Redoxreacties (Scheikunde havo), les 1: Uitleg

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

Introductie

Uitleg over redoxreacties: elektronenoverdracht, reductor en oxidator, halfreacties opzoeken en een totaalvergelijking afleiden, en corrosie met edele en onedele metalen en beschermende lagen. Met 2 animaties, foto's en eigen figuren, 6 controlevragen en een exit.

Vrijheidsbeeld in New York: koper met een groen laagje

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REDOX · CORROSIE

Redoxreacties

Examenstof scheikunde havo

Les 1 van 3: uitleg. Les 2 is de examentraining, les 3 de terugblik met quiz. Syllabus: R1.3 (redox), R1.8, R1.9, M4.1 (corrosie), M6.1 (corrosiegevoeligheid). Image credit: NPS Photo / Wikimedia Commons, publiek domein

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REDOX · CORROSIE

Wat ga je kunnen?

Ik kan reductor en oxidator aanwijzen, een totaalvergelijking uit halfreacties afleiden en corrosie verklaren met edelheid en een beschermende laag.

Welke woorden horen bij een roestende ijzeren spijker?

Verwachte woorden: roest, zuurstof, water, vocht, bruin, ijzer, fiets, brug, verf, zout, schip. Sorteer ze: wat reageert met wat? Koppel aan de les: het ijzer staat elektronen af aan zuurstof, dat is een redoxreactie. Veelgemaakte misvatting: roest is geen vuil op het ijzer, maar een nieuwe stof waarin het ijzer zit.

Zn geeft elektronen aan Cu²⁺ (eigen animatie)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REDOX · CORROSIE

Redox: elektronen gaan over

• Bij een redoxreactie gaan elektronen over van het ene deeltje naar het andere.

• De reductor staat elektronen af aan een ander deeltje.

• De oxidator neemt die elektronen op.

• Zn(s) + Cu²⁺(aq) → Zn²⁺(aq) + Cu(s): Zn is de reductor, Cu²⁺ is de oxidator.

Syllabus R1.3 en R1.8: een redoxreactie is een reactie waarbij elektronen worden overgedragen, met aanwijzen van reductor en oxidator. Laat de animatie een keer helemaal lopen. Kijkvraag: welk deeltje geeft elektronen af en welk deeltje neemt ze op? Antwoord: Zn geeft af (reductor), Cu²⁺ neemt op (oxidator). De vergelijking klopt: links 1 Zn, 1 Cu en lading 2+, rechts 1 Zn, 1 Cu en lading 2+. Veelgemaakte fout: reductor en oxidator verwisselen. Ezelsbrug: de reductor reduceert een ander deeltje door elektronen te geven, en verandert daarbij zelf. Image credit: Eigen animatie

Reductor geeft elektronen af, oxidator neemt ze op (eigen figuur)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REDOX · CORROSIE

Halfreacties: geven of opnemen

• Een redoxreactie beschrijf je met twee halfreacties, een voor elk deeltje.

• Reductor: Zn → Zn²⁺ + 2 e⁻. De elektronen staan rechts van de pijl.

• Oxidator: Cu²⁺ + 2 e⁻ → Cu. De elektronen staan links van de pijl.

• Een halfreactie klopt op atomen en lading: links 2+ en 2− is samen 0, rechts is Cu ook 0.

Syllabus R1.8: halfreacties. De figuur laat het patroon zien met andere deeltjes dan in de animatie (Fe en Cl₂), zodat leerlingen het patroon herkennen en niet de voorbeelden onthouden. Controle: Fe → Fe²⁺ + 2 e⁻ heeft links lading 0 en rechts 2+ en 2−, samen 0. Cl₂ + 2 e⁻ → 2 Cl⁻ heeft links 2−, rechts 2 × 1−, samen 2−. Veelgemaakte fout: de elektronen aan de verkeerde kant zetten of de lading vergeten mee te tellen. Image credit: Eigen figuur

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REDOX · CORROSIE

Reductor en oxidator aanwijzen

• Kijk per deeltje of de lading stijgt of daalt: bij stijgende lading heeft het deeltje elektronen afgestaan.

• Een deeltje dat elektronen afstaat is de reductor. Een deeltje dat elektronen opneemt is de oxidator.

• Fe(s) + Cu²⁺(aq) → Fe²⁺(aq) + Cu(s): de lading van Fe stijgt van 0 naar 2+, dus Fe is de reductor.

• De lading van Cu²⁺ daalt van 2+ naar 0: Cu²⁺ neemt elektronen op en is de oxidator.

• Ook niet-metalen doen mee: in Cl₂ + 2 e⁻ → 2 Cl⁻ neemt Cl₂ elektronen op en is Cl₂ de oxidator.

Syllabus R1.8: aanwijzen van de reductor en de oxidator. Controle Fe + Cu²⁺ → Fe²⁺ + Cu: links 1 Fe, 1 Cu, lading 2+, rechts hetzelfde. Een ijzeren spijker in een Cu²⁺-oplossing krijgt een rood laagje koper. Veelgemaakte fout: denken dat het ion Cu²⁺ de reductor is omdat het een lading heeft. De stijging of daling van de lading is het handigste hulpmiddel.

Wat is de oxidator in Mg(s) + 2 Ag⁺(aq) → Mg²⁺(aq) + 2 Ag(s)?

A

Ag⁺

B

Mg

C

Mg²⁺

D

Ag

Syllabus R1.8. Ag⁺ neemt een elektron op en wordt Ag (lading 1+ naar 0), dus Ag⁺ is de oxidator. Mg staat af en is de reductor. De vergelijking klopt: links 1 Mg, 2 Ag, lading 2+; rechts hetzelfde. Verwachte fout: Mg kiezen omdat het de reductor is.

Vul in

Een reductor staat elektronen af en een oxidator neemt ze op. In de halfreactie van de reductor staan de elektronen aan de rechterkant van de pijl.

reductor

oxidator

rechterkant

katalysator

linkerkant

Syllabus R1.8. Reductor en oxidator staan op de dia Redox: elektronen gaan over; de plaats van de elektronen op de dia Halfreacties. Verwachte fout: linkerkant, omdat de leerling denkt aan de oxidator.

Zeven halfreacties van edel naar onedel (eigen figuur)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REDOX · CORROSIE

Halfreacties opzoeken in de tabel

• In Binas en ScienceData staan halfreacties als: oxidator + elektronen ⇌ reductor.

• In deze les gebruiken we de halfreacties en de volgorde in de tabel, niet de getallen.

• Sterke oxidatoren staan bovenaan links, sterke reductoren onderaan rechts.

• Een reductor lees je van rechts naar links: Zn ⇌ Zn²⁺ + 2 e⁻ wordt Zn → Zn²⁺ + 2 e⁻.

Syllabus R1.8 en R1.9: halfreacties worden gegeven of opgezocht. De figuur is een selectie van zeven halfreacties uit de tabel, in dezelfde volgorde als in Binas: Au³⁺, Ag⁺, Cu²⁺, Fe²⁺, Zn²⁺, Al³⁺, Mg²⁺. De evenwichtspijl in de tabel hoef je op de havo niet te verklaren: bij een redoxreactie lees je de halfreactie van de oxidator van links naar rechts en die van de reductor van rechts naar links. Veelgemaakte fout: de halfreactie van de reductor niet omdraaien. Image credit: Eigen figuur

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REDOX · CORROSIE

Welke deeltjes reageren met elkaar?

• Een redoxreactie verloopt als de oxidator in de tabel hoger staat dan de reductor.

• Cu²⁺ staat hoger dan Zn: Cu²⁺ en Zn reageren. Zn²⁺ staat lager dan Cu: Zn²⁺ en Cu reageren niet.

• Een metaal staat dus elektronen af aan de ionen van een edeler metaal, niet aan die van een onedeler metaal.

• Een ijzeren spijker in een Cu²⁺-oplossing krijgt een rood laagje koper. In een Zn²⁺-oplossing gebeurt niets.

• Het onedelere metaal is de sterkere reductor: het staat zijn elektronen het eerst af.

Syllabus R1.8 en de context over de hiërarchie tussen oxidator en reductor (voorbeeld batterij/accu): de volgorde in de tabel bepaalt of en welke kant een redoxreactie op gaat. Gebruik de figuur van de vorige dia: Cu²⁺ staat boven Fe, dus Fe + Cu²⁺ reageert; Zn²⁺ staat onder Fe, dus Fe + Zn²⁺ reageert niet. Veelgemaakte fout: de regel omdraaien, of denken dat Cu²⁺ en Zn²⁺ allebei met ijzer reageren.

Totaalvergelijking van Al en Cu²⁺ in vijf stappen (eigen animatie)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REDOX · CORROSIE

Totaalvergelijking afleiden

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

• Maak het aantal elektronen gelijk door een halfreactie met een getal te vermenigvuldigen.

• Tel de halfreacties op. De elektronen links en rechts vallen tegen elkaar weg.

• Controleer atomen en lading: Al en Cu²⁺ geven 2 Al + 3 Cu²⁺ → 2 Al³⁺ + 3 Cu.

Syllabus R1.9: de totale vergelijking afleiden uit gegeven halfreacties. Animatie in vijf stappen. Controle: links 2 Al, 3 Cu en lading 3 × 2+ = 6+; rechts 2 Al, 3 Cu en lading 2 × 3+ = 6+. Kijkvraag: waarom vermenigvuldigen we met 2 en met 3? Antwoord: 3 en 2 elektronen, het kleinste gemeenschappelijke veelvoud is 6. Veelgemaakte fout: de elektronen laten staan in de totaalvergelijking, of de toestandsaanduidingen vergeten. Toestanden voeg je pas toe als de vraag erom vraagt. Image credit: Eigen animatie

Gegeven Zn → Zn²⁺ + 2 e⁻ en Fe³⁺ + e⁻ → Fe²⁺. Wat is de totaalvergelijking?

A

Zn + Fe³⁺ → Zn²⁺ + Fe²⁺

B

2 Zn + Fe³⁺ → 2 Zn²⁺ + Fe²⁺

C

Zn + 2 Fe³⁺ → Zn²⁺ + 2 Fe²⁺

D

Zn + 2 Fe³⁺ → Zn²⁺ + 2 Fe

Syllabus R1.9. De tweede halfreactie met 2 vermenigvuldigen: 2 Fe³⁺ + 2 e⁻ → 2 Fe²⁺. Optellen geeft Zn + 2 Fe³⁺ → Zn²⁺ + 2 Fe²⁺: links lading 6+, rechts 2+ en 4+ is 6+. Verwachte fout: niet vermenigvuldigen, dan klopt de lading niet.

Zet de stappen van de totaalvergelijking op volgorde

1

Tel de halfreacties op en laat de elektronen wegvallen

2

Maak het aantal elektronen in beide halfreacties gelijk

3

Controleer de atomen en de lading

4

Schrijf de halfreacties van reductor en oxidator op

Syllabus R1.9. De volgorde staat op de dia Totaalvergelijking afleiden. Verwachte fout: eerst optellen en dan pas de elektronen gelijk maken.

Gecorrodeerde leidingen met roest en groene aanslag

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REDOX · CORROSIE

Corrosie: onedel metaal aangetast

• Corrosie is het aantasten van een metaal door stoffen uit de omgeving, zoals zuurstof en water.

• Bij het roesten is ijzer de reductor en zuurstof de oxidator.

• Halfreacties: Fe → Fe²⁺ + 2 e⁻ en O₂ + 2 H₂O + 4 e⁻ → 4 OH⁻.

• Totaal: 2 Fe + O₂ + 2 H₂O → 2 Fe²⁺ + 4 OH⁻. Daaruit ontstaat roest, een ijzeroxide met water.

Syllabus M4.1 en M6.1: corrosiegevoeligheid. De halfreacties zijn gegeven (R1.9). Controle: de eerste halfreactie met 2 vermenigvuldigen geeft 2 Fe → 2 Fe²⁺ + 4 e⁻. Totaal: links 2 Fe, 4 O, 4 H, lading 0; rechts 2 Fe, 4 O, 4 H en lading 4+ en 4−, samen 0. Roest is geen zuivere stof: het is een ijzeroxide met water. Veelgemaakte fout: denken dat het ijzer alleen met water reageert; zuurstof is de oxidator. Image credit: Sergiu Dumitriu / Wikimedia Commons, CC BY-SA 2.0

Goudklompje: goud is een edel metaal

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REDOX · CORROSIE

Edele en onedele metalen

• Edele metalen als goud, zilver en koper staan weinig elektronen af: het zijn zwakke reductoren.

• Daardoor corroderen edele metalen nauwelijks.

• Onedele metalen als ijzer, zink, aluminium en magnesium zijn sterke reductoren.

• In de tabel staan de edele metalen bovenaan en de onedele metalen onderaan in de rij reductoren.

Syllabus M4.1 (edelheid van metalen) en M6.1 (edele en onedele metalen). Gebruik de figuur van de tabel: goud, zilver en koper staan in magenta. Vraag aan de klas: waarom gebruik je goud voor een sieraad en ijzer voor een brug? Veelgemaakte fout: denken dat een edel metaal niet kan reageren. Het staat alleen nauwelijks elektronen af. Image credit: James St. John / Wikimedia Commons, CC BY 2.0

Aluminiumfolie: onedel, maar beschermd door een oxidelaagje

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REDOX · CORROSIE

Een beschermende oxidelaag

• Aluminium is onedel, dus een sterke reductor.

• Toch corrodeert het nauwelijks: aan de lucht ontstaat direct een dun laagje Al₂O₃.

• Halfreacties: Al → Al³⁺ + 3 e⁻ en O₂ + 4 e⁻ → 2 O²⁻. Totaal: 4 Al + 3 O₂ → 2 Al₂O₃.

• Het oxidelaagje zit vast op het metaal en houdt zuurstof weg. Roest schilfert juist af.

Syllabus M4.1 (aanwezigheid van een beschermende laag) en M6.1 (gebonden metaaloxide laagje). Controle: 4 Al → 4 Al³⁺ + 12 e⁻ en 3 O₂ + 12 e⁻ → 6 O²⁻ geeft samen 4 Al + 3 O₂ → 4 Al³⁺ + 6 O²⁻, en dat is 2 Al₂O₃: links 4 Al, 6 O, lading 0; rechts 4 Al, 6 O, lading 12+ en 12−. Roest schilfert af en laat nieuw ijzer bloot, het aluminiumoxidelaagje blijft zitten en beschermt. Ook koper (zie de omslagfoto) krijgt een beschermend groen laagje. Image credit: Vitaium / Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

Zinkanode tegen corrosie op een scheepsromp

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REDOX · CORROSIE

Corrosie tegengaan

• Een beschermende laag houdt lucht en water weg: verf, vet, kunststof of een laagje zink.

• Zink is onedeler dan ijzer. Bij een kras reageert eerst het zink en blijft het ijzer langer heel.

• Een zinkblok aan een scheepsromp doet hetzelfde: het zink offert zich op.

• Roestvast staal bevat chroom, dat een beschermend oxidelaagje vormt.

Syllabus M4.1 en M6.1: beschermende laag, gebonden metaaloxidelaagje en edelheid. Zink is de sterkere reductor en staat zijn elektronen het eerst af (tabel: Zn²⁺ staat onder Fe²⁺). Dat is een toepassing van de hiërarchie tussen reductoren. Vraag: wat gebeurt er als de zinklaag helemaal verdwenen is? Antwoord: dan roest het ijzer weer. Veelgemaakte fout: denken dat een verfkrasje geen kwaad kan, terwijl het staal dan weer vrij ligt. Image credit: Jpbazard Jean-Pierre Bazard / Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0

Aluminium is onedel, maar corrodeert nauwelijks. Wat is de reden?

A

Aluminium is eigenlijk een edel metaal

B

Aluminium staat geen elektronen af

C

Er zit een dicht laagje aluminiumoxide op

D

Het oxide lost direct op in regenwater

Syllabus M4.1 en M6.1. Aluminium is een sterke reductor, maar het vastzittende oxidelaagje sluit het metaal af van zuurstof. Verwachte fout: aluminium edel noemen omdat het niet roest.

Waarom beschermt zink ijzer ook bij een kras?

Syllabus M4.1 en R1.8. Goed antwoord: zink is onedeler (een sterkere reductor) dan ijzer en reageert dus eerst. Ook goed: het zink offert zichzelf op. Verwachte fout: alleen zeggen dat zink een laagje vormt, terwijl bij een kras de laag juist stuk is.

Wat vond je het lastigst in deze les?

1

Reductor en oxidator aanwijzen

2

Elektronen gelijk maken

3

De tabel met halfreacties gebruiken

4

Corrosie en bescherming

Gebruik de uitkomst om te kiezen waar je met de examentraining begint. Elektronen gelijk maken: terug naar de animatie met Al en Cu²⁺.

Welke stap van de totaalvergelijking wil je nog oefenen?

Laat een paar leerlingen hun stap noemen: halfreacties opschrijven, elektronen gelijk maken, optellen of controleren. Doe samen een voorbeeld, bijvoorbeeld Mg en Ag⁺.

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REDOX · CORROSIE

Begrippen (1/2)

• redoxreactie: Reactie waarbij elektronen van het ene deeltje naar het andere gaan.

• reductor: Deeltje dat elektronen afstaat.

• oxidator: Deeltje dat elektronen opneemt.

• halfreactie: Het deel van een redoxreactie waarin één deeltje elektronen afstaat of opneemt.

• totaalvergelijking: Optelling van de halfreacties met evenveel elektronen links en rechts.

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REDOX · CORROSIE

Begrippen (2/2)

• edel metaal: Metaal dat weinig elektronen afstaat en nauwelijks corrodeert.

• onedel metaal: Metaal dat gemakkelijk elektronen afstaat en snel corrodeert.

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

• beschermende laag: Laag die het metaal afsluit van zuurstof en water.

• oxidelaagje: Vastzittend laagje metaaloxide dat het metaal beschermt.