?
Om hier iets over te kunnen zeggen voert je docent de volgende proef uit:
05 - individueel
Je docent voert het volgende experiment uit, waarbij hij/zij een eenvoudige loodaccu maakt. Beantwoord de vragen op de volgende pagina in je (digitale) schrift.
Benodigdheden
- Bekerglas van 100 mL
- 4M zwavelzuur
- Twee loodplaten die net in het bekerglas passen
- Latje van minstens 16 mm dik en langer dan de diameter van het bekerglas
- Nietmachine
- Voltmeter, ampèremeter en spanningsbron
- Stroomdraden en krokodillenklemmen
- Lampje van 1,5 V
Werkwijze
- Schuur de twee loodplaatjes met schuurpapier intensief schoon.
- Niet de loodplaten vast op het latje
(daardoor blijft de afstand tussen de loodplaten steeds hetzelfde).
- Neem een bekerglas van 100 mL. Schenk hierin 60 mL 4 M \(\small{H}_{{2}}{S}{O}_{{4}}\).
- Breng de twee loodplaatjes in de oplossing.
Sluit de ene aan op de pluspool van een spanningsbron en de andere op de minpool. Neem een voltmeter en een ampèremeter in de schakeling op.
Ga na bij welke spanning een stroom gaat lopen.
Laat gedurende minstens 60 minuten een stroom lopen van ongeveer 100 mA.
- Haal de draden uit de spanningsbron en sluit deze aan op een lampje van 1,5 Volt.
Vragen
- Beschrijf wat je waarneemt. Let daarbij goed op de kleuren van de loodplaatjes.
Bij het opladen van de batterijen wordt een tegenspanning op de batterij aangebracht, die iets groter is dan de batterij levert. Hierdoor draaien de reacties om en wordt de batterij opgeladen.
- Geef met behulp van BINAS tabel 48 (of zoek elders) de reactie, die plaatsvindt:
- als de loodaccu stroomt levert;
- als de loodaccu wordt opgeladen.
- Geef je conclusie in 3 zinnen.
Elaborate
Activiteit 7
Opdracht 5: Hoe duurzaam is een batterij? - duo's
Recycling batterijen
Jullie hebben al geregeld gekeken naar het begrip duurzaamheid.
In de context van de batterij kijken we naar de mate waarin de materialen waarvan een batterij is gemaakt opnieuw gebruikt kunnen worden.
Ga met de klas na welke batterijen in de klas het meest gebruikt worden en kies de vier meest gebruikte batterijen uit. Zoek voor elke batterij uit:
- Uit welke grondstoffen de batterij gemaakt wordt.
- Probeer een beeld te krijgen hoeveel er hierbij verspild wordt.
- Ga na in hoeverre de inzameling van de batterijen lukt.
- Ga na in welke mate deze grondstoffen hergebruikt worden.
Bepaal of het zin heeft de batterijen centraal in te zamelen en of het zin heeft de batterijen gesorteerd in te leveren.
Evaluate
Activiteit 8
06 - individueel
Het is de bedoeling dat je in twee lessen nog een keer goed de revue laat passeren wat je allemaal geleerd hebt en waar je misschien nog even wat herstelwerk moet verrichten. Je zou dat als volgt kunnen aanpakken.
Stap 1
In les 1 bestudeer je alles wat in deze module centraal stond.
Al studerend, maak je een samenvatting van een A4’tje.
Bij het maken van die samenvatting gebruik je in ieder geval de volgende woorden:
- donor
- reductor
- acceptor
- oxidator
- halfreactie
- totaalreactie
- elektrolyt
- opladen
|
- duurzaam
- chemische energie
- elektrische energie
- positief
- negatief
- metaal
- recyclen
|
- redoxreactie
- elektrochemische cel
- elektron(en)
- chemische reactie
- positieve elektrode
- negatieve elektrode
- ion
|
Zorg dat je samenvatting wel correct is.
Dat doe je door consequent het leermateriaal erbij te houden.
Stap 2
Vergelijk in de laatste tien minuten van les 1 je samenvatting met die van je buurman. Als je fouten tegenkomt, verbeter je die uiteraard.
Stap 3
Na afloop van les 1 kijk je bij wijze van huiswerk nog eens naar je samenvatting. Daarna probeer je met behulp van de trefwoorden de samenvatting als het ware uit je hoofd te halen. Hierbij mag je niet spieken of gebruik maken van de samenvatting. Als je klaar bent, controleer je nog even wat je ervan gebakken hebt. Als je dan nog doorstudeert, besteed je natuurlijk steeds meer tijd aan steeds minder.
Stap 4
In de volgende les stellen leerlingen in de eerste helft van de les vragen aan de docent over die aspecten die ze voor hun gevoel nog niet voor 100% begrijpen.
Stap 5
In de tweede helft van de les stelt de docent een paar vragen aan de leerlingen die volgens hem cruciaal zijn voor het begrijpen van de leerstof en/of van belang zijn met het oog op een naderende toets/het examen.
