Elektrochemische cellen (Scheikunde havo), les 1: Uitleg

• newEditor
• Scheikunde
• Middelbare school
• havo
• Leerjaar 4,5

Introduction

Uitleg over geleiding en ladingdragers, de elektrochemische cel met negatieve en positieve elektrode, de brandstofcel, het opladen van een accu en de elektrolyse van water, met foto's en twee animaties.

Batterijopslag naast een zonnepark in Californië (foto: BLM California, publiek domein)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · ELEKTROCHEMIE

Elektrochemische cellen

Examenstof scheikunde havo

Les 1 van 3: uitleg. Les 2 is de examentraining, les 3 de terugblik met quiz. Syllabus: R1.10, T4.3, M4.1 (geleidingsvermogen). Image credit: Bureau of Land Management California / Flickr, publiek domein

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · ELEKTROCHEMIE

Wat ga je kunnen?

Ik kan een elektrochemische cel beschrijven, de elektroden en de elektronenstroom aanwijzen en uitleggen waarom een stof stroom geleidt.

Wat gebeurt er in een batterij als je een lamp aansluit?

Verwacht: stroom, elektronen, plus en min, een chemische reactie, de batterij raakt leeg. Koppel aan de les: in een batterij reageren stoffen gescheiden van elkaar en gaan de elektronen via de draad. Syllabus R1.10 (elektrochemische cel) en T4.3 (omzetting van chemische in elektrische energie). Veelgemaakte misvatting: de batterij 'bevat' stroom die opraakt, in plaats van stoffen die reageren.

Spoelen koperdraad in een fabriek (foto: Flavio~, CC BY 2.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · ELEKTROCHEMIE

Ladingdragers

• Een stof geleidt stroom als hij ladingdragers heeft die kunnen bewegen.

• In een metaal zijn dat de elektronen: ze bewegen vrij door het metaalrooster.

• In een oplossing of smelt van een zout zijn het de ionen.

• Aanwezig zijn is niet genoeg: de ladingdragers moeten ook kunnen bewegen.

Syllabus M4.1: elektrisch geleidingsvermogen en de aanwezigheid en beweeglijkheid van ladingdragers (elektronen, ionen). De foto toont spoelen koperdraad: koper is een metaal en geleidt door vrije elektronen. Kijkvraag: waarom geleidt een koperdraad wel en een stuk steen niet? Veelgemaakte fout: denken dat de positieve metaalionen de stroom geleiden; in een metaal verplaatsen alleen de elektronen zich. Image credit: Flavio~ / Flickr, CC BY 2.0

Geleiding in een metaal, in vast zout en in een zoutoplossing (eigen figuur)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · ELEKTROCHEMIE

Wie geleidt, en waarom?

• Metaal: vrije elektronen, dus geleiding in vaste en vloeibare toestand.

• Vast zout: de ionen zitten vast in het rooster, dus geen geleiding.

• Zout gesmolten of opgelost: de ionen kunnen bewegen, dus wel geleiding.

• Moleculaire stof zoals suiker: geen ladingdragers, ook opgelost geen geleiding.

Syllabus M4.1 en R1.2 (oplossen en ioniseren). Laat leerlingen bij elk vlak de drie vragen beantwoorden: welke ladingdragers zijn er, kunnen ze bewegen, geleidt de stof? Let op: sommige moleculaire stoffen ioniseren in water (zoals HCl) en geleiden dan wel; suiker ioniseert niet. Veelgemaakte fout: vast zout geleidt 'omdat er ionen in zitten'; de ionen moeten ook kunnen bewegen. Image credit: Eigen figuur

Kristallen van haliet, het mineraal steenzout (NaCl) (foto: James St. John, CC BY 2.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · ELEKTROCHEMIE

Elektrolyt: ionen in beweging

• Een oplossing of smelt met bewegende ionen heet een elektrolyt: die geleidt stroom.

• Zuiver water bevat bijna geen ionen en geleidt nauwelijks; opgelost zout geeft wel ionen.

• Meer ionen in dezelfde oplossing geven meestal een betere geleiding.

• Ook HCl ioniseert in water tot H⁺ en Cl⁻ en vormt dus een elektrolyt.

Syllabus R1.10 (elektrolyt) en M4.1. De kristallen op de foto zijn haliet (steenzout, NaCl): vast, dus geen geleiding, maar opgelost of gesmolten wel. Controle HCl-ionisatie: HCl(g) → H⁺(aq) + Cl⁻(aq): 1 H en 1 Cl links en rechts, lading 0 = 1+ + 1−. Veelgemaakte fout: denken dat het water zelf een goede geleider is; het zijn de opgeloste ionen. Image credit: James St. John / Flickr, CC BY 2.0

Welke stof geleidt in vaste toestand stroom?

A

Cu(s)

B

NaCl(s)

C

C₁₂H₂₂O₁₁(s)

D

CaO(s)

Koper is een metaal met vrije elektronen. NaCl en CaO zijn zouten waarvan de ionen vastzitten, suiker (C₁₂H₂₂O₁₁) is een moleculaire stof zonder ladingdragers. Verwachte fout: een zout kiezen omdat het ionen bevat. Syllabus M4.1.

Waarom geleidt vast NaCl niet, gesmolten wel?

Goed antwoord: in vast NaCl zitten de ionen vast in het rooster; in gesmolten NaCl kunnen de Na⁺- en Cl⁻-ionen bewegen en vormen ze beweeglijke ladingdragers. Verwachte fout: alleen 'er zijn ionen' zeggen, of zeggen dat er elektronen bewegen. Syllabus M4.1.

Zink-koper-cel met spanningsmeter, 2023 (foto: Taweetham, CC BY-SA 4.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · ELEKTROCHEMIE

Opbouw van een cel

• In een elektrochemische cel reageren de reductor en de oxidator gescheiden van elkaar.

• Elke stof zit bij een eigen elektrode in een elektrolyt: links Zn in ZnSO₄, rechts Cu in CuSO₄.

• De elektronen gaan via een externe verbinding: een draad met een lamp of meter.

• Een zoutbrug laat ionen door, zodat de lading in beide bekers in balans blijft.

Syllabus R1.10: elektrochemische cel, reductor en oxidator aanwijzen, elektrolyt, elektronenoverdracht via een externe verbinding. De zoutbrug (papierstrook in de beker) komt in Bijlage 4 voor als onderdeel van het systeem; het gaat om de functie, niet om de samenstelling. In de proef staat de spanningsmeter tussen de twee elektroden. Kijkvraag: waarom reageren Zn en Cu²⁺ hier niet gewoon in één beker? Veelgemaakte fout: denken dat de elektronen door het elektrolyt van de ene naar de andere kant gaan. Image credit: Taweetham / Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

Zink-koper-cel: elektronen door de draad, ionen door de zoutbrug (eigen animatie)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · ELEKTROCHEMIE

Polen en elektronenstroom

• Negatieve elektrode: de reductor (Zn) geeft elektronen af.

• Positieve elektrode: de oxidator (Cu²⁺) neemt elektronen op.

• De elektronen lopen door de draad van de negatieve naar de positieve elektrode.

• Ionen in het elektrolyt sluiten de kring: kationen naar plus, anionen naar min.

Syllabus R1.10: positieve en negatieve elektrode, elektronenoverdracht via een externe verbinding. Kijk eerst naar de rode elektronen in de draad, dan naar de ionen in het midden. Kijkvraag: welke kant gaan de elektronen en welke kant gaan de negatieve ionen in de zoutbrug? Antwoord: de elektronen van Zn naar Cu, de anionen (negatieve ionen) naar de zinkkant. In de animatie zie je ook de Zn²⁺-ionen uit de zinkstaaf komen en de Cu²⁺-ionen naar de koperstaaf gaan. De technische stroomrichting is tegengesteld aan de richting van de elektronen; in de syllabus gaat het om de elektronenstroom. Veelgemaakte fout: de elektronen van plus naar min laten lopen. Image credit: Eigen animatie

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · ELEKTROCHEMIE

Voorbeeld: de zink-koper-cel

• Zn is de reductor en Cu²⁺ de oxidator: Zn is de negatieve en Cu de positieve elektrode.

• Negatieve elektrode: Zn → Zn²⁺ + 2 e⁻. De zinkstaaf lost op.

• Positieve elektrode: Cu²⁺ + 2 e⁻ → Cu. Er slaat koper neer op de elektrode.

• Totaal: Zn(s) + Cu²⁺(aq) → Zn²⁺(aq) + Cu(s). De 2 e⁻ staan links en rechts en vallen weg.

• De stroomsterkte (in ampère, A) is de lading per seconde door de draad: meer elektronen per seconde, snellere reactie.

Syllabus R1.10: halfreactie, aanwijzen van reductor en oxidator, stroomsterkte. Controle: Zn 1 en Cu 1 aan beide kanten; lading links 2+ (Cu²⁺), rechts 2+ (Zn²⁺). Welke stof de reductor is volgt uit de redoxtabel in Binas (zie het onderwerp redoxreacties); in een cel is de sterkste reductor de reductor bij de negatieve elektrode. De stroomsterkte is de hoeveelheid lading die per seconde door de draad gaat; hoe groter, hoe sneller de stoffen reageren. Veelgemaakte fout: de halfreacties omdraaien, of de elektronen niet laten wegvallen in de totaalreactie.

Vul in

In een cel geeft de reductor elektronen af bij de negatieve elektrode; die gaan via de draad naar de positieve elektrode.

reductor

negatieve

positieve

oxidator

elektrolyt

Reductor geeft e⁻ af aan de negatieve elektrode; de e⁻ lopen door de draad naar de positieve elektrode, waar de oxidator ze opneemt. Verwachte fout: reductor en oxidator verwisselen. Syllabus R1.10.

Zet het pad van een elektron op volgorde.

1

Het elektron komt aan bij de koperelektrode

2

Cu²⁺ neemt het elektron op en wordt Cu

3

Zn geeft een elektron af aan de zinkelektrode

4

Het elektron loopt door de draad

Volgorde zoals in de animatie: Zn → Zn²⁺ + 2 e⁻, door de draad, bij de koperelektrode neemt Cu²⁺ ze op in Cu²⁺ + 2 e⁻ → Cu. Verwachte fout: de oxidator als eerste zetten. Syllabus R1.10.

Schema van een waterstof-brandstofcel (eigen figuur)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · ELEKTROCHEMIE

De brandstofcel

• Een brandstofcel zet de chemische energie van een brandstof direct om in elektrische energie.

• Negatieve elektrode: H₂ → 2 H⁺ + 2 e⁻. De H⁺ gaat door het elektrolyt naar de positieve elektrode.

• Positieve elektrode: O₂ + 4 H⁺ + 4 e⁻ → 2 H₂O. Totaal: 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O.

• Brandstof en zuurstof worden steeds aangevoerd, dus de cel blijft stroom leveren.

Syllabus T4.3 (brandstofcel, omzetting van chemische in elektrische energie) en R1.10. Controle totaalreactie: 2 × (H₂ → 2 H⁺ + 2 e⁻) plus O₂ + 4 H⁺ + 4 e⁻ → 2 H₂O geeft 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O; 4 H en 2 O aan beide kanten, de 4 H⁺ en 4 e⁻ vallen weg. Er bestaan ook brandstofcellen met een basisch elektrolyt, met OH⁻ in de halfreacties; bij een examenvraag staan de halfreacties of het elektrolyt in de tekst. Kijkvraag: welke stof wordt de reductor, welke de oxidator? Veelgemaakte fout: denken dat de brandstof 'verbrandt' met een vlam; hier verloopt de reactie gescheiden en komt er stroom. Image credit: Eigen figuur

Compacte brandstofcel in een doorzichtige behuizing (foto: NASA)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · ELEKTROCHEMIE

Batterij of brandstofcel?

• Batterij: de beginstoffen zitten al in de cel; zijn ze op, dan is de batterij leeg.

• Brandstofcel: de brandstof komt van buiten, dus er is stroom zolang er brandstof is.

• Beide zetten chemische energie om in elektrische energie en de reactie loopt vanzelf.

• Op de foto zit een brandstofcel in een doorzichtige behuizing, met een ventilator erboven.

Syllabus T4.3: brandstofcel, elektrochemische cel en batterij als omzetting van chemische in elektrische energie. Het verschil is de voorraad: bij een batterij zit de reductor of oxidator in de cel, bij een brandstofcel worden ze aangevoerd. Kijkvraag: waarom kan een brandstofcel in principe blijven werken en een batterij niet? Veelgemaakte fout: denken dat een brandstofcel energie 'opslaat' zoals een batterij. Image credit: NASA / Wikimedia Commons, publiek domein

Opengemaakte loodaccu, platen in de cellen, 2013 (foto: Sakar.solanki, CC BY-SA 3.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · ELEKTROCHEMIE

Accu: ontladen en opladen

• Een accu is een herlaadbare batterij: de reacties kunnen worden omgekeerd.

• Ontladen: de accu is een cel; aan de negatieve elektrode reageert de reductor.

• Opladen: een stroombron duwt elektronen de negatieve elektrode in, de reacties lopen terug.

• De elektrische energie van de lader wordt zo opgeslagen als chemische energie.

Syllabus T4.3 (opladen accu/batterij) en Bijlage 4, voorbeeld 1: een accu is herlaadbaar als de stoffen die bij ontladen ontstaan in het systeem blijven en de terugreactie kunnen ondergaan. Ontsnapt een product (bijvoorbeeld H₂-gas), dan werkt de terugreactie niet. De foto toont een opengemaakte loodaccu: de cellen met platen en een scheiding ertussen. Kijkvraag: welke elektrode blijft de negatieve elektrode bij het opladen? Antwoord: dezelfde, alleen de reactie draait om. Veelgemaakte fout: de polen van de accu bij het opladen verwisselen. Image credit: Sakar.solanki / Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0

Elektrolyse van water: H₂ en O₂ in de verhouding 2 : 1 (eigen animatie)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · ELEKTROCHEMIE

Elektrolyse van water

• Bij elektrolyse dwingt een stroombron een reactie af die niet vanzelf verloopt.

• Negatieve elektrode: 2 H⁺ + 2 e⁻ → H₂. Hier worden de elektronen de elektrode in gedrukt.

• Positieve elektrode: 2 H₂O → O₂ + 4 H⁺ + 4 e⁻. Hier worden elektronen weggehaald.

• Totaal: 2 H₂O → 2 H₂ + O₂, dus tweemaal zoveel H₂ als O₂.

Syllabus T4.3 (elektrolyse van water: waterstof) en R1.3 (elektrolyse als ontledingsreactie). Het water bevat een opgelost zout of zuur (bijvoorbeeld verdund zwavelzuur) zodat het een elektrolyt is. Controle totaal: 2 × (2 H⁺ + 2 e⁻ → H₂) plus 2 H₂O → O₂ + 4 H⁺ + 4 e⁻ geeft 2 H₂O → 2 H₂ + O₂; de 4 H⁺ en 4 e⁻ vallen weg. Kijkvraag: waarom staat in de rechterbuis maar de helft van het gas? Antwoord: de molverhouding H₂ : O₂ is 2 : 1. Veiligheid als demonstratie: H₂ en O₂ samen zijn explosief, dus kleine hoeveelheden en een veiligheidsbril. Veelgemaakte fout: aan de negatieve elektrode laten reageren wat bij een cel daar zou reageren: bij elektrolyse neemt daar de oxidator (H⁺) elektronen op. Image credit: Eigen animatie

Windturbines in Zuid-Californië (foto: moonjazz, publiek domein)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · ELEKTROCHEMIE

Cel of elektrolyse?

• Cel: de reactie loopt vanzelf, chemische energie wordt elektrische energie.

• Elektrolyse: stroom dwingt de reactie af, elektrische energie wordt chemische energie.

• Cel: aan de negatieve elektrode reageert de reductor. Elektrolyse: daar reageert de oxidator.

• Duurzaam waterstof: elektrolyse met stroom uit zon of wind, daarna H₂ in een brandstofcel.

Syllabus T4.3: duurzame productie van stoffen (elektrolyse van water: waterstof) en omzetting van chemische in elektrische energie en omgekeerd. Dit is de vergelijking die op het examen vaak terugkomt: bij een cel is de negatieve elektrode de reductor-kant, bij elektrolyse is de negatieve elektrode de kant waar elektronen worden opgenomen. Waterstof is alleen duurzaam als de stroom duurzaam is. Kijkvraag: waarom is de stroombron bij de elektrolyse nodig en bij de cel niet? Veelgemaakte fout: aan de negatieve elektrode altijd de reductor laten reageren. Image credit: moonjazz / Flickr, publiek domein

Wat gebeurt er aan de positieve elektrode bij elektrolyse van water?

A

H⁺ neemt elektronen op, er ontstaat H₂

B

Water geeft elektronen af, er ontstaat O₂

C

Water neemt elektronen op, er ontstaat O₂

D

H⁺ geeft elektronen af, er ontstaat H₂

Goed: 2 H₂O → O₂ + 4 H⁺ + 4 e⁻; het water geeft e⁻ af en O₂ ontstaat. De andere opties wisselen de stof of de richting van de elektronen: H₂ ontstaat aan de negatieve elektrode uit H⁺ dat e⁻ opneemt. Verwachte fout: het gas H₂ aan de positieve elektrode zoeken. Syllabus T4.3.

Energieomzetting in een brandstofcel?

Goed antwoord: chemische energie wordt omgezet in elektrische energie (de reactie van brandstof en zuurstof levert stroom). Verwachte fout: elektrische energie in chemische energie (dat is elektrolyse). Syllabus T4.3.

Wat vond je het lastigst in deze les?

1

Welke elektrode plus of min is

2

De richting van de elektronen

3

Halfreacties bij de elektroden

4

Elektrolyse en opladen

Gebruik de uitkomst om te kiezen waar je bij de examentraining mee begint. Polen en elektronenrichting: terug naar de animatie van de zink-koper-cel. Elektrolyse en opladen: de vergelijking cel of elektrolyse.

Waarom is een batterij na een tijd leeg?

Goed antwoord: de reductor en de oxidator zijn opgereageerd, dus er is niets meer dat elektronen kan afgeven of opnemen. Een leerling die zegt 'de stroom is op' mist het reactiebegrip. Syllabus R1.10 en T4.3.

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · ELEKTROCHEMIE

Begrippen (1/2)

• elektrochemische cel: Opstelling waarin een reductor en een oxidator gescheiden reageren en de elektronen via een externe verbinding gaan.

• elektrode: Geleider (vaak een metaalstaaf) waar de halfreactie plaatsvindt en waar de elektronen de cel in of uit gaan.

• elektrolyt: Oplossing of smelt met bewegende ionen die de lading binnen de cel of opstelling doorgeven.

• negatieve elektrode: In een cel: hier reageert de reductor en geeft elektronen af.

• positieve elektrode: In een cel: hier reageert de oxidator en neemt elektronen op.

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · ELEKTROCHEMIE

Begrippen (2/2)

• stroomsterkte: Lading die per seconde door de draad gaat, in ampère (A).

• brandstofcel: Cel waarin een brandstof (zoals H₂) en zuurstof voortdurend worden aangevoerd en stroom leveren.

• accu: Herlaadbare batterij: de reacties kunnen worden omgekeerd door elektrische energie toe te voeren.

• elektrolyse: Ontleding met elektrische energie: een stroombron dwingt een reactie af die niet vanzelf verloopt.

• ladingdrager: Deeltje dat lading kan verplaatsen: elektronen in metalen, ionen in oplossingen en smelten.