7 H6 Elektrochemische cellen

6 Elektrochemische cellen

Leerdoelen en voorkennis bij hoofdstuk 6

Voordat je aan hoofdstuk 6 begint kun je:

  • uitleggen dat stroomgeleiding in een oplossing door middel van vrije ionen plaatsvindt,
  • uitleggen dat stroomgeleiding in een metaaldraad door middel van vrije elektronen plaatsvindt,
  • basale redoxreacties opstellen en kloppend maken.

Na hoofdstuk 6 kun je:

  • een elektrochemische cel schematisch weergeven in een tekening,
  • de begrippen halfcel, zoutbrug, elektrolyt en stroomkring gebruiken en uitleggen,
  • de reactievergelijkingen die aan de elektroden plaatsvinden opstellen, en aangeven welke de positieve elektrode is en welke de negatieve,
  • de massaveranderingen van de elektroden berekenen,
  • aangeven wat een onaantastbare elektrode is,
  • berekeningen uitvoeren met behulp van de wet van Faraday,
  • voorbeelden geven van diverse elektrochemische cellen, en uitleggen hoe een Galvanische cel, de loodaccu en een brandstofcel werken.

6.1 Survival Challenge Intro

Een batterij voor het noodsignaal

Het is je gelukt om het radiobaken uit de staart van het vliegtuig te krijgen. Helaas werkt dit baken normaal op de accu die nu wegens kortsluiting niet meer werkt. Het in het baken ingebouwde noodbatterijtje is in dit oude toestel, en door de jarenlange tropische temperaturen al lang niet meer geladen. Kortom, je hebt helaas een baken in handen dat zo dood is als een pier.

Je gaat in dit hoofdstuk leren hoe je zelf een make-shift batterij kunt bouwen om het radiobaken van stroom te voorzien, zodat je toch een noodsignaal kunt uitzenden.

6.2 Theorie

Elektrochemische cel

Bij redoxreacties vindt elektronenoverdracht plaats. Ook in een (gesloten) stroomkring verplaatsen elektronen zich, bijvoorbeeld door een koperdraad. In beide gevallen zijn elektronen in beweging. Zou het mogelijk zijn om met een redoxreactie elektrische stroom op te wekken? Ja, dat is mogelijk, maar daarvoor moet je de elektronen wel even 'om de tuin leiden'.

Om te beginnen moet je er voor zorgen dat de reductor niet direct in contact kan komen met de oxidator. Dit kun je doen door te werken met twee gescheiden compartimenten die met elkaar in verbinding staan via een poreuze wand of een zogenaamde zoutbrug. Een zoutbrug is een glazen buis die zorgt dat de stroomkring tussen de twee compartimenten gesloten is. De meeste zoutbruggen bestaan uit een zout (bijvoorbeeld NaNO3) dat is opgelost in een gel. Dat maakt dat de ionen in een zoutbrug wel kunnen bewegen maar niet al te snel. Vervolgens moet je er nog voor zorgen dat de elektronen die de reductor afstaat terecht komen bij de oxidator. Hiervoor gebruik je natuurlijk een stroomdraad. Er zal dan een stroompje gaan lopen.

Een hele bekende chemische cel is de Daniëll-cel uit 1836, vernoemd naar de Engelse uitvinder John Daniëll (1790 – 1845). Een verzamelnaam voor elektrochemische cellen die op een soortgelijke manier werken is galvanische cel.

Bekijk de onderstaande video.

 

Bekijk met onderstaande applet de verschillende onderdelen van de redoxreactie. Let op, het laden van dit applet kan een minuutje duren

 

6.3 Oefenen

IJzercellen

Men bouwt een proefopstelling door in één bekerglas een platina elektrode (links) te plaatsen en in de ander een ijzeren elektrode (rechts). Beide bekerglazen worden verbonden door een zoutbrug. De elektroden worden geleidend verbonden. In de linker halfcel wordt een Fe3+-ionen bevattende oplossing gebracht, in de rechter halfcel een oplossing met Fe2+-ionen. Aan beide halfcellen wordt een klein beetje KSCN-oplossing toegevoegd. Het ijer(III) kleurt hiermee fel rood, het ijzer(II) ondergaat geen kleurverandering.

a. Teken de hierboven bescheven opstelling op papier.
b. Geef de vergelijkingen van de halfreacties die verlopen tijdens stroomlevering.
c. Beredeneer of er een kleurverandering kan worden waargenomen in de halfcellen. Geef de halfcel (links/rechts) en de kleurverandering. 

 
Weston-element

Het Weston-element is een elektrochemische cel die bestaat uit een oplossing van cadmiumsulfaat (CdSO4) als elektrolyt. Daarin bevinden zich een cadmiumelektrode en een kwikelektrode met daaromheen vast kwik(I)sulfaat. Deze galvanische cel is lange tijd (1911-1990) de referentie geweest voor de volt. Een Weston-element gaf namelijk altijd 1,01865 volt, onafhankelijk van de temperatuur. Nadeel was dat deze cel langzaam in spanning afnam. Hierdoor moest het element regelmatig worden gekalibreerd.

De cadmiumelektrode is de reductor en de kwikelektrode (eigenlijk reageert de kwiksulfaat tot metallisch kwik en sulfaationen) is de oxidator. Als beide elektroden met elkaar worden verbonden via een stroomdraad gaat in deze cel een stroom lopen.

a. Geef in een schematische tekening van deze cel de richting van de elektronenstroom aan.


b. Geef de vergelijkingen van de beide halfreacties die tijdens de stroomlevering plaatsvinden en vermeld welke pool de positieve en welke de negatieve is.

 

 

Voltage

Bekijk de onderstaande opstelling.   

E1 is de elektrode van een standaard halfcel Pb(s) | Pb 2+(aq) met V0 = – 0,13 Volt
E2 is de elektrode van een standaard halfcel Cu(s) | Cu 2+(aq) met V0 = + 0,34 Volt
E3 is de elektrode van een standaard halfcel Cd(s) | Cd 2+(aq) met V0 = – 0,40 Volt
E4 is de elektrode van een standaard halfcel Zn(s) | Zn 2+(aq) met V0 = – 0,76 Volt

De elektroden E2 en E3 worden via metaaldraden met elkaar verbonden, terwijl de elektroden E1 en E4 via metaaldraden worden verbonden met een spanningsmeter (voltmeter).   

Hoe groot zal onder standaard omstandigheden (en bij ideaal gedrag) de bronspanning zijn die gemeten wordt tussen de elektroden E1 en E4?  

Hint: bedenk dat de gemeten spanning het resultaat is van de som van de twee elektrochemische cellen. Bepaal dus eerst de potentiaal van iedere elektrochemische cel afzonderlijk. 

 

6.4 Experimenteel

 Demonstratiepracticum

De docent demonstreert de Daniell-cel zoals die in de animatie van paragraaf 6.2 is weergegeven.

 

Zelfbouw batterij

Print dit voorschrift en voer het uit. Beschrijf je bevindingen nauwkeurig en laat deze aan je PAL zien.

6.5 Verwerking

Racen op waterstof

Bij een elektrische auto dan denk je misschien niet in eerste instantie aan een raceauto. Toch worden er al races gehouden specifiek voor elektrische auto's. Op dit moment kunnen elektrische auto's nog niet tippen aan auto's met conventionele verbrandingsmotoren, maar het zal niet lang meer duren voordat ze nek aan nek gaan.

Brandstofcel

Een batterij waarvan de reagerende bestanddelen tijdens de werking nog kunnen worden aangevoerd heet een brandstofcel. De brandstofcel bestaat uit een poreuze anode en kathode met daartussen een elektrolytlaag. Een schematische opzet is getekend in de figuur hiernaast.


De negatieve elektrode wordt gevoed met een constante, gasvormige brandstofstroom (in dit geval waterstof), terwijl de oxidator (meestal zuurstofgas uit de lucht) met een constante gasvormige stroom aan de negatieve elektrode geleverd wordt. De oxidatie- en reductiereacties vinden plaats aan verschillende elektroden. Door een stroomkring aan te brengen kan elektrische energie onttrokken worden aan de reacties. Tussen de elektroden bevindt zich een elektrolyt, die de overdracht van ladingen tussen beide elektroden mogelijk maakt en zo de stroomkring sluit. Een enkele brandstofcel geeft een spanning van circa 0,7 volt. Om voldoende spanning te krijgen worden er meerdere brandstofcellen bij elkaar geplaatst. Dit noemt men een brandstofcel ‘stack’. Brandstofcellen vormen een schoon en milieuvriendelijk alternatief voor de huidige verbrandingsmotor. Uit onderzoek blijkt dat het uitrusten van het huidige wagenpark in Nederland met brandstofcellen zou zorgen voor een emissiereductie van maar liefst 14 megaton CO2 per jaar.

Denk er bij de beantwoording van de volgende vragen aan dat als product uiteindelijk alleen water ontstaat.

a. Welke halfreactie vindt plaats aan de anode van de brandstofcel?

b. Welke halfreactie vindt plaats aan de kathode van de brandstofcel?

c. Wat is de totaalreactie van deze elektrochemische cel? 

 
Lithiumbatterij

Heel veel elektronische apparaten worden tegewoordig van stroom voorzien door lithiumbatterijen. In het volgende filmpje zie je hoe deze batterijen gemaakt worden. Kijk goed naar het filmpje en beantwoord de vragen.
In het filmpje wordt gezegd dat, omdat lithium plakkerig is, er een beschermlaagje overheen moet. Lithium reageert ook vrij gemakklijk met zuurstof. Geef de reactievergelijking van zuurstof en lithium. 

 

Het elektrolyt is in lithiumbatterijen een geleidend vast polymeer. Waarom wordt er in een lithiumbatterij geen vloeibaar (nat) elektrolyt gebruikt? 

 

Aan het eind van het filmpje wordt gezegd dat een loodaccu veel minder lang meegaat, waarom wordt deze accu dan al wel sinds jaar en dag gebruikt in auto's die rijden op conventionele brandstoffen. 

 

6.6 Diagnostische toets

Diagnostische toets

Maak de diagnostische toets van dit hoofdstuk en bespreek je resultaat met de PAL.

6.7 Survival Challenge

6.8 Hoorcollege 3

Hoorcollege 3

Bereid dit hoorcollege goed voor door van tevoren je vragen in het forum te plaatsen. Je docent weet dan welke vragen er spelen. Probeer er voor te zorgen dat er geen dubbele vragen in het forum komen te staan. Wanneer je een vraag hebt die al is gesteld, zet er dan bij dat jij die vraag ook hebt.

  • Het arrangement 7 H6 Elektrochemische cellen is gemaakt met Wikiwijs van Kennisnet. Wikiwijs is hét onderwijsplatform waar je leermiddelen zoekt, maakt en deelt.

    Auteur
    Bètapartners
    Laatst gewijzigd
    2014-09-03 22:25:40
    Licentie

    Dit lesmateriaal is gepubliceerd onder de Creative Commons Naamsvermelding-GelijkDelen 3.0 Nederland licentie. Dit houdt in dat je onder de voorwaarde van naamsvermelding en publicatie onder dezelfde licentie vrij bent om:

    • het werk te delen - te kopiëren, te verspreiden en door te geven via elk medium of bestandsformaat
    • het werk te bewerken - te remixen, te veranderen en afgeleide werken te maken
    • voor alle doeleinden, inclusief commerciële doeleinden.

    Meer informatie over de CC Naamsvermelding-GelijkDelen 3.0 Nederland licentie.

    Dit materiaal is achtereenvolgens ontwikkeld  en getest in een SURF-project  (2008-2011: e-klassen als voertuig voor aansluiting VO-HO) en een IIO-project (2011-2015: e-klassen&PAL-student).  In het SURF project zijn in samenwerking met vakdocenten van VO-scholen, universiteiten en hogescholen e-modules ontwikkeld voor Informatica, Wiskunde D en NLT.  In het IIO-project (Innovatie Impuls Onderwijs) zijn in zo’n samenwerking modules ontwikkeld voor de vakken Biologie, Natuurkunde en Scheikunde (bovenbouw havo/vwo).  Meer dan 40 scholen waren bij deze ontwikkeling betrokken.

    Organisatie en begeleiding van uitvoering en ontwikkeling is gecoördineerd vanuit Bètapartners/Its Academy, een samenwerkingsverband tussen scholen en vervolgopleidingen. Zie ook www.itsacademy.nl

    De auteurs hebben bij de ontwikkeling van de module gebruik gemaakt van materiaal van derden en daarvoor toestemming verkregen. Bij het achterhalen en voldoen van de rechten op teksten, illustraties, en andere gegevens is de grootst mogelijke zorgvuldigheid betracht. Mochten er desondanks personen of instanties zijn die rechten menen te kunnen doen gelden op tekstgedeeltes, illustraties, enz. van een module, dan worden zij verzocht zich in verbinding te stellen met de programmamanager van de Its Academy (zie website). 

    Gebruiksvoorwaarden:  creative commons cc-by sa 3.0

    Handleidingen, toetsen en achtergrondmateriaal zijn voor docenten verkrijgbaar via de bètasteunpunten.

     

    Aanvullende informatie over dit lesmateriaal

    Van dit lesmateriaal is de volgende aanvullende informatie beschikbaar:

    Toelichting
    Deze les maakt onderdeel uit van de e-klas 'Survival in de Afrikaanse Bush' voor VWO 5 voor het vak scheikunde.
    Leerniveau
    VWO 5;
    Leerinhoud en doelen
    Scheikunde; Reactiviteit;
    Eindgebruiker
    leerling/student
    Moeilijkheidsgraad
    gemiddeld
    Trefwoorden
    e-klassen rearrangeerbaar

    Bronnen

    Bron Type
    https://maken.wikiwijs.nl/userfiles/813bdc97a424c0c9697a6d4ecc376643bf970873.swf
    https://maken.wikiwijs.nl/userfiles/813bdc97a424c0c9697a6d4ecc376643bf970873.swf     		Video

    Gebruikte Wikiwijs Arrangementen

    , Bètapartners. (z.d.).

    test

    https://maken.wikiwijs.nl/45635/test

  • Downloaden

    Het volledige arrangement is in de onderstaande formaten te downloaden.

    Metadata

    LTI

    Leeromgevingen die gebruik maken van LTI kunnen Wikiwijs arrangementen en toetsen afspelen en resultaten terugkoppelen. Hiervoor moet de leeromgeving wel bij Wikiwijs aangemeld zijn. Wil je gebruik maken van de LTI koppeling? Meld je aan via info@wikiwijs.nl met het verzoek om een LTI koppeling aan te gaan.

    Maak je al gebruik van LTI? Gebruik dan de onderstaande Launch URL’s.

    Arrangement

    IMSCC package

    Wil je de Launch URL’s niet los kopiëren, maar in één keer downloaden? Download dan de IMSCC package.

    Voor developers

    Wikiwijs lesmateriaal kan worden gebruikt in een externe leeromgeving. Er kunnen koppelingen worden gemaakt en het lesmateriaal kan op verschillende manieren worden geëxporteerd. Meer informatie hierover kun je vinden op onze Developers Wiki.

  • Gebruik
    Weergave
  • Wikiwijs is een dienst van