Redox V5 - H9.3 Energie uit redoxreacties (electrochemische cel)

• Scheikunde
• Middelbare school
• vwo
• Leerjaar 5

H9 Redoxchemie

§9.3 Energie uit redoxreacties 

         NOVA 5VWO

Leerdoelen

• Je weet wat een electrochemische cel is en hoe deze is opgebouwd. 
• Je kan uitrekenen hoeveel stroom een batterij of accu kan leveren voor hij op is.
• Je kan de bouw en de werking van een brandstofcel beschrijven.

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

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+​​

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+​​

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 elektronen 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? (2 antwoorden zijn juist)

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 pas een stroom, als 
de stroomkring is 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 stromen via de zoutbrug naar de andere halfcel
4. de + en - ionen uit de zoutbrug stromen 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... (2 antwoorden zijn juist)

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 (∆U )> 0,3

Bronspanning

De bronspanning van de Daniell cel is

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

Rekenen aan elektrochemische cellen

De zink electrode wordt steeds kleiner. De koper elektrode wordt juist steeds zwaarder.

Kan je uitrekenen hoeveel zink verbruikt is als de cel gedurende 1,0 uur een stroom van 250 mA heeft geleverd?

Stroomsterkte I in ampere =

 hoeveelheid lading in coulomb die per seconde een punt in de stroomkring passeert.

(1 A = 1 C/s )

PLAN

stroomsterkte en tijd 

hoeveelheid lading die is getransporteerd in de stroomkring

aantal mol elektronen dat is getransporteerd

aantal mol Zn dat heeft gereageerd

BiNaS tabel 

• 37D (stroomsterkte)
• 35D1 (stroomsterkte)

Constante van Faraday (F) 

• BiNaS tabel 7A  (9,648.... . 10⁴ C . mol^-1 )
• BiNaS tabel 37D hele formule 

Dus 

Als de cel gedurende 1,0 uur een stroom van 250 mA heeft geleverd is dus getransporteerd:

Q = I * t

    = 250 * 10^-3 * 60 * 60 = 900 C

Als de cel gedurende 1,0 uur een stroom van 250 mA heeft geleverd is dus getransporteerd:

Q = I * t

    = 250 * 10^-3 * 60 * 60 = 900 C

n_e = Q / F 

       = 900 / 9,648 * 10⁴

       = 0,0094 mol elektronen

molverhouding Zn : e = 1  : 2

dus 0,0047 mol Zn heeft gereageerd.

Dat is 0,0047 * 65,38 = 0,31 g zink

brandstofcel

• in een brandstofcel reageert een brandstof met zuurstof
• oxidator is altijd zuurstof

• reductor is altijd brandstof voorbeelden van brandstof zijn:

1. waterstof
2. methaan
3. glucose
4. methanol

Brandstofcel

Doorstroomcel waarbij de brandstof (bv H₂ of CH₄) reageert als reductor en zuurstof als oxidator

3 manieren om een cel te tekenen:

Onthoud: De elektrode waar e^- worden afgegeven, is de min-pool. (wanneer er stroom geleverd wordt, is dat dus de elektrode waar de RED reageert)

Electrochemische cel - onthoud dit

Electrochemische cel - nog twee begrippen

Terugkomen op de leerdoelen

• Je weet wat een electrochemische cel is en hoe deze is opgebouwd. 
• Je kan uitrekenen hoeveel stroom een batterij of accu kan leveren voor hij op is.
• Je kan de bouw en de werking van een brandstofcel beschrijven.

Dan kun je nu het volgende oplossen

Maak opgave 20

Nakijken opgave 20

Maak opgave 22

Maak opgave 22

Maak opgave 24

Maak opgave 24