Material
Strom muss nicht immer von einem großen Kraftwerk oder einer professionellen Batterien kommen. Eine Kartoffel- oder Zitronenbatterie kannst du ganz einfach selbst bauen (geht natürlich auch mit Gurken und Äpfeln). Für den Bau einer eigenen Batterie brauchst du
- eine Kartoffel (oder Zitrone),
- verschiedene Metalle wie Nägel, Schrauben, Geldstücke und Alufolie,
- ein paar Kopfhörer mit Klinkenanschluss oder ein Multimeter,
- zwei Experimentierkabel.
Achtung: Nach dem Versuch ist die Kartoffel/Zitrone nicht mehr essbar! Sie enthält dann Metall-Ionen!
Durchführung
Du kannst auch anstelle des Multimeters einen Ohrhörer nehmen und zwei Metalle mit zwei unterschiedlichen Polen des Kopfhörer-Steckers berühren.
Beobachtung
Mit dem Messgerät kannst du verschiedene Spannungen zwischen den unterschiedlichen Metallen feststellen. Wenn du die Kopfhörer benutzt, kannst du bei der Berührung unterschiedlicher Metallsorten ein Knacken im Ohrhörer hören. Bei einigen Metallkombinationen sogar ein sehr lautes. Die Kombination gleicher Metallsorten ruft kein Knacken im Ohrhörer hervor.
Die angezeigt Spannung am Messgerät und die Geräusche im Ohrhörer weisen darauf hin, dass elektrischer Strom zwischen den jeweiligen Gegenständen (Metallen) fließt. Dies ist aber nur bei unterschiedlich edlen Metallen der Fall.
Aufgabe
Finde eine Paarung von zwei Gegenständen (Metallen), die zu einer besonders hohen Spannung bzw. einem besonders lauten Knacken im Kopfhöhrer führt.
Erklärung
Wenn zwei verschiedene Metalle in die Lösung eines Elektrolyten (z.B. Zitronensäure) gebracht werden, löst sich das "unedlere" Metall auf. Seine Atome gehen als positive Ionen in die Lösung. Der Draht selbst wird von den zurück bleibenden Elektronen negativ geladen. Dem "edleren" Metall werden durch die Lösung Elektronen entzogen; es wird daher positiv. Diese unterschiedlichen Ladungen von edlerem und unedlerem Metall kannst du mit dem Spannungsmesser messen.
Werden die beiden Metalle nun außerhalb der Zitrone bzw. der Kartoffel mit Draht leitend verbunden, so können sich die Ladungen ausgleichen. Es fließt Strom. Dieser Strom verursacht auch das Einschaltknacken im Kopfhörer.
Allgemein gilt: Edlere Metalle bilden in solchen Batterien, die auch galvanisches Element genannt werden. stets den + Pol, unedlere den - Pol.
Beispiel: Batterie mit Zink- und Kupferelektrode
Die verschiedenen Metalle dienen als sogenannte Elektroden, das heißt als Plus- und Minuspol. Verbindest du die beiden Metalle miteinander, wird im Inneren der sauren Frucht ein chemischer Prozess in Gang gesetzt: Weil Zinkatome ihre Elektronen weniger fest an sich binden als Kupferatome, gibt der Zink Elektronen an das Kupfer ab. Und dieser Elektronenfluss ist nichts anderes als Strom. Das Geheimnis der Zitronenbatterie: Der Zitronensaft mit seiner Säure wirkt als Elektrolyt (so heißen Flüssigkeiten, die Strom leiten können). Die Säure wirkt in unserem Experiment wie ein "Treibstoff"; sobald sie verbraucht ist, fließt in der Frucht nichts mehr.
Der schwach saure Zitronensaft und die Zinkelektrode bilden ein sogenanntes galvanisches Element, dessen Zellreaktionen bei fließendem Strom wie folgt beschrieben werden:
(-)-Pol (Zinkelektrode): \({\rm{Zn}} \to {\rm{Z}}{{\rm{n}}^{2 + }}_{{\rm{(aq)}}} + 2 \cdot {e^ - }\)
(+)-Pol (Kupferelektrode): \({\rm{2}} \cdot {{\rm{H}}^ + }_{{\rm{(aq)}}} + 2 \cdot {e^ - } \to {{\rm{H}}_2}\)
An der Zinkelektrode entstehen Zinkionen (Zn2+), so dass sich das Metall langsam auflöst (Korrosion). Die Kupferelektrode dient lediglich der Sammlung von Elektronen. An ihr entsteht Wasserstoff (H2)
Elektrochemische Spannungsreihe
Ordnet man die verschiedenen Metalle so in einer Folge an, dass jedes folgende gegenüber dem vorher gehenden positiv wird, so erhält man die elektrochemische Spannungsreihe. Die elektrochemische Spannungsreihe hat in der Technik eine große Bedeutung: z.B. galvanische Elemente (Batterien), elektrochemische Korrosion, usw. Mehr Infos zur Spannungsreihe findest du im Ausblick.
Aufgabe
Vergleiche den in Abb. 3 gemessenen Spannungswert zwischen Zink- und Wasserstoff (Kupfer ist nur Elektronenüberträger) mit dem Literaturwert, der sich aus der elektrochemischen Spannungsreihe ergibt. Recherchiere dazu den entsprechenden Werte für Zink.