H9.3/4 - Elektrochemische cel en brandstofcel

• Scheikunde
• Middelbare school
• vwo
• Leerjaar 5

H9.3 - energie uit redoxreacties:
Accu's en Brandstofcel

Leerdoelen

Elektrochemische cel: 'voorloper van batterij/accu'

Wat moet een stof bevatten om stroom te kunnen geleiden

1. Geladen deeltjes
2. Bewegende atomen
3. Vrij bewegende geladen deeltjes
4. Een batterij

Bekijk de volgende filmpjes

Je kan dit gebruiken als je vastloopt bij een opgave of als je extra uitleg wilt. Dit is dus ter ondersteuning of ter vervanging van de uitleg. 

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 
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

a) Welke oxidatoren en welke reductoren zie je ?

b) wat is de sterkste ox en wat is de sterkste red

Welk deeltje zal als reductor reageren in de redoxreactie die plaats vindt wanneer de Daniell cel stroom levert ==> wat is dus de sterkste reductor?

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
(- kant) én de halfcel van de oxidator (+ kant) 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 in de Daniell cel?

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

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

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

Elektronenstroom

Elektronen stromen buitenom via stroomdraad 

van:

de - pool (waar de reductor reageert)

naar:

de + pool (waar de oxidator reageert)

Stroomkring moet gesloten zijn om de stroom te kunnen laten lopen

=> d.m.v. zoutbrug of membraan  waar ionen uit komen of doorgelaten worden. Deze ionen compenseren de ladingsverandering door de vertrekkende of aankomende elektronen.

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 reductor halfcel
2. natriumionen uit de zoutbrug naar de oxidator halfcel
3. chloride-ionen uit de zoutbrug naar de oxidator halfcel
4. natriumionen door de stroomdraad naar de oxidator 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 reductor halfcel
2. electronen door de zoutbrug naar de reductior halfcel
3. chloride-ionen uit de zoutbrug naar de reductor halfcel
4. chloride-ionen uit de zoutbrug naar de rechter halfcel

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

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

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

  

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

(meest rechter kolom).

Cel levert stroom wanneer celspanning > 0.

De bronspanning van de Daniell cel is

1. - Vred - Vox = 0,76 - 0,34 = +0,42 V
2. Vox + Vred = 0,34 + -0,76 = -0,42 V
3. Vox - Vred = 0,34 - (-0,76) = +1,10 V
4. Vred - Vox = -0,76 - 0,34 = -1,10 V

Ter aanvulling

Indien je een elektrode nodig is die zelf niet mee doet maar wel elektronen kan doorgeven, wordt een koolstof-elektrode of platina-elektrode gebruikt. 

Deze elektrodes noemen we dan inert (we schrijven ze dan ook niet bij de inventarisatie van de deeltjes op !!!).

Samengevat

Elektrochemische cel = batterij = accu

• Oxidator en reductor bevinden zich apart van elkaar, maar zijn verbonden via een stroomdraad en een zoutbrug/membraan.
• Er ontstaat een spanningsverschil: V = V_ox- V_red 
• Beweging van ionen en elektronen zorgt voor een elektrische stroom.

Samengevat

Elektrochemische cel = batterij = accu

• Elektrode waar oxidator reageert = positieve elektrode
• elektrode waar reductor reageert = negatieve elektrode
• elektronen gaan altijd via stroomdraad buitenom van - naar + !!! Van red naar ox!!
• De ionen compenseren de ladingsverandering veroorzaakt door de elektronen
• Bronspanning = V0ox - V0red (zie Binas T48)

Door de vorige 2 vragen goed te beantwoorden kun je nu de totaal reactie geven.

Check of je de leerdoelen beheerst

• Je weet wat een elektrochemische cel is en hoe deze is opgebouwd.
• Je kunt een schematische tekening maken van een elektrochemische cel, daarbij de verschillende onderdelen benoemen, aangeven wat de negatieve/positieve elektrode is en de richting van de elektronen- en ionenstroom aangeven.
• Je kunt de halfreacties en de totale redoxreactie opstellen van de reactie die plaatsvindt in een elektrochemische cel.

Ik kan de theorie van redox goed op halfcellen toepassen.

0100