Redoxreacties (Scheikunde vwo), les 1: Uitleg

• New lesson editor
• Scheikunde
• Middelbare school
• vwo
• Leerjaar 4-6

Introduction

Uitleg over redoxreacties op vwo-niveau: redoxkoppels en V⁰ gebruiken om te voorspellen, halfreacties afleiden met H⁺ of OH⁻, een totaalvergelijking opstellen en corrosie verklaren met edelheid en een beschermende laag. Met 2 animaties, foto's, 6 controlevragen en een exit.

Zwaar geroeste kettingschakels in een haven in Zweden

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REDOX · HALFREACTIES

Redoxreacties

Examenstof scheikunde vwo

Les 1 van 3: uitleg. Les 2 is de examentraining, les 3 de terugblik met quiz. Syllabus: R1.3, R1.10-R1.13, M4.1, M5.1. Image credit: W.carter / Wikimedia Commons, CC0

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REDOX · HALFREACTIES

Wat ga je kunnen?

Ik kan met V⁰ voorspellen of een redoxreactie verloopt, halfreacties afleiden, een totaalvergelijking opstellen en corrosie verklaren.

Welke redoxreacties kom je in het dagelijks leven tegen?

Verwachte woorden: roest, verbranding, bleken, batterij, ademhaling, fotosynthese, aanslag op zilver. Laat leerlingen de woorden sorteren op wat in elke situatie elektronen afgeeft en wat ze opneemt. Koppel aan de les: vandaag voorspellen ze met V⁰ of een reactie verloopt, leggen ze de elektronenoverdracht vast in halfreacties en zetten ze die om tot één totaalvergelijking. Veelgemaakte misvatting: redox is verbranding met zuurstof. Elektronenoverdracht kan ook zonder O₂.

Een witgloeiende smeltkroes met vlammen boven een gasbrander

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REDOX · HALFREACTIES

Redoxkoppels: oxidator en reductor

• Bij een redoxreactie geeft de reductor elektronen af en neemt de oxidator ze op.

• Bij elk deeltje hoort een redoxkoppel: oxidator en reductor die in elkaar overgaan, zoals Cu²⁺/Cu.

• Een redoxreactie combineert twee koppels: het ene levert de oxidator, het andere de reductor.

• Fe₂O₃ + 2 Al → Al₂O₃ + 2 Fe: Al geeft elektronen af, Fe³⁺ neemt ze op.

Syllabus R1.3 en R1.11: redoxreacties als overdracht van elektronen; in een gegeven reactie de oxidator en de reductor aanwijzen. Controle: links 2 Fe, 3 O, 2 Al en lading 0; rechts 2 Al, 3 O, 2 Fe en lading 0. Een koppel schrijf je als oxidator/reductor, dus Fe³⁺/Fe en Al³⁺/Al. De reactie van Fe₂O₃ met Al (thermiet) laat een docent alleen als demonstratie zien, met veiligheidsbril en op veilige afstand; leerlingen doen dit nooit zelf. Veelgemaakte fout: denken dat een koppel een reactie is. Het koppel is een paar deeltjes; de reactie ontstaat pas als twee koppels samenwerken. Image credit: Denver & Rio Grande / Wikimedia Commons, CC0

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REDOX · HALFREACTIES

Standaardelektrodepotentiaal en sterkte

• De standaardelektrodepotentiaal V⁰ van een koppel laat zien hoe graag de oxidator elektronen opneemt.

• Hoe hoger V⁰, hoe sterker de oxidator van dat koppel en hoe zwakker de bijbehorende reductor.

• Hoe lager V⁰, hoe sterker de reductor van dat koppel en hoe zwakker de bijbehorende oxidator.

• De waarden staan in Binas of ScienceData. Het koppel H⁺/H₂ is het nulpunt van de schaal: 0,00 V.

• Zo kun je deeltjes ordenen: sterkste oxidatoren bovenaan, sterkste reductoren onderaan.

Syllabus R1.10: met de standaardelektrodepotentiaal de relatieve sterkte van een reductor of oxidator aangeven. Zoek de waarden op in Binas of ScienceData; leerlingen hoeven ze niet te kennen. Veelgemaakte fout: het deeltje met de hoogste V⁰ de sterkste reductor noemen. Hoge V⁰ betekent sterke oxidator, lage V⁰ sterke reductor. Goud (hoge V⁰) neemt graag elektronen op en geeft ze dus niet af: daarom reageert het nauwelijks. Zo komt de edelheid van metalen terug in het derde blok.

Animatie: verloopt de reactie? Vergelijk V⁰ (eigen animatie)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REDOX · HALFREACTIES

Voorspellen of een reactie verloopt

• Een reactie kan verlopen als de oxidator een hogere V⁰ heeft dan de reductor (elk van het eigen koppel).

• Zoek het koppel van de oxidator en dat van de reductor op en vergelijk de twee V⁰-waarden.

• Cu²⁺ met Zn: 0,34 V is hoger dan −0,76 V, dus ja. Cu²⁺ met Ag: 0,34 V is lager dan 0,80 V, dus nee.

• V⁰ zegt niets over de snelheid: een reactie die kan verlopen, kan toch heel traag zijn.

Syllabus R1.10. Laat de animatie een keer helemaal lopen. De pijl loopt van de oxidator links naar de reductor rechts: loopt de pijl omlaag, dan verloopt de reactie; loopt hij omhoog, dan niet. Kijkvraag: waarom reageert Ag(s) niet met Cu²⁺? Antwoord: de V⁰ van Cu²⁺/Cu (0,34 V) is lager dan die van Ag⁺/Ag (0,80 V), dus Cu²⁺ is een te zwakke oxidator voor Ag. Controle bij de reactie 2 Ag⁺ + Fe → 2 Ag + Fe²⁺: links 2 Ag, 1 Fe en lading 2+, rechts hetzelfde. De waarden komen uit Binas of ScienceData (Ag⁺/Ag 0,80 V, Cu²⁺/Cu 0,34 V, Fe²⁺/Fe −0,44 V, Zn²⁺/Zn −0,76 V). Image credit: Eigen animatie

Pb²⁺/Pb −0,13 V en Ag⁺/Ag +0,80 V. Verloopt Pb + 2 Ag⁺ → Pb²⁺ + 2 Ag?

A

Ja, Ag⁺ heeft de hogere V⁰ en is de oxidator

B

Nee, Ag⁺ heeft de hogere V⁰ en is de reductor

C

Ja, Pb²⁺ heeft de hogere V⁰ en is de oxidator

D

Nee, Pb heeft de lagere V⁰ en reageert dus niet

Syllabus R1.10. Ag⁺ (0,80 V) is oxidator en Pb (V⁰ van Pb²⁺/Pb is −0,13 V) is reductor: 0,80 V is hoger dan −0,13 V, dus de reactie verloopt. De vergelijking klopt: Pb + 2 Ag⁺ → Pb²⁺ + 2 Ag heeft links 1 Pb, 2 Ag en lading 2+, rechts hetzelfde. Verwachte fout: denken dat een lage V⁰ betekent dat het metaal niet reageert.

Vul in

Bij een hoge V⁰ is de oxidator van het koppel sterk en de reductor zwak. Een reactie verloopt als de oxidator een hogere V⁰ heeft dan de reductor.

oxidator

reductor

hogere

lagere

katalysator

Syllabus R1.10. Vat samen: hoge V⁰ is sterke oxidator, lage V⁰ sterke reductor, en de reactie verloopt als de V⁰ van de oxidator hoger is dan die van de reductor. Verwachte fout: lagere kiezen.

Animatie: de halfreactie van MnO₄⁻ in vijf stappen (eigen animatie)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REDOX · HALFREACTIES

Halfreactie afleiden in vijf stappen

• Schrijf de oxidator en de reductor van het koppel op, met een pijl ertussen.

• Maak de atomen gelijk, behalve O en H. Zuurstof maak je gelijk met H₂O, waterstof met H⁺.

• Maak als laatste de lading gelijk met elektronen: links bij een oxidator, rechts bij een reductor.

• MnO₄⁻ + 8 H⁺ + 5 e⁻ → Mn²⁺ + 4 H₂O klopt: 1 Mn, 4 O, 8 H en lading 2+ aan beide kanten.

Syllabus R1.12: de vergelijking van een halfreactie afleiden met het gegeven redoxkoppel. Laat de animatie stap voor stap lopen en pauzeer na elke stap. Kijkvraag: waarom komen de elektronen links? Antwoord: MnO₄⁻ is hier de oxidator en neemt elektronen op. Controle: links 1 Mn, 4 O, 8 H en lading 1− + 8+ + 5− = 2+, rechts 1 Mn, 4 O (in 4 H₂O), 8 H en lading 2+. Veelgemaakte fouten: de volgorde omdraaien (eerst de lading en dan pas het water) en de H⁺ vergeten mee te tellen bij de lading. Image credit: Eigen animatie

Permanganaatoplossingen, links verdund (foto: Leiem, CC BY-SA 4.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REDOX · HALFREACTIES

Meer koppels: ook reductoren

• Reductor: SO₃²⁻ + H₂O → SO₄²⁻ + 2 H⁺ + 2 e⁻. De elektronen komen rechts.

• H₂O₂ kan oxidator zijn: H₂O₂ + 2 H⁺ + 2 e⁻ → 2 H₂O.

• H₂O₂ kan ook reductor zijn: H₂O₂ → O₂ + 2 H⁺ + 2 e⁻.

• Paarse MnO₄⁻ wordt in zuur milieu bijna kleurloos Mn²⁺: dat kleurverschil volg je in het lab.

Syllabus R1.12. Controle SO₃²⁻ + H₂O → SO₄²⁻ + 2 H⁺ + 2 e⁻: links 1 S, 4 O, 2 H en lading 2−; rechts 1 S, 4 O, 2 H en lading 2− + 2+ + 2− = 2−. Controle H₂O₂ als oxidator: links 2 O, 4 H en lading 0; rechts 2 O, 4 H en lading 0. Controle H₂O₂ als reductor: links 2 O, 2 H, lading 0; rechts 2 O, 2 H en lading 2+ + 2− = 0. Wat H₂O₂ doet hangt van het andere koppel af: met een sterkere reductor is het oxidator, met een sterkere oxidator is het reductor. De foto laat permanganaatoplossingen zien; de paarse kleur verdwijnt als MnO₄⁻ wordt omgezet. Veelgemaakte fout: denken dat een stof altijd alleen oxidator of alleen reductor is. Image credit: Leiem / Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

Pyrolusiet, het mineraal van mangaan(IV)oxide MnO₂

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REDOX · HALFREACTIES

Koppels met OH⁻ en H₂O

• Soms geeft de opgave bij het koppel OH⁻ en H₂O als deeltjes, in plaats van H⁺ en H₂O.

• Leid de halfreactie dan eerst af met H⁺ en H₂O.

• Tel daarna aan beide kanten evenveel OH⁻ bij als er H⁺ staat. H⁺ en OH⁻ vormen samen H₂O.

• MnO₄⁻ + 4 H⁺ + 3 e⁻ → MnO₂ + 2 H₂O wordt MnO₄⁻ + 2 H₂O + 3 e⁻ → MnO₂ + 4 OH⁻.

Syllabus R1.12: de halfreactie afleiden met het gegeven redoxkoppel. De syllabus noemt basisch milieu niet apart: gebruik OH⁻ alleen als de opgave OH⁻ bij het koppel geeft (zoals O₂/OH⁻ of MnO₄⁻/MnO₂ met OH⁻). Uitwerking: links 4 H⁺ + 4 OH⁻ geeft 4 H₂O; links MnO₄⁻ + 4 H₂O + 3 e⁻, rechts MnO₂ + 2 H₂O + 4 OH⁻; 2 H₂O staat aan beide kanten en valt weg. Controle: links 1 Mn, 6 O, 4 H, lading 1− + 3− = 4−; rechts 1 Mn, 6 O (2 in MnO₂ en 4 in OH⁻), 4 H en lading 4−. MnO₂ komt als mineraal voor (pyrolusiet). Veelgemaakte fout: als OH⁻ gegeven is toch H⁺ in de vergelijking laten staan. Image credit: Shannon Heinle / Wikimedia Commons, CC0

Vul in

Cr₂O₇²⁻ wordt 2 Cr³⁺: links komen 14 H⁺ en 6 e⁻ bij en rechts 7 H₂O, in zuur milieu.

14

6

7

12

8

Syllabus R1.12. Stappen: 2 Cr links en rechts; rechts 7 O dus 7 H₂O; dat is 14 H dus 14 H⁺ links; lading links 2− + 14+ = 12+, rechts 2 × 3+ = 6+, dus 6 e⁻ links. Vergelijking: Cr₂O₇²⁻ + 14 H⁺ + 6 e⁻ → 2 Cr³⁺ + 7 H₂O. Verwachte fout: 3 e⁻ noemen (alleen naar de lading van één Cr³⁺ kijken).

Koppel ClO⁻/Cl⁻, met OH⁻ en H₂O als deeltjes. Welke halfreactie?

A

ClO⁻ + 2 H⁺ + 2 e⁻ → Cl⁻ + H₂O

B

ClO⁻ + 2 OH⁻ + 2 e⁻ → Cl⁻ + H₂O

C

ClO⁻ + H₂O + 2 e⁻ → Cl⁻ + 2 OH⁻

D

ClO⁻ + H₂O → Cl⁻ + 2 OH⁻ + 2 e⁻

Syllabus R1.12. Goed: links 1 Cl, 2 O, 2 H, lading 1− + 2− = 3−; rechts 1 Cl, 2 O, 2 H, lading 1− + 2− = 3−. De optie met 2 H⁺ klopt wel, maar gebruikt H⁺ terwijl OH⁻ gegeven is. De optie met 2 OH⁻ links klopt niet op O; de optie met e⁻ rechts klopt niet op lading. Verwachte fout: de optie met H⁺ kiezen.

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REDOX · HALFREACTIES

Totaalvergelijking opstellen

• Schrijf de halfreacties op: de reductor met elektronen rechts, de oxidator met elektronen links.

• Vermenigvuldig ze zo dat er evenveel elektronen worden afgegeven als opgenomen (kleinste gemeenschappelijke veelvoud).

• Tel de halfreacties op en laat de elektronen wegvallen. Laat ook H⁺ en H₂O wegvallen die aan beide kanten staan.

• Cr₂O₇²⁻ + 14 H⁺ + 6 Fe²⁺ → 2 Cr³⁺ + 7 H₂O + 6 Fe³⁺: 6 e⁻ voor Cr₂O₇²⁻, 1 e⁻ per Fe²⁺.

• Controleer tot slot op atomen en op lading.

Syllabus R1.13: een totaalvergelijking afleiden met behulp van gegeven halfreacties. Uitwerking: Cr₂O₇²⁻ + 14 H⁺ + 6 e⁻ → 2 Cr³⁺ + 7 H₂O (oxidator) en 6 × (Fe²⁺ → Fe³⁺ + e⁻) (reductor). Optellen geeft links 6 e⁻ en rechts 6 e⁻; die vallen weg. Controle: links 2 Cr, 7 O, 14 H, 6 Fe en lading 2− + 14+ + 12+ = 24+; rechts 2 Cr, 7 O, 14 H, 6 Fe en lading 6+ + 18+ = 24+. Veelgemaakte fouten: de index 2 in Cr₂O₇²⁻ vergeten (3 e⁻ in plaats van 6) en het wegvallen van H⁺ en H₂O overslaan.

Zwaar geroeste kettingschakels in een haven in Zweden

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REDOX · HALFREACTIES

Corrosie en edelheid

• Corrosie is een redoxreactie: het metaal geeft elektronen af (reductor), O₂ neemt ze op (oxidator).

• Roest in neutraal milieu: 2 Fe + O₂ + 2 H₂O → 2 Fe²⁺ + 4 OH⁻. Het Fe²⁺ reageert door tot roest.

• Een metaal met een lage V⁰ is een sterke reductor en corrodeert gemakkelijk: het is onedel.

• Een metaal met een hoge V⁰ corrodeert nauwelijks: het is edel.

Syllabus M4.1 en M5.1: corrosiegevoeligheid en de standaardelektrodepotentiaal (edelheid van metalen). Halfreacties: Fe → Fe²⁺ + 2 e⁻ (maal 2) en O₂ + 2 H₂O + 4 e⁻ → 4 OH⁻. Controle van de totaalvergelijking: links 2 Fe, 4 O, 4 H en lading 0; rechts 2 Fe, 4 O, 4 H en lading 4+ + 4− = 0. Edelheid zegt iets over de neiging tot corrosie, niet over de snelheid. Veelgemaakte fout: denken dat roest een vuillaagje op ijzer is. Het is een nieuwe stof waarin het ijzer zit. Image credit: W.carter / Wikimedia Commons, CC0

Thermisch verzinkt staal met de kristalpatronen van het zink

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REDOX · HALFREACTIES

Beschermen tegen corrosie

• Aluminium is een sterke reductor (Al³⁺/Al: −1,66 V) en toch corrodeert het nauwelijks.

• Er vormt zich een dicht laagje Al₂O₃ dat aan het metaal vastzit en O₂ en H₂O buiten houdt.

• Roest schilfert af en is poreus: het laagje beschermt het ijzer eronder niet.

• Verzinkt staal: Zn heeft een lagere V⁰ dan Fe en wordt dus als eerste aangetast.

Syllabus M4.1 en M5.1: de aanwezigheid van een beschermende (gebonden metaaloxide)laag en de edelheid van metalen. V⁰ van Al³⁺/Al is −1,66 V (Binas of ScienceData). Roest is een mengsel van ijzeroxiden met water en blijft niet netjes zitten, dus het ijzer eronder blijft corroderen. Bij een zinklaag of een zinkblok op een scheepsromp is Zn de sterkste reductor van het stel en is Fe dus beschermd, ook als de laag een kras heeft. Veelgemaakte fout: denken dat een sterke reductor altijd snel corrodeert; een dicht, hechtend oxidelaagje maakt het verschil. Image credit: Splarka / Wikimedia Commons, publiek domein

Totaalvergelijking van H₂O₂ + 2 H⁺ + 2 e⁻ → 2 H₂O en Sn²⁺ → Sn⁴⁺ + 2 e⁻?

A

H₂O₂ + Sn²⁺ → 2 H₂O + Sn⁴⁺

B

H₂O₂ + 2 H⁺ + 2 e⁻ + Sn²⁺ → 2 H₂O + Sn⁴⁺

C

H₂O₂ + 2 H⁺ + Sn²⁺ → 2 H₂O + Sn⁴⁺

D

H₂O₂ + 2 H⁺ + 2 Sn²⁺ → 2 H₂O + 2 Sn⁴⁺

Syllabus R1.13. Beide halfreacties hebben 2 e⁻, dus je hoeft niet te vermenigvuldigen. Optellen geeft links 2 e⁻ en rechts 2 e⁻ die wegvallen. Controle: links 4 H, 2 O, 1 Sn en lading 2+ + 2+ = 4+; rechts 4 H, 2 O, 1 Sn en lading 4+. Verwachte fouten: de elektronen laten staan, of H⁺ vergeten.

Vul in

Een metaal met een lage V⁰ is een sterke reductor en corrodeert snel, tenzij er een beschermende oxidelaag op zit die O₂ buiten houdt.

lage

beschermende

hoge

katalytische

Syllabus M4.1 en M5.1. Verwachte fout: hoge kiezen omdat leerlingen edel en sterk door elkaar halen.

Wat vond je het lastigst in deze les?

1

Halfreactie afleiden met H₂O, H⁺ en e⁻

2

Halfreacties met OH⁻

3

Elektronen gelijk maken en optellen

4

Voorspellen met V⁰ en corrosie

Gebruik de uitkomst om te kiezen waar je in de examentraining mee begint. Halfreactie: terug naar de animatie met MnO₄⁻. Voorspellen: terug naar de animatie met de V⁰-koppels.

Welke stap van de halfreactie vergeet jij het vaakst?

Laat een paar leerlingen hun stap noemen: atomen behalve O en H, H₂O, H⁺, lading met e⁻ of de controle. Doe samen een voorbeeld, bijvoorbeeld NO₃⁻ naar NO in zuur milieu.

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REDOX · HALFREACTIES

Begrippen (1/2)

• reductor: Deeltje dat elektronen afgeeft; in de halfreactie staan de elektronen rechts.

• oxidator: Deeltje dat elektronen opneemt; de elektronen staan links van de pijl.

• redoxkoppel: Oxidator en reductor die in elkaar overgaan, geschreven als oxidator/reductor, zoals Fe³⁺/Fe²⁺.

• halfreactie: Vergelijking van één koppel met e⁻, die klopt op atomen en lading.

• standaardelektrodepotentiaal (V⁰): Maat voor de sterkte van oxidator en reductor van een koppel, uit Binas of ScienceData.

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REDOX · HALFREACTIES

Begrippen (2/2)

• totaalvergelijking: Som van twee halfreacties met evenveel e⁻, zonder e⁻ in het resultaat.

• elektronenoverdracht: Elektronen gaan van de reductor naar de oxidator: de kern van een redoxreactie.

• edelheid: Hoe weinig een metaal corrodeert; edel is een hoge V⁰, onedel een lage V⁰.

• corrosie: Aantasting van een metaal door een redoxreactie met stoffen uit de omgeving.

• beschermende oxidelaag: Dicht, hechtend oxidelaagje dat het metaal tegen verdere corrosie beschermt, zoals Al₂O₃.