10.4 Elektrochemische-, en Brandstofcel

• Scheikunde
• Middelbare school
• havo
• Leerjaar 5

Elektrochemische cel

Onderdelen elektrochemische cel

1) twee gescheiden halfcellen (één voor
    oxidator en één voor reductor) met
    elektrolyt (elektrisch geleidende
    oplossing

2) een elektrode (elektrisch geleidend
    materiaal) in elke halfcel

3) verbinding (stroomdraad) tussen
     elektroden

4) zoutbrug (gevuld met zoutoplossing)

in plaats van een zoutbrug wordt ook wel een ion-
selectief semi-permeabel membraan gebruikt

vaak van een (edel)metaal of grafiet

Demo: Daniell cel

1836: verbetering van de 'zuil van Volta' (de eerste 'batterij') door John Frederic Daniell

Welk deeltje zal als reductor reageren in de redoxreactie die plaats vindt wanneer de Daniell cel stroom levert?

1. Zn
2. Cu
3. Zn​2+​​
4. Cu​2+​​

Geef de halfreactie die optreedt in de halfcel van de reductor van de Daniell cel wanneer deze stroom levert.

De halfcel van de reductor in de Daniell cel

Welk deeltje zal als oxidator reageren in de redoxreactie die plaats vindt wanneer de Daniell cel stroom levert?

1. H​2​​​​​O
2. SO​4​2−​​
3. Zn​2+​​
4. Cu​2+​​

Geef de halfreactie die optreedt in de halfcel van de oxidator van de Daniell cel wanneer deze stroom levert.

De halfcel van de reductor én de halfcel van de oxidator in de Daniell cel

De reductor en oxidator zijn van elkaar gescheiden en kunnen dus niet direct elektronen aan elkaar overdragen. De halfcellen zijn met elkaar verbonden, waardoor de elektronen toch, via een omweg, indirect kunnen worden doorgegeven. De elektronen stromen dan...

1. via de zoutbrug van de Zn-elektrode naar de Cu-elektrode
2. via de zoutbrug van de Cu-elektrode naar de Zn-elektrode
3. via de stroomdraad van de Zn-elektrode naar de Cu-elektrode
4. via de stroomdraad van de Cu-elektrode naar de Zn-elektrode

Een batterij of elektrochemische cel heeft twee polen: een + pool en een - pool. Maar welke is de + pool en welke is de - pool in de Daniell cel?

1. de elektrode waar de reductor reageert is de + pool
2. de elektrode waar de oxidator reageert is de + pool
3. de Zn elektrode is de - pool
4. de Cu elektrode is de - pool

Elektronen stromen buitenom via stroomdraad van:

de - pool 

(waar de reductor reageert)

naar:

de + pool (waar de oxidator reageert)

Er loopt nog geen stroom, want de stroomkring is nog niet gesloten!

(zie de paarse pijlen)

De ladingsverschuiving door de halfreacties moet worden gecompenseerd. Om de stroomkring te sluiten en een stroom te laten lopen, bewegen de...

1. elektronen via de zoutbrug van de rechter halfcel naar de linker halfcel
2. elektronen via de zoutbrug van de linker halfcel naar de rechter halfcel
3. ionen uit de ene halfcel via de zoutbrug naar de andere halfcel
4. de + en - ionen uit de zoutbrug elk naar een andere halfcel

De ionen uit de zoutbrug zorgen dus voor de compensatie van de ladingsverschuiving. Om de stroomkring te sluiten en een stroom te laten lopen, bewegen de...

1. natriumionen uit de zoutbrug naar de linker halfcel
2. natriumionen uit de zoutbrug naar de rechter halfcel
3. chloride-ionen uit de zoutbrug naar de linker halfcel
4. chloride-ionen uit de zoutbrug naar de rechter halfcel

Linker halfcel:

Door ontstaan van Zn2+ ionen, moeten Cl- ionen uit de zoutbrug naar links

(om de ontstane + lading te compenseren)

Rechter halfcel:

Door verdwijnen van Cu2+ ionen, moeten Na+ ionen uit de zoutbrug naar rechts

(om de verdwenen + lading te compenseren)

Sluiten van stroomkring

Halfcel van reductor

Halfcel van oxidator

- pool

+ pool

e- stroomt hierheen

e- stroomt hier weg

+ ionen stromen hierheen

- ionen stromen hierheen

Cu elektrode in Daniell cel

Zn elektrode in Daniell cel

elektrode neemt e- op

elektrode geeft e- af

Bronspanning of celspanning is spanning die cel (batterij) levert.

Te berekenen m.b.v. standaard elektrodepotentialen U0 (V) uit Binas 48

(meest rechter kolom).

Cel levert alleen stroom wanneer celspanning > 0.

Bronspanning

De bronspanning van de Daniell cel is

1. +0,42 V
2. -0,42 V
3. +1,10 V
4. -1,10 V

Waterstof

Een brandstofcel is al lang niet meer suf. Door gebruik van een brandstofcel kunnen er zelfs karts op waterstof rijden!

Brandstofcel

• Brandstofcel is een elektrochemische cel waarbij in
  1 halfcel continu zuurstof wordt toegevoegd: de oxidator
• In de andere halfcel wordt een brandstof toegevoegd: de reductor
• Waterstof, methanol, methaanzuur, methaan, enz.

Brandstofcel

Brandstofcel

• Elektrochemische cel met voortdurende aanvoer van reagerende stoffen.
  
  
• Ox: O2 + 4 H+ + 4 e- -> 2 H2O (1x)
• Red: H2 -> 2 H+ + 2 e- (2x)
• Totaal: 2 H2 + O2 -> 2 H2O

H+ tegen elkaar wegstrepen.

Brandstofcel

• In plaats van waterstof kan ook een andere brandstof gebruikt worden, bijv. methanol

Je hoeft de halfreactie van methanol niet zelf te kunnen opstellen, maar op examens wordt wel vaak gevraagd een onvolledige halfreactie af te maken.

methanol-brandstofcel

Reactie methanol-brandstofcel

Red:   CH₃OH + H₂O       -->  CO₂ + 6 H⁺ + 6e^-

Ox:      O₂ + 4 H⁺ + 4e^-    -->  2 H₂O

Na het gelijk maken van het aantal elektronen,
optellen en wegstrepen van H⁺ en H₂O ontstaat de vergelijking voor de volledige verbranding van methanol.

Geef deze reactievergelijking.

Reactie methanol-brandstofcel

Red:      2 CH₃OH + 2 H₂O      -->    2 CO₂ + 12 H⁺ + 12 e-    (2x)    

Ox:       3 O₂ +  12 H⁺ + 12e-    -->    6 H₂O                                  (3x)

2 CH₃OH + 2 H₂O + 3 O₂ + 12 H⁺   -->   2 CO₂ + 12 H+ + 6 H₂O

                                  2 CH3OH + 3 O2   -->   2 CO2  + 4 H2O