Cola-Uhr - wo kommt der Strom her?

Strom ist transportierte Ladung. Damit Strom fließen kann, benötigen wir einen geschlossenen Stromkreislauf, eine Stromquelle (Energiequelle) und einen „Verbraucher“ (Umwandler).

Durch den „Verbraucher“ im Stromkreis wird elektrische Energie in eine andere Energieform umgewandelt (z.B. Wärme, Licht, Bewegung).

Die Cola-Uhr besteht aus einem dosenförmigen, halbtransparenten Behälter,1) der im oberen Teil mit einem Display versehen ist und in dem man im unteren Teil die eingefüllte Cola sieht. Außerdem müssen Kabel vorhanden sein, die den Stromkreis schließen.

Bestandteile der Cola-Uhr:KabelCola(Display)
Material:Metall (Kupfer)Wasser, Zucker, Kohlensäure, Phosphorsäure, Farbstoff, Aroma, Aroma Koffein
Ladungsträger:ElektronenIonen
Leitertyp:Leiter 1. ArtLeiter 2. Art
Wirkung im Stromkreis:Weiterleitung des Stroms (Verbindungen zum Schließen des Stromkreises)irgendwie Energiequelle„Verbraucher“

Fragen zur Cola-Uhr ...

  • Was passiert genau in der Cola Uhr?
  1. Was genau ist die Energiequelle?
  2. Wie kriegt man aus der Cola Strom? √↓
  3. Funktioniert die Uhr nur mit Cola?
  4. Was passiert dabei mit der Cola?
  5. Wieso kann man die Cola (laut Aufdruck) nicht mehr trinken?
  6. Wie lange funktioniert die Cola-Uhr? √↓
  7. Wie ist der genaue Aufbau der Cola-Uhr? √↓
  8. Welche Stoffe aus der Cola leiten die Ladung, bilden also die Ionen? √↓

... und erste Antworten

Zu Frage 6: Laut Anleitung soll man die Cola, wenn sie stinkt oder schimmelig wird, austauschen - damit läuft die Cola-Uhr offensichtlich so lange, bis Cola schlecht wird. Das kann mehrere Wochen dauern.

Zu Frage 8: Aus den Inhaltstoffen der Cola können eigentlich nur die Säuren oder das Wasser Ionen bilden.

  • Wasser: H+ + OH- → H2O Grundsätzlich kann das Wassermolekül in Ionen dissoziieren - da sich bei der Reaktion von Säure und Lauge aber sofort neben einem Salz auch Wassermoleküle bilden, läuft diese Reaktion eigentlich nur in Richtung des Wassermoleküls. * Kohlensäure: H2CO3 → H+ + (HCO3)- → 2 H+ + (CO3)2- ABER: Kohlensäure wird den Getränken zugegeben, damit sie sprudeln - vorrangig dürfte also der Zerfall der Kohlensäure sein: H2CO3 → H2O + CO2 (also wieder kaum Ionen)
  • Phosphorsäure: H3PO4 → H+ + (H2PO4)- → 2 H+ + (HPO4)2- → 3 H+ + (PO4)3-


Zu Frage 7: Nimmt man die Cola-Uhr auseinander, so sieht man, dass der Behälter für die Cola nicht einfach eine Schale ist, sondern in der Mitte geteilt. An diesem Mittelsteg befinden sich Halterungen für Metallplättchen. Insgesamt gibt es vier Metallplättchen, zwei rötliche und zwei graue. Die Kabel, die zum Display führen, sind an jeweils ein Metallplättchen angeschlossen.

Zu Frage 2: Von der Farbe her kann man bei den rötlichen Metallplättchen auf Kupfer schließen. Verbindet man nun die beiden Kupferplättchen mit Kabeln und einem Spannungsmessgerät und hält beide Kupferplättchen in Cola, so stellt man fest, dass keine Spannung zu messen ist. Verbindet man dagegen ein Kabel mit dem Kupferplättchen und ein Kabel mit einem grauen Metallplättchen und taucht diese wieder in die Cola, so kann man eine Spannung von ca. 1 V ablesen und kann am grauen Metallplättchen eine Gasentwicklung beobachten.

Man erzeugt also nur dann Strom in der Cola-Uhr, wenn die Kabel, die zum Display führen, mit zwei verschiedenen Metallplättchen verbunden sind.

Bleibt noch zu klären, aus welchem Metall die grauen Metallplättchen sind.

Spannungsreihe der Metalle

Am einfachsten lässt sich die Metallsorte der grauen Metallplättchen bestimmen, indem man bei bekannten Metallen die Spannung misst, die sich im Vergleich zu Kupfer ergibt. Aus den durchgeführten Spannungsmessungen2) wurden die folgenden Messwerte erhalten (nach Größe sortiert):

Cu/AgCu/CuCu/NiCu/PbCu/AlCu/FeCu/Zn
-0,2 V 0 V 0,1 V 0,3 V 0,4 V 0,5 V 1,0 V

Ergänzung zu Frage 2 und Frage 7: Demnach ist das zweite Metall in der Cola-Uhr Zink.

Silber und Kupfer gehören zu den Edelmetallen und stehen hier beide ganz links. Kupfer ist jedoch unedler als Silber. Damit kann man sich überlegen, dass die Metalle in dieser Reihe von links nach rechts immer unedler, also immer reaktiver werden. Silber ist also in dieser Reihe das edelste Metall, Zink das unedelste.

Misst man zum Vergleich die Spannung, die sich bei anderen Metallpaaren ergibt, so wird deutlich, dass man die zu messende Spannung aus der Differenz der in der ersten Reihe gemessenen Spannungen ermitteln kann (Abweichungen sind Messfehler):
~~~~~ Ni/Pb 0,2 V ~~~~~ Fe/Zn 0,5 V ~~~~~ Ag/Zn 1,1 V

Wie kommt man zu einer negativen Spannung?

Bei der Messung war Cu immer an ein und demselben Pol des Messgeräts angeschlossen, dem (+)-Pol. Bei allen Messungen, bei denen positive Spannungen gemessen wurden, war das unedlere Metall am (-)-Pol des Messgeräts angeschlossen, und die Elektronen sind vom unedlen Metall zum edlen geflossen. Nur im Fall von Silber mussten die Elektronen in die Gegenrichtung wandern, da Silber edler als Kupfer ist. Damit zeigte das Messgerät nun eine negative Spannung an.

Schließt man aber Silber an den (+)-Pol und Kupfer an den (-)-Pol des Messgeräts an, so misst man wieder eine positive Spannung von 0,2 V.

Redoxreaktionen

Chemische Reaktionen, bei denen sowohl eine Reduktion als auch eine Oxidation abläuft, nennt man Redoxreaktionen (Red für Reduktion, ox für Oxidation).

Erstmals kann der Begriff Oxidation im Zusammenhang mit der Verbrennungsreaktion, also der Reaktion mit Sauerstoff auftauchen. Dabei gilt dann die Aufnahme von Sauerstoff unter Bildung von Oxiden als Oxidation, die Spaltung der Oxide, also die Abgabe von Sauerstoff, wäre dann die Reduktion.

Solche Redoxreaktionen, an denen Sauerstoff beteiligt ist, findet man z.B. in der Erzverhüttung. Kurzgefasst gibt dabei das Eisenerz, ein Eisenoxid, den gebundenen Sauerstoff an Kohlenstoff ab, wodurch sich Kohlenstoffdioxid und das reine Eisen bildet. Das Eisenoxid wird also gespalten (Eisen wird also reduziert) und Kohlenstoffdioxid wird gebildet (Kohlenstoff wird also oxidiert).

Aber auch einfache Verbrennungsreaktionen sind Redoxreaktionen - nur wird das mit der Sauerstoff-bezogenen Definition nicht deutlich.

Allgemeingültige Definition

Betrachtet wird als Beispiel die Verbrennung von Magnesium:

2 Mg + O2 → 2 MgO

Es handelt sich um eine Reaktion der Elemente Magnesium und Sauerstoff. Elemente bestehen aus Atomen und sind daher ungeladen.

Die neue Verbindung, Magnesiumoxdi, bildet sich, weil Magnesium (Metall) Elektronen an den Sauerstoff abgibt. In der Verbindung liegen also Ionen vor, Mg2+ und O2-.

2 Mg0 + O02 → 2 Mg2+O2-

Diesen Elektronenübergang kann man auch in Teilgleichungen darstellen. Da nach der ursprünglichen Sichtweise Magnesium oxidiert wird, wird auch hier die Veränderung des Magnesiumatoms zum Magnesiumion als Oxidation bezeichnet - die Veränderung des Sauerstoffatoms zum Sauerstoffion muss also die Reduktion sein.

2 {Mg0 → Mg2+ + 2 e-} ~~~ Oxidation

O02 + 4 e- → 2 O2- ~~~ Reduktion

Damit die Anzahl von Elektronen, die abgegeben und aufgenommen werden, gleich ist, muss die erste Teilgleichung mal zwei genommen werden.

Die Oxidation ist also eine Elektronenabgabe, die Reduktion eine Elektronenaufnahme. Eine Redoxreaktion ist dann also eine Elektronenübertragung.

Redoxreaktionen in der Cola-Uhr

Legt man verkupferte, verzinkte und normale Eisennägel in Zinksulfatlösung, so kann man keinen Veränderung beobachten. In Kupfersulfatlösung jedoch wird der verzinkte und der normale Eisennagel mit einer rötlich-braunen Schicht überzogen. Hier kann es sich nur um Kupfer handeln:

Cu2+ + Zn0 → Cu0 + Zn2+
Cu2+ + Fe0 → Cu0 + Fe2+

In beiden Fällen nimmt Kupfer Elektronen auf, wird also reduziert:

Cu2+ + 2 e- → Cu0 Reduktion

Diese Elektronen werden vom unedleren Metall, hier Eisen bzw. Zink, abgegeben - diese Metalle werden also oxidiert:

Fe0 → Fe2+ + 2 e-
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ Oxidation
Zn0 → Zn2+ + 2 e-

Und in der Cola-Uhr selbst?

In der Cola-Uhr tauchen die Metallplättchen in die Cola ein. Die Spannung baut sich auf, weil Elektronen vom unedleren Zink zum edleren Kupfer fließen.

Also wird auch hier das Zink oxidiert und das Kupfer reduziert.

1)
Gab es als Spielzeug in der Reihe xplorer von Kosmos, unter dem Titel Cola-Clock.
2)
Die Metallplättchen werden für die Spannungsmessung in Cola getaucht, die mit zusätzlicher Phosphorsäure versetzt war.
schule/ch/jahr2/colauhr.txt · Zuletzt geändert: 2018/05/30 21:04 von ahrens
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