← Back to CoursesStemExpert
StemExpert
Intermediate · Werkboek · 16. Redox en batterijen
StemExpert · Brecht Corbeel · schoolium.me
StemExpert
I16. Redox en batterijen — werkboek
IIntermediate · deel I4 · Chemie en materialen

Werkboek · hoofdstuk 16Redox en batterijen

Elektronen die van zink naar koper springen: van de Daniell-cel tot de batterij van de klimaatmodule

Je begint met oxidatie en reductie herkennen, reacties opsplitsen, de spanningsreeks gebruiken, met ampère-uur en wattuur rekenen en de Daniell-cel lezen. In de tweede trede bouw je cellen in het labo, vergelijk je batterijen, lees je een ontlaadtest, reken je met de constante van Faraday, laad je een batterij, speur je naar corrosie in en rond de kas, programmeer je een coulombteller en denk je na over veilig vliegen met een powerbank. In de uitdagingen toets je de batterijkeuze van Habitat (opdracht 16.13), zoek je uit waarom een loodaccu zo zwaar is en ontwerp je een batterij uit citroenen.

5× oefenen8× toepassen3× uitdagen± 365 min0/16 gedaan
MMaterie en chemieLElektriciteit en elektronicaEEnergie
Van AA tot LiFePO4: dezelfde natuurkunde, een andere chemie.
Van AA tot LiFePO4: dezelfde natuurkunde, een andere chemie.
Hoe lees je een opdracht?
Drie tredenOefenen Toepassen Uitdagen

Elk hoofdstuk bouwt op: eerst oefenen (één stap, direct toepassen), dan toepassen (meerdere stappen, in een context), dan uitdagen (transfer, open problemen, andere leerlijnen erbij).

De StemExpert-schaal5

Eén moeilijkheidsschaal van 1 tot 9 over de drie niveaus heen: Fundamental loopt van 1 tot 4, Intermediate van 3 tot 7, Expert van 6 tot 9. Zo zie je dat de uitdaging van het ene niveau de oefening van het volgende is.

Oefenen

Oefenen

één stap, direct toepassen
16.1

Oxidatie of reductie?

Oefenen3Begrijpen10 min
Vul de elektronen aan en zeg of het een oxidatie of een reductie is.
  1. a
    (a) ; (b) ; (c) ; (d) ; (e)
  2. b
    Magnesium reageert met koperionen: . Welke stof is de reductor, welke de oxidator?
16.2

Redoxreacties opsplitsen

Oefenen4Rekenen15 min
Schrijf de twee halfreacties en de kloppende totale vergelijking.
  1. a
    (a) ijzer in een oplossing met koperionen (er ontstaan Fe2+-ionen)
  2. b
    (b) zink in zoutzuur (er ontstaat waterstofgas)
  3. c
    (c) koper in een oplossing met zilverionen Ag+
  4. d
    (d) aluminium dat met zuurstof een oxidelaagje vormt
16.3

Reageert het?

Oefenen4Begrijpen10 min
Gebruik de spanningsreeks uit het handboek.
  1. a
    Voorspel of er een reactie is, en schrijf ze dan op: (a) een koperdraad in zilvernitraat; (b) een koperdraad in zinksulfaat; (c) een zinken dakgoot in zure regen; (d) een zilveren ring in zoutzuur; (e) een magnesiumlint in kopersulfaat.
  2. b
    Waarom maakt men juwelen van goud en zilver, en geen dakgoten van magnesium?
16.4

Ampère-uur en wattuur

Oefenen3Rekenen15 min
Reken om en bereken de energie.
  1. a
    Bereken de energie in Wh.
    batterijgegevenenergie (Wh)
    smartphone3,85 V, 4500 mAh
    oplaadbare AA1,2 V, 2000 mAh
    e-bike36 V, 14 Ah
    LiFePO4 Habitat12,8 V, 120 Ah
  2. b
    Hoeveel coulomb is 1 Ah? En 4500 mAh?
  3. c
    Een powerbank bevat 10 000 mAh bij 3,7 V. Hoeveel mAh kan ze aan de USB-uitgang (5 V) leveren als 85 % van de energie overblijft?
16.5

De Daniell-cel lezen

Oefenen4Begrijpen15 min
Een Daniell-cel, zonder aanduidingen.
VZnCuZnSO4 (aq)CuSO4 (aq)zoutbrug
Zink in zinksulfaat, koper in kopersulfaat, een zoutbrug en een voltmeter.
  1. a
    Welke elektrode is de minpool? In welke richting lopen de elektronen door de draad?
  2. b
    Schrijf de halfreacties aan beide elektroden. Welke is de anode?
  3. c
    Welke kant op bewegen de kaliumionen en de nitraationen in de zoutbrug? Waarom?
  4. d
    Wat meet de voltmeter als je de zoutbrug weghaalt? Leg uit.
Toepassen

Toepassen

meerdere stappen, in een context
16.6

Labo: een Daniell-cel en een citroenbatterij

Toepassen5Labo50 min
Je bouwt een Daniell-cel met bekerglazen, zink- en koperplaatjes, zinksulfaat- en kopersulfaatoplossing (1 mol/L) en een zoutbrug van filterpapier gedrenkt in kaliumnitraatoplossing. Daarna steek je een zink- en een koperplaatje in een citroen.
  1. a
    Meet de spanning van de Daniell-cel. Vergelijk met 1,10 V.
  2. b
    Meet de spanning en de kortsluitstroom (multimeter op A, even aanraken) van de Daniell-cel en van de citroen.
    celspanning (V)kortsluitstroom (mA)
  3. c
    Vervang het koperplaatje in de citroen door een ijzeren spijker, en het zink door magnesium (indien beschikbaar). Wat verwacht je met de spanningsreeks, en wat meet je?
  4. d
    Waarom levert de citroen veel minder stroom dan de Daniell-cel, ook al is de spanning bijna even groot?
Zo wordt dit beoordeeld
VeiligheidBril en handschoenen; kopersulfaat in het afvalvat, niet in de gootsteen; citroenen niet opeten.
MetingenSpanning en stroom correct gemeten (voltmeter parallel, ampèremeter kort in serie); eenheden.
SpanningsreeksVoorspelling: grotere afstand in de reeks geeft grotere spanning; vergelijking met de meting.
VerklaringInwendige weerstand van de citroen; kleine plaatjes, weinig ionen, geen zoutbrug nodig maar trage reactie.
16.7

Batterijen vergelijken

Toepassen5Analyseren20 min
Gebruik de tabel met batterijtypes uit het handboek (typische waarden per cel).
  1. a
    Hoeveel weegt een batterij die 100 Wh opslaat, voor elk type (neem 35, 90, 120, 140 en 200 Wh/kg)?
    typeWh/kgmassa voor 100 Wh
  2. b
    Kies en motiveer een type voor: (a) een rookmelder die tien jaar moet werken; (b) een drone; (c) een startaccu voor een auto; (d) een thuisbatterij bij zonnepanelen; (e) een draadloze computermuis.
16.8

Een ontlaadtest lezen

Toepassen5Analyseren15 min
Een NiMH-cel van 2000 mAh wordt ontladen met 0,50 A tot de spanning onder 1,0 V komt.
0,00,51,01,52,02,53,03,54,04,50,80,91,01,11,21,31,41,5tijd (h)U (V)eindspanning 1,0 VNiMH-cel, 0,50 A
De spanning van de cel tijdens de ontlaadtest.
  1. a
    Na hoeveel uur is de eindspanning bereikt? Hoeveel lading leverde de cel? Klopt de opgave van 2000 mAh?
  2. b
    Schat de gemiddelde spanning uit de grafiek en bereken de geleverde energie.
  3. c
    Wat verwacht je als je dezelfde test doet met 2,0 A in plaats van 0,50 A? Leg uit.
16.9

Rekenen met Faraday

Toepassen6Rekenen20 min
= 26,8 Ah per mol elektronen. Atoommassa's: Zn 65,38; Cu 63,55; Ag 107,87; Li 6,94 g/mol.
  1. a
    Een zinkplaatje van 5,0 g in een Daniell-cel is voor de helft opgebruikt. Hoeveel Ah heeft de cel geleverd?
  2. b
    Bij verzilveren wordt zilver neergeslagen uit een oplossing met Ag+. Hoe lang moet een stroom van 0,20 A lopen om 1,0 g zilver neer te slaan?
  3. c
    Hoeveel gram lithium moet er minstens heen en weer schuiven om 4500 mAh te leveren (één elektron per lithiumion)? Waarom bevat de echte batterij er meer?
16.10

Een batterij laden

Toepassen5Rekenen15 min
De LiFePO4-batterij van Habitat (12,8 V, 120 Ah) staat op 20 %. De laadregelaar laadt met hoogstens 20 A. Rendement van het laden: 95 %.
  1. a
    Hoeveel Ah en hoeveel Wh moet er in de batterij bij om weer vol te zijn?
  2. b
    Hoe lang duurt het laden minstens? Welke C-rate is 20 A voor deze batterij?
  3. c
    Hoeveel energie moet het zonnepaneel daarvoor leveren?
  4. d
    Waarom duurt het laden in werkelijkheid wat langer dan je berekening?
16.11

Corrosie in en rond de kas

Toepassen5Begrijpen15 min
In en rond de meetkas vind je: een aluminium frame met RVS-schroeven en kunststof ringen, verzinkte stalen grondankers, een koperen buisje dat met een stalen koppelstuk aan een leiding vastzit, en een kaal stalen haakje waar het sproeiwater op spat.
  1. a
    Waarom zitten er kunststof ringen tussen de RVS-schroeven en het aluminium? Wat zou er gebeuren zonder?
  2. b
    Het zinklaagje van een grondanker is beschadigd bij het inslaan. Roest het staal nu op die plek? Leg uit.
  3. c
    Welk metaal corrodeert bij het koppelstuk van koper en staal? Hoe los je het op?
  4. d
    Waarom roest het stalen haakje sneller als er voedingsoplossing op spat dan regenwater?
16.12

Python: een dag van de klimaatmodule

Toepassen6Programmeren30 min
Een datalogger noteert elk uur de gemiddelde stroom van de batterij (positief: ontladen, negatief: laden), in A: [4, 4, 4, 4, 4, 4, 2, -5, -15, -20, -20, -20, -20, -18, -12, -6, 1, 3, 5, 5, 5, 5, 4, 4]. De batterij (120 Ah) start om middernacht op 60 %. Laden gebeurt met 95 % rendement.
  1. a
    Schrijf een programma dat per uur de laadtoestand in procent berekent en afdrukt (coulombtellen). Houd rekening met het rendement bij het laden en begrens tussen 0 en 100 %.
  2. b
    Wat is de laagste en de hoogste laadtoestand van de dag? Komt de batterij onder de 20 %?
  3. c
    Hoeveel Ah is er netto bij gekomen? Is de energiehuishouding van deze dag in evenwicht?
16.13

Een powerbank op het vliegtuig

Toepassen5Begrijpen15 min
Luchtvaartmaatschappijen laten powerbanks en losse lithiumbatterijen alleen toe in de handbagage, niet in de ruimbagage. Tot 100 Wh mag je ze zonder toestemming meenemen.
  1. a
    Waarom juist in de handbagage? Denk aan thermal runaway.
  2. b
    Mag een powerbank van 20 000 mAh bij 3,7 V mee? En een e-bikebatterij van 36 V en 14 Ah?
  3. c
    Waarom tape je de polen van losse batterijen af?
Uitdagen

Uitdagen

transfer, open problemen, leerlijnen combineren
16.14

Habitat: de batterij in een koude week

Uitdagen6Habitat45 min
De klimaatmodule krijgt de LiFePO4-batterij van 12,8 V en 120 Ah (80 % bruikbaar). In een koude, grijze week zet het energiebeheer de groeilampen op spaarstand (ongeveer 4,5 lichturen in plaats van 16; zie hoofdstuk 20): de module verbruikt dan 1,1 kWh per dag, en het paneel levert gemiddeld maar 0,7 kWh per dag. In de technische ruimte zakt de temperatuur 's nachts tot 3 °C als de verwarming uitvalt.
  1. a
    Hoeveel dagen houdt de batterij het uit als ze vol start (tot de ondergrens van 20 %)? Reken met 95 % laadrendement.
  2. b
    Zou een loodaccu van 12 V en 200 Ah (50 % bruikbaar, 80 % laadrendement) het langer of korter volhouden? Reken.
  3. c
    Wat gebeurt er met het laden als de ruimte onder 0 °C zakt? Wat moet het BMS doen? Welke maatregel neem je?
  4. d
    Schrijf een advies van vijf regels voor je portfolio: type, capaciteit, plaats, bewaking, en wat je in hoofdstuk 20 nog moet uitzoeken.
Zo wordt dit beoordeeld
EnergiebalansTekort per dag correct (met rendement bij het laden), bruikbare energie gedeeld door het tekort.
VergelijkingLood met 50 % ontlaaddiepte en 80 % rendement correct doorgerekend.
TemperatuurNiet laden onder 0 °C; BMS blokkeert het laden; batterij in de verwarmde ruimte of met verwarmingsmat.
AdviesOnderbouwde keuze met getallen, en de open vraag (dagen autonomie, paneelvermogen) benoemd.
16.15

Waarom is een loodaccu zo zwaar?

Uitdagen7Rekenen30 min
In een loodcel reageert bij het ontladen: . Per formule gaan er 2 elektronen van lood naar looddioxide; de celspanning is 2,0 V. Molaire massa's: Pb 207,2; PbO2 239,2; H2SO4 98,08 g/mol.
  1. a
    Schrijf de twee halfreacties (neem SO42− mee: aan beide elektroden ontstaat PbSO4).
  2. b
    Hoeveel gram beginstoffen is er nodig voor één mol reactie? Hoeveel Ah en Wh levert die?
  3. c
    Bereken de theoretische energiedichtheid in Wh/kg. Waarom haalt een echte accu maar 30 à 40 Wh/kg?
  4. d
    Doe dezelfde grove schatting voor lithium in grafiet: LiC6 levert per mol één elektron bij ongeveer 3,3 V (LiFePO4). Hoeveel Ah levert 1 kg grafiet? Waarom ligt de echte energiedichtheid veel lager?
16.16

Ontwerp: een led op citroenen

Uitdagen6Ontwerpen45 min
Een rode led brandt vanaf ongeveer 1,8 V en is al zichtbaar bij 1 mA. Een citroencel met een zinken en een koperen plaatje geeft ongeveer 0,9 V zonder stroom, en heeft een inwendige weerstand van ongeveer 1 kΩ.
  1. a
    Hoeveel citroencellen heb je minstens nodig, in serie of parallel? Leg uit met de spanning.
  2. b
    Schat de stroom door de led als je drie cellen in serie zet (de led neemt 1,8 V). Brandt ze zichtbaar?
  3. c
    Teken het schakelschema met de cellen en de led, met de polariteit juist.
  4. d
    Hoe kan je de stroom vergroten zonder meer citroenen? Noem twee ideeën en test ze.
Zo wordt dit beoordeeld
SpanningCellen in serie tot boven 1,8 V: minstens drie.
StroomInwendige weerstanden in serie opgeteld; stroom met de wet van Ohm geschat.
SchemaCorrecte symbolen, zink = minpool, led in doorlaatrichting (anode aan de pluskant).
VerbeteringGrotere plaatjes, dichter bij elkaar, meer cellen parallel in elke tak; resultaat gemeten.
ZelfevaluatieKleur per doel: lukt al / bijna / nog niet