Chemie achter pacemakers
Pacemakers kunnen geplaatst worden bij mensen met hartproblemen. Vaak denk je dan aan oudere mensen, maar ook bij jongere mensen worden pacemakers geplaatst. Zoals bij Skip van 17. Bekijk hier het verhaal van Skip.
Skip is ambasadeur van stichting hartekind. Wil je daar meer over weten klink op deze link.
In de komende 3 lessen gaan we leren hoe een batterij in een pacemaker werkt. De drie onderwerpen die aan bod komen zijn:
- De reacties in een pacemaker (ter vervanging van 10.3)
- De werking van een batterij in een pacemaker (ter vervaning van een deel van 10.4)
- Het opladen van batterijen (ter vervanging van een deel van 10.4)
De planning van de lessen is te vinden onder het kopje planning. De leerdoelen staan per les aangegeven.
Veel succes
Planning lessen
Deze lessenserie omvat in totaal 3 lessen. De planning ziet er als volgt uit:
Les 1: 10.3: totaalreactie 80 min
Les 2: 10.4: uitleg elektrochemische cellen 40 min
Les 3: 10.4: afmaken 80 min
Het is mogelijk om de keuzelessen te volgen voor verdieping en extra ondersteuning. Inschrijven daarvoor gebeurt op de gebruikelijke manier via magister.
Inhoudelijk vervangt deze lessenserie paragraaf 10.3 en 10.4. De leerdoelen die hieraan gekoppeld zijn:
- Je kunt een kloppende redoxvergelijking opstellen als de halfreacties zijn gegeven
- Je kunt een kloppende redoxvergelijking opstellen als de oxidator en de reductor zijn gegeven
- Je kunt uitleggen wat een elektrochemische cel is
- Je kunt in de elektrochemische cel aangeven wat de oxidator, reductor, positieve elektrode, negatieve elektrode en de elektronen stroom is
- Je kunt uitleggen wat de functie van het elektrolyt in de elektrochemische cel is
- Je kunt uitleggen op microniveau welke processen er in de elektrochemische cel plaatsvinden
- Je kunt uitleggen op microniveau welke processen er in de elektrochemische cel plaatsvinden tijdens het opladen van de elektrochemische cel
Veel succes.
Chemische reacties in de pacemaker
Een pacemaker zorgt ervoor dat het hart op de goede snelheid blijft kloppen. De energie in de pacemaker wordt geleverd door een batterij. In de batterij wordt chemische energie omgezet in elektrische energie. De chemische processen in de batterij vallen onder de redox reacties. Om de werking van de batterij in de pacemaker beter te begrijpen gaan we eerst beter kijken naar de totaalreacties in de batterijen.
Na dit onderdeel beheers je de volgende leerdoelen:
- Je kunt een kloppende redoxvergelijking opstellen als de halfreacties zijn gegeven
- Je kunt een kloppende redoxvergelijking opstellen als de oxidator en de reductor zijn gegeven
Uitleg opstellen totaalreacties
Opstellen totaalreacties.
Om een totaalreactie op te stellen moet je eerst twee halfreacties hebben. Dit hebben we behandeld in paragraaf 10.1 en 10.2. Wil je nog even een korte opfrisuitleg over halfreacties, bekijk dan het volgende filmpje.
Uitleg totaalreacties
In onderstaande uitleg film wordt aan de hand van een aantal voorbeelden uitgelegd hoe je een totaalreactie opgesteld. Bekijk deze uitleg voordat je zelf gaat oefenen met het opstellen van totaalreacties.
Uitleg opstellen totaalreactie
Oefenopdrachten opstellen totaalreacties
Hieronder staan een aantal oefenopdrachten met antwoorden en uitleg. Je begint (uiteraard) bij voorbeeld 1 en dan wijst het zich vanzelf.
Gebruik elke keer onderstaand stappenplan voor het opstellen van totaalreacties.
- Inventariseer alle aanwezige OX en RED (ook water).
- Gebruik binas tabel 48 voor het opzoeken van de sterkste oxidatoren de sterkste red. En controleer of de oxidator boven de reductor staat.
- Kijk of het aantal elektronen in beide halfreacties gelijk is. Zo niet, maak dan gelijk door de halfreacties te vermenigvuldigen tot het aantal elektronen gelijk is.
- Tel halfreacties op, elektronen vallen weg.
- Streep ook andere moleculen weg die aan beide kanten van de pijl voorkomen (bijvoorbeeld H+ , OH- , H2O)
Oefenopdracht 1
Oefenopdracht 2
Oefenopdracht 3
Oefenopdracht 4
Oefenopdracht 5
Oefenopdracht 6
formatieve evaluatie totaalreacties opstellen
Nadat je de oefenopdrachten hebt gedaan is het tijd om te testen hoe goed je de stof beheerst. In de formatieve evaluatie die je gaat doen wordt gekeken hoe goed je de stof beheerst. Mocht dit erg goed gaan dan kun je verder met paragraaf 10.4. En anders kun je nog verder werken aan de beheersing van de stof door de extra oefenopdrachten te maken.
Je kunt de formatieve evaluatie vinden via go formative en staat voor je klaar in de klas of via deze link en deze code: ECH54G
Veel succes
Extra oefeningen totaalreacties maken
- We dompelen een staafje chroom in een oplossing van nikkel(II)chloride.
- We schenken jodide-ionen bij een waterstofperoxide-oplossing(H2O2)
- Waterige kaliumpermanganaat (MnO4 - )oplossing + zwaveldioxide gas
- Geef de totaalreactie die optreedt als zoutzuur reageert met een koperen naald. Let op, zoutzuur is een sterk zuur!
- Roestvlekken in kleding worden veroorzaakt door de ijzer(III)-ionen. De vlekken kunnen worden verwijderd met een oplossing van oxaalzuur (H2C2O4 ). Geef de reactievergelijking.
-
Kalium en water
-
Kwik en kwik(II)nitraat-oplossing
-
Koper en ijzer(III)chloride-oplossing
-
Waterstofsulfide en broomwater
-
IJzer en tin(II)chloride-oplossing
-
Koper en lood(II)nitraat-oplossing
- We laten het metaal zink reageren in zuur milieu (pH < 7) en in basisch milieu (pH > 7). In alle drie de gevallen treedt er een redoxreactie op waarbij zink betrokken is. Geef met behulp van tabel 48 de halfvergelijkingen en de totaalreactie van deze twee reacties en verklaar aan de hand van deze reacties wat je bij het uitvoeren de proef zult waarnemen
Stappenplan opstellen totaalreacties
Voor het opstellen van totaalreacties kun je het onderstaande stappenplan gebruiken.
- Inventariseer alle aanwezige OX en RED (ook water).
- Gebruik binas tabel 48 voor het opzoeken van de sterkste oxidatoren de sterkste red. En controleer of de oxidator boven de reductor staat.
- Kijk of het aantal elektronen in beide halfreacties gelijk is. Zo niet, maak dan gelijk door de halfreacties te vermenigvuldigen tot het aantal elektronen gelijk is.
- Tel halfreacties op, elektronen vallen weg.
- Streep ook andere moleculen weg die aan beide kanten van de pijl voorkomen (bijvoorbeeld H+ , OH- , H2O)
Werking van batterijen in pacemakers
Je weet nu wat redoxreactie zijn en je kunt totaal reacties opstellen. Kortom je kent de chemie die plaatsvindt in een batterij. Bij dit onderdeel gaan we op zowel macro- als microniveau verklaren hoe deze reacties er dan voor zorgen dat er elektrische energie ontstaat en hoe we dit kunnen gebruiken. Hieronder staan de leerdoelen die je moet beheersen na afloop van dit onderdeel.
- Je kunt uitleggen wat een elektrochemische cel is
- Je kunt in de elektrochemische cel aangeven wat de oxidator, reductor, positieve elektrode, negatieve elektrode en de elektronen stroom is
- Je kunt uitleggen wat de functie van het elektrolyt in de elektrochemische cel is
- Je kunt uitleggen op microniveau welke processen er in de elektrochemische cel plaatsvinden
- Je kunt uitleggen op microniveau welke processen er in de elektrochemische cel plaatsvinden tijdens het opladen van de elektrochemische cel
Wat is een elektrochemische cel
figuur 1. Pacemaker in lichaam
Alesandro Volta vond de batterij in 1800 uit. Een wereld zonder batterijen is niet meer voor te stellen. Behalve in pacemakers zitten er ook batterijen in bijvoorbeeld telefoons, elektrische auto's, accu's van een auto's en een klokken. Batterijen worden ook wel elektrochemische cellen genoemd. In een elektrochemische cel wordt elektriciteit opgewekt door middel van redoxreacties.
Telefoons en elektrische auto's maken gebruik van lithium-ion batterijen. Het principe van lithium-ion batterijen is te ingewikkeld om te behandelen in havo 5, echter het algemene concept van de werking van een elektrochemische cel en een lithium-ion batterij is vergelijkbaar.
Pacemakers worden met batterijen ingebracht bij hartpatienten om de hartslag te reguleren. Het is uiteraard van belang dat de batterij veilig is, geen giftige stoffen bevat, betrouwbaar is en een lange levensduur heeft. In een pacemaker zitten meestal lithium-iodine batterijen. In een aantal stappen gaan we bekijken wat de werking is van een elektrochemische cel in een pacemaker.
Voordat we de elektrochemische cel op mmicroniveau gaan bekijken is het van belang dat je eerst weet wat een elektrochemische cel is en hoe de elektrochemische cel werkt op macroniveau. Vervolgens gaan we kijken naar de werking op microniveau van een Daniellcel. Daarna kijken we naar een toepassing van een elektrochemische cel in een pacemaker, om uiteindelijk te oefenen met elektrochemische cellen. Het laatste onderdeel gaat over het opladen van batterijen. Als plusopdracht staat er ook nog een uitlegfilm met de werking van een lithium-ion batterij.
Uitleg elektrochemische cel
Plus opdracht
Onderstaande video gaat over de lithiumion batterij. Deze batterij is momenteel het meest toegepast en is bijvoorbeeld de batterij in telefoons, tablets en elektrische auto's. In 2019 is de nobelprijs voor de scheikunde gegaan naar de ontwikkeling van de lithiumion batterij. In onderstaande video wordt de werking uitgelegd. Dit is echter geen verplicht onderdeel van de stof en hoort niet bij de examenstof.
Werking lithium-ion batterij
Batterij in de pacemaker
figuur 1. Schematische weergave elektrochemische cel
figuur 2. Schematische afbeelding batterij pacemaker
Een pacemaker is een apparaat dat wordt aangebracht op je hart bij bepaalde hartafwijkingen. Zoals te lezen is op de website van de hartstichting wordt de pacemaker meestal gebruikt als je hart te langzaam klopt. Door middel van stroomstootjes wordt het hart weer in het juiste ritme gebracht. Daarvoor is een batterij nodig die betrouwbaar en veilig is. Het is ook van belang dat de batterij zo lang mogelijk mee gaat zodat de batterij zo min mogelijk vervangen hoeft te worden. Uiteraard moet de batterij zo klein mogelijk zijn. Een opstelling als in afbeelding 1 of zoals de daniellcel kan natuurlijk niet in je lichaam. Daarom is de batterij voor je pacemaker anders vormgegeven, een schematische weergave staat in figuur 2.
De 2 elektrodes van de batterij zijn aangeven met A en B. Aan pool B reageert zilverchromaat (Ag2CrO4). Hierbij reageert alleen de lading van de zilverdeeltjes.
- Stel de halfreactie op die plaatsvindt aan elektrode A.
- Stel de halfreacties op de plaatsvindt aan elektrode B.
- Stel de totaalreactie op.
- Leg uit of elektrode A de negatieve of de positieve elektrode van de batterij is.
Het zilverchromaat en het lithium zijn van elkaar gescheiden door middel van een vast elektrolyt. Een oplossing van een elektrolyt is onbruikbaar. De aanwezigheid van water leidt namelijk tot een ongewenste chemische reactie.
- Stel de totaalreactie op van de ongewenste chemische reactie.
- Een batterij in een pacemaker hoeft maar enkele microamperes aan stroom te leveren en gaat lang mee. Waarom is er een verband tussen de lage stroomsterkte die de lithiumbatterij en de levensduur?
- In latere toepassingen van de batterij werd het zilverchromaat vervangen door vast jood. Stel de totaalreactie op voor de lithiumjodide-batterij.
- Wanneer de pacemaker wordt gebruikt worden de draden aangesloten op elektrode A en Elektrode B. Leg uit hoe de elektronen bewegen en hoe de stroom loopt. Maak daarbij een schematische tekening in je schrift.
Oefenopdrachten elektrochemische cel
figuur 1
Bij deze oefenopdrachten gaan we steeds uit van de opstelling zoals weergegeven in figuur 1.
- Bij deze vraag heb je de volgende gegevens nodig
Elektrode 1 bestaat uit: een loodstaaf en een natriumnitraat oplossing.
Elektrode 2 bestaat uit een koolstofstaaf en een koper(I)nitraat oplossing.
Het elektrolyt bestaat uit een oplossing van kaliumchloride.
- Stel de totaalvergelijking op.
- Leg uit of elektrode 1 de positieve of negatieve elektrode is.
- Geef de richting van de elektronen en de richting van de stroom.
- Leg uit wat er gebeurt met de kalium ionen in het elektrolyt als de elektrochemische cel stroom levert.
2. Voor deze vraag heb je de volgende informatie nodig:
Elektrode 1 bestaat uit: een platinastaaf en een oplossing van zilverjodide.
Elektrode 2 bestaat uit: een aluminiumstaaf en een oplossing van aluminiumnitraat.
Het elektrolyt bestaat uit: kaliumchloride.
- Stel de totaalvergelijking op.
- Leg uit of elektrode 1 de positieve of negatieve elektrode is.
- Geef de richting van de elektronen en de richting van de stroom.
- Leg uit wat er gebeurt met de kalium ionen in het elektrolyt als de elektrochemische cel stroom levert.
- Wat gebeurt er met de massa van de aluminium elektrode.
- Leg de verandering in massa van de aluminium elektrode uit.
3. Bij deze vraag moet je gebruik maken van de volgende gegevens:
Elektrode 1 is de positieve elektrode.
Er is een elektrode met een platina elektrode en broomwater(Br2(aq)). En er is een andere elektrode met een ijzerstaaf en een oplossing van ijzer(II)nitraat. Een oplossing van kaliumjodide fungeert als analyt.
- Leg uit welke reactie er plaatvindt aan de positieve elektrode. Geef ook de halfreactie.
- Neem figuur 1 over in je schrift en teken in figuur in de stroming van de elektronen, de kalium ionen en de jodide-ionen.
- Leg op macroniveau hoe deze elektrochemische cel ervoor zorgt dat er elektriciteit ontstaat.
4. Voor de beantwoording van deze vraag moet je gebruik maken van de onderstaande informatie.
Aan elektrode 2 vindt de oxidatie plaats. Er is een elektrode met aangezuurde nitraatoplossing en een koolstofelektrode. En er is een andere elektrode met een loodstaaf en een oplossing van koper(I)chloride.
- Leg uit of elektrode 2 de positieve of de negatieve pool is.
- Geef de halfreactie die plaatsvindt aan elektrode 1.
- Geef de halfreatie die plaatsvindt aan elektrode 2.
- Stel de totaalreactie op.
- Leg uit waarom deze combinatie van stoffen gevaarlijk zou zijn in een batterij van bijvoorbeeld een pacemaker of een telefoon.
5.
Opladen van batterijen
figuur1. Leerlingen stress factor 100
Batterijen kunnen een beperkte tijd elektrische energie leveren, daarna moet je de batterij opladen. Wanneer je de batterij moet opladen dan is alle chemische energie in de batterij omgezet in elektrische energie. Deze redox reactie is exotherm en levert dus energie. Het opladen van een batterij is een endotherm proces en kost energie. Opladen van batterijen wordt ook wel elektrolyse genoemd en is het omgekeerde proces van het gebruiken van batterijen. In onderstaand filmpje kun wordt de werking van elektrolyse, oftewel het opladen van een batterij, uitgelegd.
Uitleg opladen batterij
Oefenopdrachten opladen batterijen
figuur 1. Schematische weergave elektrochemische cel
1. Bekijk allereerst deze demoproef en beantwoord dan de onderstaande vragen. In het filmpje van de demoproef wordt de batterij eerst opgeladen voordat de batterij energie kan leveren.De onderstaande halfreactie vinden plaats:
Fe --> Fe3+ + 3 e-
2 H2O + 2 e- --> H2 + 2 OH-
- Welke halfreactie vindt plaats aan de positieve pool.
- Geef de halfreacties en de totaalreactie van de batterij als de batterij energie levert.
2. In figuur 1 zie je een opstelling van een elektrochemische cel. De elektrochemische cel bestaat uit de volgende onderdelen:
Elektrode 1 bestaat uit: een loodstaaf en een natriumnitraat oplossing.
Elektrode 2 bestaat uit een koolstofstaaf en een koper(I)nitraat oplossing.
Het elektrolyt bestaat uit een oplossing van kaliumchloride.
- Wat moet je veranderen aan de tekening van figuur 1 om de batterij op te laden?
- Welke halfreactie vindt plaats aan elektrode 1 bij het opladen van de batterij.
- leg uit of elektrode 1 moet worden aangesloten op de positieve of de negatieve pool van de spanningsbron.
- Leg uit of dit een exotherme of endotherme reactie is.
3. Een batterij die stroom levert bestaat uit de volgende onderdelen.
Elektrode 1 bestaat uit: een platinastaaf en een oplossing van zilverjodide.
Elektrode 2 bestaat uit: een aluminiumstaaf en een oplossing van aluminiumnitraat.
Het elektrolyt bestaat uit: kaliumchloride.
- Stel beide halfreacties op voor het opladen van deze batterij.
- Leg uit welke elektrode aan de positieve pool wordt aangesloten.
- Leg uit wat er gebeurt met de massa van de aluminium staaf tijdens het opladen
- Leg uit wat de richting is van de elektronenstroom tijdens het opladen.
figuur 2. Schematische weergave opladen batterij
4. In figuur 2 zie je een schematische tekening van het opladen van een batterij. Elektrode 1 bevat een platina elektrode en broomwater. Elektrode 2 bevat een ijzerstaaf met een ijzer(II)nitraat oplossing.
- Aan welke elektrode zit de oxidator en geef de bijbehorende halfreactie.
- Neem figuur 2 over in je schrift en teken in figuur in de stroming van de elektronen, de kalium ionen en de jodide-ionen.
Formatieve evaluatie elektrochemische cellen
Deze formatieve evaluatie heeft de vorm van een oefentoets. De vragen komen uit gebruikte oefentoetsen of zijn delen van oude examens. Dit geeft voor jezelf een goed beeld of je op het juiste niveau zit. De oefentoets met antwoorden staat als bijlage onderaan deze pagina. Deze kun je uitprinten en dan maken.
Na afloop kun je je 'cijfer' berekenen volgens de methode: score/27*9+1.
Antwoorden
Extra oefenopdrachten totaalreacties
- 2 H2 + O2 --> 2 H2O
- O2 + 4 H+ + 4e- --> 2 H2O
C2H6O + 3 O2 --> 2 CO2 + 3 H2O
- Halfreactie oxidator: 2 H+ + 2 e- --> H2
halfreactie reductor: Fe --> Fe2+ + 2 e-
totale reactie: 2 H+ + Fe --> Fe2+ + H2
- 3 Ni2+ + 2 Cr --> 3 Ni + 2 Cr3+
- H2O2 + 2 I- --> 2 OH- + I2
- 2 MnO4- + 2 H2O + 5 SO2 --> 2 MnO2 + 5 SO42- + 4 H+
- geen reactie
- 2 Fe3+ + H2C2O4 --> 2 Fe2+ + 2 H+ + CO2
- 2 K + 2 H2O --> H2 + 2 OH- + 2 K+
- Hg + Hg2+ --> 2 Hg+
- Cu + 2 Fe3+ --> 2 Fe2+ + Cu2+
- H2S + Br2 --> 2 Br- + S + 2 H+
- Fe + Sn2+ --> Sn + Fe2+
- geen reactie
- Zuur milieu: Zn + 2 H+ --> Zn2+ + H2
basisch milieu: Zn + 2 OH- + 2 H2O --> Zn(OH)42- + H2
Batterij in pacemaker
Antwoorden Batterij in pacemaker
- Red: Li --> Li+ + e-
- Ag2CrO4 + 2 e---> 2 Ag + CrO42-
- 2 Li + Ag2CrO4 --> 2 Li+ + 2 Ag + CrO42-
- A is de negatieve elektrode, want de reductor reageert aan de negatieve elektrode.
- Ox:2 H2O + 2 e- --> 2 OH- + H2
RedOx: 2 Li + 2 H2O --> 2 Li+ + H2 + 2 OH-
- Lage stroomsterkte betekent dat er winig elektronen per seconde nodig zijn. Dit zorgt ervoor dat de redoxreactie langzaam verloopt.
- Ox: I2 + 2 e- --> 2 I-
Red: Li --> Li+ + e-
RedOx: 2 Li + I2 --> 2 Li+ + 2 I-
-
Elektrode A is de negatieve elektrode. Deze elektrode levert de elektronen.
Elektrode B is de positieve elektrode. Deze elektrode ontvangt de elektronen.
De elektronen verplaatsen zich door het draad van A naar B.
De stroom (I) loopt altijd tegengesteld met de elektronenstroom en loopt dus van B naar A.
Oefenopdrachten elektrochemische cel
1.
- Pb + 2 Cu+ --> 2 Cu + Pb2+
- Loodstaaf is de reductor, deze levert de elektronen en is dus de negatieve pool
- De elektronen gaan van min naar plus (van reductor naar oxidator), dus van elektrode 1 naar elektrode 2. De stroom gaat dan van elektrode 2 naar elektrode 1 (omgekeerd aan de stroom elektronen)
- Bij elektrode 2 verdwijnen er Cu+ ionen. De lading van Elektrode 2 wordt daardoor steeds positiever. De functie van het analyt is om beide elektroden neutraal te houden. Hierdoor zullen de K+ ionen zich verplaatsen naar elektrode 2.
2.
- Al + 3Ag+ --> Al3+ + 3 Ag
- Elektrode 1 is de oxidator. Deze heeft elektronen nodig, de elektronen gaan daar naar toe. De elektrode moet daardoor positief geladen zijn om de negatieve elektronen aan te trekken.
- De elektronen gaan van min naar plus (van reductor naar oxidator), dus van elektrode 2 naar elektrode 1. De stroom gaat dan van elektrode 1 naar elektrode 2 (omgekeerd aan de stroom elektronen)
- Bij elektrode 1 verdwijnen er Ag+ ionen. De lading van Elektrode 2 wordt daardoor steeds positiever. De functie van het analyt is om beide elektroden neutraal te houden. Hierdoor zullen de K+ ionen zich verplaatsen naar elektrode 1.
- De massa van de elektrode neemt af.
- De aluminiumstaaf bestaat uit aluminium atomen. De aluminium atomen geven elektronen weg en er ontstaat aluminium ionen. Hierdoor bevat de aluminiumstaaf minder aluminiumatomen, dit zorgt voor de afname van het gewicht van de aluminiumstaaf.
3.
- Positieve elektrode is altijd de oxidator. Br2 is de sterkste oxidator dus halfreactie: Br2 + 2 e- --> Br-
- Zie figuur 1 onderaan.
- Een elektrochemische cel zet chemische energie op in elektrische energie. Dit is een elektrochemische cel omdat de chemische energie wordt omgezet in een stroom van elektronen.
4.
- positieve elektrode want het gaat om de oxidator. Deze heeft elektronen nodig. De elektronen zijn negatief en worden aangetrokken door de positieve elektrode.
- Pb --> Pb2+ + 2 e-
- NO3- + 4 H+ + 3 e- --> NO(g) + 2 H2O
- 3 Pb + 2 NO3- + 8 H+--> 3 Pb2+ + 2 NO (g) + 4 H2O
- Als de reactie plaats zou vinden in een batterij zou dat gevaar opleveren omdat er gas ontstaat bij deze reactie. Batterijen zijn afgesloten en als het gas niet kan ontsnappen dan zal de batterij exploderen.
5.
- Water is de reductor / staat elektronen af. Dus halfreactie 2 vindt plaats aan de negatieve elektrode.
- 2 H2O + O2 --> 2 H2O2
- Aan de negatieve elektrode worden 2 watermoleculen omgezet in 1 waterstofperoxidemolecuul en 2 waterstofionen. Hierbij komen 2 elektronenen vrij.
figuur 1
formatieve evaluatie batterijen.docx
