Energie om mee te nemen leerlingentekst - Nieuwe scheikunde
Energie om mee te nemen leerlingentekst - Nieuwe scheikunde
Energie om mee te nemen leerlingentekst - Nieuwe scheikunde
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
module 02 leerlingen<strong>te</strong>kst energie <strong>om</strong> <strong>mee</strong> <strong>te</strong> <strong>nemen</strong> 001<br />
<strong>Nieuwe</strong> Scheikunde<br />
energie <strong>om</strong><br />
<strong>mee</strong> <strong>te</strong> <strong>nemen</strong><br />
Een module over bat<strong>te</strong>rijen<br />
module 02 leerlingen<strong>te</strong>kst
module 02 leerlingen<strong>te</strong>kst energie <strong>om</strong> <strong>mee</strong> <strong>te</strong> <strong>nemen</strong> 003<br />
inhoud<br />
voorwoord 005<br />
inleiding 006<br />
elektrische energie 007<br />
hoe reageren een reductor en een oxidator op elkaar 011<br />
redoxreacties maar nu op afstand 015<br />
andere oxidatoren en reductoren 017<br />
wat is shet verschil tussen oplaadbare en<br />
niet-oplaadbare bat<strong>te</strong>rijen? 020<br />
chemische energie 023<br />
hoe duurzaam is een bat<strong>te</strong>rij 025
module 02 leerlingen<strong>te</strong>kst energie <strong>om</strong> <strong>mee</strong> <strong>te</strong> <strong>nemen</strong> 005<br />
voorwoord<br />
Deze module gaat over bat<strong>te</strong>rijen. Bat<strong>te</strong>rijen zijn een draagbare vorm van energie. Vergeleken<br />
met elektrische energie uit het stopcontact zijn ze handig, <strong>om</strong>dat de stro<strong>om</strong>bron relatief klein<br />
is en je ze overal kan gebruiken. Ze zijn aan de andere kant erg duur. Bovendien kleven er allerlei<br />
milieubezwaren aan bat<strong>te</strong>rijen.<br />
In deze module k<strong>om</strong>t de chemie die een rol speelt bij bat<strong>te</strong>rijen uitgebreid aan de orde. Je leert<br />
van alles over redox reacties. Bovendien leer je hoe het k<strong>om</strong>t dat je s<strong>om</strong>mige bat<strong>te</strong>rijen wel<br />
kunt opladen an andere weer niet.<br />
De module wordt afgeslo<strong>te</strong>n met een klein project over het recyclen van bat<strong>te</strong>rijen.<br />
De module kan gebruikt worden <strong>te</strong>r vervanging van de hoofdstukken over redox reacties in<br />
een willekeurige chemie-methode.<br />
Jan Apotheker, Mei 2009<br />
Frans Carelsen, Jan de Gruij<strong>te</strong>r, Januari 2010<br />
colofon<br />
Deze versie van de module <strong>Energie</strong> <strong>om</strong> <strong>mee</strong>t <strong>te</strong> <strong>nemen</strong>? Module 2, is gemaakt<br />
door Jan Apotheker in opdracht van de Projectgroep <strong>Nieuwe</strong> Scheikunde en is<br />
deels gebaseerd op hoofdstuk uit ëIn<strong>te</strong>raktiv Chemie, 9/10, Ausgabe N, Cornelsen,<br />
Berlin, pp141 ev. Tevens is c<strong>om</strong>mentaar van Foppe de Lange, Jan de<br />
Gruij<strong>te</strong>r en Véronique van de Reijt in deze module verwerkt<br />
Eindredactie: Jan de Gruij<strong>te</strong>r en Frans Carelsen<br />
Basisontwerp en vormgeving: Twin Media bv, Culemborg<br />
SLO, Enschede, maart 2010<br />
Disclaimer<br />
© 2009 Stichting leerplanontwikkeling (SLO), Enschede<br />
Het au<strong>te</strong>ursrecht op dit onderwijsma<strong>te</strong>riaal voor <strong>Nieuwe</strong> Scheikunde berust bij<br />
SLO. SLO is derhalve de rechthebbende zoals bedoeld in de hieronder vermelde<br />
creative c<strong>om</strong>mons licentie. Het ma<strong>te</strong>riaal voor <strong>Nieuwe</strong> Scheikunde is tot<br />
stand gek<strong>om</strong>en in het kader van het project ë<strong>Nieuwe</strong> Scheikundeí onder auspicieën<br />
van SLO en is mede ontwikkeld en gefinancierd door het minis<strong>te</strong>rie van<br />
Onderwijs Cultuur en We<strong>te</strong>nschappen (OCW), Platform Be`taTechniek<br />
(PBT), Vereniging van de Nederlandse Chemische Industrie (VNCI), Stichting<br />
C3, Stichting Theorie uit experimen<strong>te</strong>n (TUE), Centraal Instituut voor Toets-<br />
ontwikkeling (Cito) in samenwerking met vele middelbare scholen, hogescholen,<br />
universi<strong>te</strong>i<strong>te</strong>n, kennisins<strong>te</strong>llingen en (chemische) bedrijven.<br />
SLO en door SLO ingehuurde au<strong>te</strong>urs hebben bij de ontwikkeling van het onderwijsma<strong>te</strong>riaal<br />
gebruik gemaakt van ma<strong>te</strong>riaal van derden. Bij het verkrijgen<br />
van toes<strong>te</strong>mming, het ach<strong>te</strong>rhalen en voldoen van de rech<strong>te</strong>n op <strong>te</strong>ks<strong>te</strong>n, illustraties,<br />
enz. is de grootst mogelijke zorgvuldigheid betracht. Moch<strong>te</strong>n er desondanks<br />
personen of instanties zijn die rech<strong>te</strong>n menen <strong>te</strong> kunnen doen gelden<br />
op <strong>te</strong>kstgedeel<strong>te</strong>s, illustraties, enz. van dit onderwijsma<strong>te</strong>riaal, dan worden zij<br />
verzocht zich in verbinding <strong>te</strong> s<strong>te</strong>llen met SLO.<br />
Aangezien het experimen<strong>te</strong>el voorbeeldma<strong>te</strong>riaal is, dat weliswaar (gro<strong>te</strong>n)-<br />
deels uitge<strong>te</strong>st is, maar nog niet volledig is uitontwikkeld, kan het nodig zijn en<br />
is het toegestaan het ma<strong>te</strong>riaal aan <strong>te</strong> passen en op maat <strong>te</strong> maken voor de eigen<br />
onderwijssituatie. SLO ontvangt graag feedback via e-mail: nieuwe<strong>scheikunde</strong>@slo.nl.<br />
Hoewel het ma<strong>te</strong>riaal met zorg is samenges<strong>te</strong>ld en ge<strong>te</strong>st is het mogelijk dat<br />
deze onjuistheden en/of onvolledigheden bevat<strong>te</strong>n. SLO aanvaardt derhalve<br />
geen enkele aansprakelijkheid voor enige schade, voortk<strong>om</strong>end uit (het gebruik<br />
van) dit ma<strong>te</strong>riaal.<br />
Voor dit onderwijsma<strong>te</strong>riaal geldt een Creative C<strong>om</strong>mons Naamsvermelding-<br />
Niet-C<strong>om</strong>mercieel-Gelijk delen 2.5 Nederland licentie (http://creativec<strong>om</strong>mons.<br />
org/licenses/by-nc-sa/3.0/nl/)<br />
Aangepas<strong>te</strong> versies hiervan mogen alleen verspreid worden indien het in het<br />
colofon vermeld wordt dat het een aangepas<strong>te</strong> versie betreft, onder vermelding<br />
van de naam van de au<strong>te</strong>ur van de wijzingen.
module 02 leerlingen<strong>te</strong>kst energie <strong>om</strong> <strong>mee</strong> <strong>te</strong> <strong>nemen</strong> 006<br />
energie <strong>om</strong><br />
<strong>mee</strong> <strong>te</strong> <strong>nemen</strong><br />
Een module over bat<strong>te</strong>rijen<br />
con<strong>te</strong>xtvragen<br />
In deze module staat de volgende vraag centraal:<br />
Hoe wordt chemische energie <strong>om</strong>gezet in elektrische energie?<br />
Om deze vraag <strong>te</strong> kunnen beantwoorden moe<strong>te</strong>n een aantal deelvragen beantwoord worden:<br />
1 Welke soort chemische reacties vinden plaats in een bat<strong>te</strong>rij?<br />
2 Kunnen we voorspellingen doen over dit soort reacties?<br />
3 Hoe k<strong>om</strong>t het dat de ene bat<strong>te</strong>rij oplaadbaar is en de andere niet?<br />
4 Hoe kan een bat<strong>te</strong>rij opgeladen worden?<br />
5 Hoeveel energie levert een bat<strong>te</strong>rij?<br />
Daarnaast speelt ook nog de vraag hoe duurzaam bat<strong>te</strong>rijen zijn.<br />
1 inleiding<br />
Er k<strong>om</strong>en s<strong>te</strong>eds <strong>mee</strong>r appara<strong>te</strong>n op de markt, die elektrische energie gebruiken, zonder dat<br />
ze een verbinding hebben met een stopcontact. Dat be<strong>te</strong>kent dat deze appara<strong>te</strong>n hun eigen<br />
elektrische energie <strong>mee</strong> moe<strong>te</strong>n <strong>nemen</strong>. S<strong>om</strong>mige appara<strong>te</strong>n hebben hun sys<strong>te</strong>em verborgen<br />
in het apparaat. Zoals de I-pod en de mobile <strong>te</strong>lefoon. Bij andere kun je bat<strong>te</strong>rijen kopen,<br />
die je regelmatig moet vervangen of opladen.<br />
Bat<strong>te</strong>rijen heb je in allerlei soor<strong>te</strong>n en ma<strong>te</strong>n. Van een accu in een auto, met een gewicht van<br />
<strong>te</strong>gen de 50 kg, tot een knoopje voor een gehoorapparaat van 500 mg. In deze module gaan<br />
we kijken naar de chemie die een rol speelt bij bat<strong>te</strong>rijen. In de bat<strong>te</strong>rij vindt een chemische<br />
reactie plaats, waarbij de chemische energie wordt <strong>om</strong>gezet in elektrische energie. Voor bat<strong>te</strong>rijen<br />
is de verhouding tussen de massa van die bat<strong>te</strong>rij en de energie die ze kunnen leveren<br />
een belangrijke factor. Het is nog s<strong>te</strong>eds zeer actueel bat<strong>te</strong>rijen ‘uit <strong>te</strong> vinden’ met een kleine<br />
massa en een groot vermogen.<br />
Tot een jaar of 10 geleden bestonden er alleen bat<strong>te</strong>rijen waarbij de grondstoffen in de bat<strong>te</strong>rij<br />
zelf za<strong>te</strong>n. Een jaar of 10 geleden ontstonden vooral door invloed vanuit de ruim<strong>te</strong>vaart zogenaamde<br />
brandstofcellen. De stoffen die met elkaar reageren, bijv. wa<strong>te</strong>rstof en zuurstof, za<strong>te</strong>n
module 02 leerlingen<strong>te</strong>kst energie <strong>om</strong> <strong>mee</strong> <strong>te</strong> <strong>nemen</strong> 007<br />
bui<strong>te</strong>n de bat<strong>te</strong>rij. Hierdoor kan de bat<strong>te</strong>rij altijd elektrische energie leveren, zolang je maar<br />
brandstof toevoert. (Zie bron 1).<br />
1 a Neem bron 1 globaal door. Zoek op in<strong>te</strong>rnet of er een nieuwe publicatie van Toshiba is<br />
waaruit blijkt dat de brandstofcel inderdaad wordt gebruikt.<br />
b Geef de vergelijking van de twee (half)reacties waarop de brandstofcel van Toshiba nu<br />
is gebaseerd.<br />
‘Normale’ bat<strong>te</strong>rijen raken op een gegeven m<strong>om</strong>ent op. Dat wil zeggen dat (één van) de chemische<br />
stoffen, die in de bat<strong>te</strong>rij zit<strong>te</strong>n, <strong>om</strong>gezet zijn. Op dat m<strong>om</strong>ent levert de bat<strong>te</strong>rij geen<br />
stro<strong>om</strong> <strong>mee</strong>r. S<strong>om</strong>mige bat<strong>te</strong>rijen zijn oplaadbaar. Het ouds<strong>te</strong> voorbeeld daarvan is de loodaccu,<br />
die bij auto’s en motoren wordt gebruikt. Ook zijn de <strong>mee</strong>s<strong>te</strong> energiedragers in mobiele<br />
appara<strong>te</strong>n <strong>te</strong>genwoordig oplaadbaar. (Zie bron 2).<br />
De methanol waarvan sprake is in bron 1, pagina 3, wordt gemaakt uit aardgas (hoofdzakelijk<br />
methaan) en sto<strong>om</strong>. In eers<strong>te</strong> instantie ontstaat dan koolstofmono-oxide en wa<strong>te</strong>rstof.<br />
2 Geef van de reactie van methaan en sto<strong>om</strong> de reactievergelijking.<br />
Vervolgens reageren de ontstane stoffen tot methanol.<br />
3 Geef ook van deze reactie de reactievergelijking.<br />
4 Bereken hoeveel kg methaan nodig is <strong>om</strong> 39,5 kg methanol (ongeveer een tank vol!) <strong>te</strong> maken.<br />
5 Bereken met behulp van Binastabel 56 of er bij de productie van methanol vanuit methaan<br />
energie moet worden toegevoegd of dat er energie verloren gaat.<br />
2 elektrische energie<br />
In dit deel gaan we ons bezig houden met de manier waarop we elektrische energie verkrijgen<br />
uit chemische energie. Je bent beslist al <strong>te</strong>gengek<strong>om</strong>en dat je de ene vorm van energie kunt<br />
<strong>om</strong>zet<strong>te</strong>n in een andere vorm van energie. Dat gaat normaal niet met een rendement van<br />
100%. Je raakt altijd een beetje energie kwijt in de vorm van warm<strong>te</strong>. Dat kun je bijvoorbeeld<br />
merken aan het feit dat je laptop warm wordt als die een tijdje gebruikt wordt.<br />
2.1 bat<strong>te</strong>rijen<br />
De brandstofcel draaiend op methanol is verkrijgbaar bij Toshiba. Die kun je nu al wel kopen,<br />
maar kost € 2000 tot € 3000. Daarnaast zijn er veel bat<strong>te</strong>rijen op de markt. De prijzen ervan<br />
variëren nogal. De eenheid waarin de lading (Q) van een bat<strong>te</strong>rij wordt uitgedrukt is <strong>mee</strong>stal<br />
Ah. Dat be<strong>te</strong>kent ampère-uur.<br />
6 Maak een tabel met daarin een aantal grootheden en eenheden die <strong>te</strong> maken hebben met<br />
elektrici<strong>te</strong>it. Zie hiervoor BINAS tabel 4 en 5.<br />
grootheid<br />
Stro<strong>om</strong>s<strong>te</strong>rk<strong>te</strong>, I<br />
Spanning, U<br />
Vermogen, P<br />
Weerstand, R<br />
<strong>Energie</strong>, E<br />
Lading, Q<br />
eenheid onderling verband
module 02 leerlingen<strong>te</strong>kst energie <strong>om</strong> <strong>mee</strong> <strong>te</strong> <strong>nemen</strong> 008<br />
experiment 1<br />
7 Waar<strong>om</strong> zou de prijs van een bat<strong>te</strong>rij afhangen van het vermogen en dus van het aantal<br />
ampère-uur?<br />
8 Vergelijk de prijs van een kWh elektrische energie uit het stopcontact met de prijs van een<br />
kWh bat<strong>te</strong>rijen energie.<br />
Om iets <strong>mee</strong>r <strong>te</strong> we<strong>te</strong>n <strong>te</strong> k<strong>om</strong>en over een bat<strong>te</strong>rij gaan we er eerst zelf één maken. Naast de<br />
loodaccu is de <strong>mee</strong>st bekende bat<strong>te</strong>rij de alkaline bat<strong>te</strong>rij. Die gaan we in experiment 1 zelf<br />
maken.<br />
de alkaline bat<strong>te</strong>rij<br />
doel<br />
Het maken van een eenvoudige alkaline bat<strong>te</strong>rij.<br />
inleiding<br />
De <strong>mee</strong>st bekende bat<strong>te</strong>rij is de alkaline bat<strong>te</strong>rij. Die kun je<br />
makkelijk zelf namaken. Daardoor kun je be<strong>te</strong>r begrijpen<br />
wat er in de bat<strong>te</strong>rij gebeurt.<br />
nodig<br />
• Bekerglas van 250 mL, hoog model<br />
• Plaat zink van 5 bij 8 cm bij 0,1 cm<br />
Figuur 1<br />
• Vast mangaan(IV)oxide<br />
• 1 M oplossing van kaliumhydroxide in wa<strong>te</strong>r<br />
• Extractiehuls<br />
• Koolstaaf (vulpotlood)<br />
• Lampje, multime<strong>te</strong>r/ volt me<strong>te</strong>r en ampèreme<strong>te</strong>r, snoeren en krokodillenbekjes<br />
uitvoering<br />
Bedek de binnenkant van het bekerglas met de plaat zink.<br />
Maak een pasta van het mangaan(IV)oxide en wat van de kaliumhydroxideoplossing.<br />
Breng de pasta over in de extractiehuls en zet de koolstaaf daarin.<br />
Plaats de huls in het bekerglas, zodat het zink losjes <strong>om</strong> de huls heen past.<br />
Schenk het bekerglas halfvol met de kaliumhydroxideoplossing.<br />
controle van de werking van de bat<strong>te</strong>rij<br />
Sluit het lampje aan op de zinkplaat en de koolstaaf.<br />
Meet de spanning en <strong>mee</strong>t de stro<strong>om</strong>s<strong>te</strong>rk<strong>te</strong>.<br />
Ga met behulp van de me<strong>te</strong>r na welke pool positief is en welke pool negatief.<br />
Bereken het vermogen van je bat<strong>te</strong>rij.<br />
2.2 bespreking<br />
In een alkaline bat<strong>te</strong>rij wordt geen zinkstaaf gebruikt, maar zinkpasta bestaande uit zinkpoeder<br />
en een kaliumhydroxideoplossing. Verder is de alkaline bat<strong>te</strong>rij hetzelfde als je nu<br />
gemaakt hebt.<br />
Het neutrale zink staat elektronen af en vormt positieve zinkionen:<br />
Zn 0 Zn 2+ + 2 e –
module 02 leerlingen<strong>te</strong>kst energie <strong>om</strong> <strong>mee</strong> <strong>te</strong> <strong>nemen</strong> 009<br />
Het zink gaat hier dus in oplossing <strong>te</strong>rwijl de elektronen op de pool ach<strong>te</strong>rblijven. Hierdoor<br />
ontstaat op deze pool een overschot aan elektronen. We noemen deze daar<strong>om</strong> de (-) minpool.<br />
Aan de ‘andere kant’ reageert het mangaan(IV)oxide tot o.a. Mn 2+ ionen:<br />
Mn 4+ + 2 e – Mn 2+<br />
Hierbij worden uit de andere pool dus juist elektronen opgen<strong>om</strong>en, waardoor deze positief<br />
wordt, de (+) pluspool.<br />
Verbinden we de minpool met de pluspool dan zal waar een overschot aan elektronen een<br />
stro<strong>om</strong> van elektronen plaatsvinden naar daar waar een <strong>te</strong>kort is. Er ontstaat dus een elektronenstro<strong>om</strong><br />
van de minpool naar de pluspool.<br />
De kaliloog, KOH-oplossing, <strong>mee</strong>stal elektrolyt genoemd, is nodig <strong>om</strong> een geslo<strong>te</strong>n stro<strong>om</strong>kring<br />
<strong>te</strong> krijgen door ionen <strong>te</strong> kunnen la<strong>te</strong>n str<strong>om</strong>en. Bovenstaande reacties aan de min- en<br />
pluspool worden halfreacties genoemd.<br />
Aan bovenstaande halfreacties kan je zien dat er evenveel mol elektronen worden afgestaan bij<br />
het zink als worden opgen<strong>om</strong>en door het Mn 4+ . Namelijk 2 mol elektronen per mol Zn resp.<br />
Mn 4+ . Daardoor zijn deze 2 halfreacties eenvoudig bij elkaar op <strong>te</strong> <strong>te</strong>llen.<br />
9 Geef van deze totaalreactie de reactievergelijking.<br />
De reactie, die optreedt in een bat<strong>te</strong>rij, is gebaseerd op elektronenoverdracht en die noemen<br />
we een redoxreactie.<br />
2.3 theorie<br />
De ene stof geeft elektronen af en is dus een elektronen-donor, de andere stof neemt ze op en<br />
is dus een elektronen-acceptor.<br />
Een elektronen-donor noemen we een reductor, een elektronen-acceptor wordt een oxidator<br />
genoemd.<br />
Gemakkelijk <strong>te</strong> onthouden is dat een Oxidator elektronen Opneemt.<br />
Omdat (neutrale) metalen <strong>mee</strong>stal positieve ionen vormen door elektronen af <strong>te</strong> staan, zijn dit<br />
vaak reductoren.<br />
Bijv: Fe 0 Fe 2+ + 2 e –<br />
(Neutrale) niet-metalen kunnen elektronen op<strong>nemen</strong> en zijn <strong>mee</strong>stal oxidatoren.<br />
Bijv: S 0 + 2 e – S 2–<br />
10 De vergelijking van het verbranden van magnesium is 2 Mg(s) + O 2 (g) 2 MgO(s).<br />
Welke stof is de reductor en welke stof de oxidator? Geef van beide de halfreactie.<br />
Voor we ingaan op de ach<strong>te</strong>rgrond van dit soort reacties zoeken we eerst wat <strong>mee</strong>r voorbeelden<br />
van reacties die in een bat<strong>te</strong>rij kunnen plaatsvinden. Het verschil tussen de verschillende<br />
typen bat<strong>te</strong>rij zit vooral in de reactie die optreedt in de bat<strong>te</strong>rij.
module 02 leerlingen<strong>te</strong>kst energie <strong>om</strong> <strong>mee</strong> <strong>te</strong> <strong>nemen</strong> 010<br />
opdracht 1<br />
Ieder groepje kiest twee wegwerpbat<strong>te</strong>rijen en twee oplaadbare bat<strong>te</strong>rijen (zo min mogelijk<br />
overlap!)<br />
Zoek per bat<strong>te</strong>rij uit:<br />
• Welke reactie(s) vindt(en) erin plaats?<br />
• Welke stof of deeltje treedt op als oxidator en welke als reductor?<br />
• Wat is de gemiddelde levensduur van deze bat<strong>te</strong>rij?<br />
• Wat is het vermogen dat de bat<strong>te</strong>rij kan leveren?<br />
• Waar wordt de bat<strong>te</strong>rij (vaak) voor gebruikt?<br />
Presen<strong>te</strong>er de resulta<strong>te</strong>n op een half A4 per bat<strong>te</strong>rij.<br />
(zie bijvoorbeeld: http://www.powerstream.c<strong>om</strong>/Bat<strong>te</strong>ryFAQ.html, of bron 2 en 3)<br />
Wegwerpbat<strong>te</strong>rijen<br />
1 Leclanché Cells<br />
2 Alkaline Cells<br />
3 Mercury Oxide Cells<br />
4 Zinc/Air Cells<br />
5 Aluminum/Air Cells<br />
6 Lithium Cells<br />
7 Lithium Iron Primary<br />
8 Magnesium-Copper Chloride Reserve<br />
we kunnen nu con<strong>te</strong>xtvraag 1 beantwoorden:<br />
Welke soort chemische reacties vinden plaats in een bat<strong>te</strong>rij?<br />
Oplaadbare bat<strong>te</strong>rijen<br />
1 Lead–Acid Cells<br />
2 Nickel/Hydrogen Cells<br />
3 Nickel/Cadmium Cells<br />
4 Nickel/Metal Hydride Cells<br />
5 Sodium/Sulfur Cells<br />
6 Nickel/Sodium Cells<br />
7 Lithium Ion Cells<br />
8 Manganese-Titanium (Lithium) Cells<br />
9 Rechargeable Alkaline Manganese Cells<br />
10 Nickel Zinc Cells<br />
11 Iron Nickel Cells<br />
12 Iron Air Cells<br />
13 Iron Silver Cells<br />
14 Redox (Liquid Electrode) Cells<br />
Chemische reacties in een bat<strong>te</strong>rij noemen we redoxreacties. de reacties spelen zich<br />
af bij de minpool en de pluspool. We zien dat er s<strong>te</strong>eds een donor is van elektronen<br />
en ook s<strong>te</strong>eds een acceptor van elektronen. Door de polen via een draad met elkaar <strong>te</strong><br />
verbinden gaat er een stro<strong>om</strong> lopen. De elektronen worden via de draad van de donor<br />
naar de acceptor getranspor<strong>te</strong>erd. Daarbij kunnen de elektronen (een deel van) hun<br />
energie afstaan.
module 02 leerlingen<strong>te</strong>kst energie <strong>om</strong> <strong>mee</strong> <strong>te</strong> <strong>nemen</strong> 011<br />
experiment 2<br />
demoproef<br />
3 hoe reageren een reductor en een oxidator met elkaar?<br />
direc<strong>te</strong> redoxreacties<br />
doel<br />
Welk metaal reageert met een metaalion (afk<strong>om</strong>stig van een in wa<strong>te</strong>r opgelost zout)?<br />
Welk deeltje is de oxidator en welk de reductor?<br />
nodig<br />
• 0,1 M oplossingen van een zilverzout, een koper(II)zout, een lood(II)zout, een tin(II)zout,<br />
een ijzer(II)zout en een zinkzout in wa<strong>te</strong>r<br />
• Een zilver-, koper-, lood-, tin-, ijzer- en zinkstaaf<br />
• Multime<strong>te</strong>r/ volt me<strong>te</strong>r en ampèreme<strong>te</strong>r, snoeren en krokodillenbekjes.<br />
werkwijze<br />
De docent voert of laat het volgende experiment uitvoeren.<br />
Hij zet s<strong>te</strong>eds een staafje metaal in een oplossing van een aantal verschillende metaalionen.<br />
ag cu pb sn fe zn<br />
Ag + X<br />
Cu 2+ X<br />
Pb 2+ X<br />
Sn 2+ X<br />
Fe 2+ X<br />
Zn 2+ X<br />
opdracht<br />
11 a Wat neem je waar?<br />
b Schrijf in de tabel op welke reacties verlopen (+ be<strong>te</strong>kent dat de reactie verloopt, -<br />
dat de reactie niet verloopt).<br />
c Schrijf de reactievergelijking op en vermeld erbij welke stof de reductor en welke de<br />
oxidator is.<br />
Je ziet dat er s<strong>om</strong>s wel en s<strong>om</strong>s geen reactie optreedt. Dat is natuurlijk niet zo raar.<br />
Als de reactie 2 Ag + + Cu 2 Ag + Cu 2+ optreedt, ligt het niet voor de hand dat de<br />
<strong>om</strong>gekeerde reactie optreedt.<br />
12 a Welke reductor (metaal) staat het makkelijkst elektronen af?<br />
b Welke oxidator(metaalion) neemt ze het makkelijkst op?<br />
3.1 voorlopige conclusie<br />
Reductoren en oxidatoren k<strong>om</strong>en in koppels voor en ze zijn niet even s<strong>te</strong>rk. Je kunt de metalen<br />
rangschikken op reductors<strong>te</strong>rk<strong>te</strong>. Aan de hand daarvan is ook de edelheid van metalen gedefinieerd.<br />
Zilver wordt door elk ander metaal uit de oplossing verdreven en noemen we daar<strong>om</strong> edel.<br />
13 Welk metaal in het rijtje van experiment 2 is het minst edel?
module 02 leerlingen<strong>te</strong>kst energie <strong>om</strong> <strong>mee</strong> <strong>te</strong> <strong>nemen</strong> 012<br />
experiment 3<br />
Een tweede groep stoffen die we gaan onderzoeken zijn van de niet-metalen, de halogenen.<br />
redoxreacties met halogenen<br />
doel<br />
Welk halogeen chloor, bro<strong>om</strong> of jood reageert in aanwezigheid van hun zoutoplossingen?<br />
nodig<br />
• 0,1 M oplossingen van natriumchloride, natriumbr<strong>om</strong>ide en natriumjodide in wa<strong>te</strong>r,<br />
met 1% stijfsel<br />
• Chloorwa<strong>te</strong>r, bro<strong>om</strong>wa<strong>te</strong>r en joodwa<strong>te</strong>r<br />
• 9 filtreerpapiertjes<br />
• Penselen<br />
werkwijze<br />
Drenk drie filtreerpapiertjes in een 0,1 M oplossing van natriumchloride (schrijf met potlood<br />
in een hoekje NaCl op de drie papiertjes). Drenk nog drie filtreerpapiertjes in een<br />
0,1 M oplossing van natriumbr<strong>om</strong>ide (schrijf met potlood in een hoekje NaBr op de drie<br />
papiertjes) en <strong>te</strong>nslot<strong>te</strong> drie filtreerpapiertjes in een 0,1 M oplossing van natriumjodide in<br />
stijfselwa<strong>te</strong>r. (schrijf met potlood in een hoekje NaI op de drie papiertjes).<br />
Plaats in ieder flesje chloorwa<strong>te</strong>r, bro<strong>om</strong>wa<strong>te</strong>r en joodwa<strong>te</strong>r een penseel.<br />
Schrijf vervolgens met een penseel gedoopt in chloorwa<strong>te</strong>r op de eers<strong>te</strong> drie papiertjes de let<strong>te</strong>rs<br />
Cl, op de volgende drie met bro<strong>om</strong>wa<strong>te</strong>r een Br en op de laats<strong>te</strong> drie met joodwa<strong>te</strong>r een I.<br />
NaCl-opl X<br />
cl 2 br 2 i 2<br />
NaBr-opl X<br />
NaI-opl X<br />
opdracht<br />
14 Wat neem je waar?<br />
Als er een reactie plaatsvindt, geef je een plus in bovenstaande tabel.<br />
Ook hier zie je net als bij de metalen een volgorde in reductors<strong>te</strong>rk<strong>te</strong> en oxidators<strong>te</strong>rk<strong>te</strong>.<br />
15 Rangschik deze 3 koppels naar oxidator- en reductors<strong>te</strong>rk<strong>te</strong>. Zet de s<strong>te</strong>rks<strong>te</strong> oxidator<br />
linksboven<br />
16 Wat is de lading van het chloorato<strong>om</strong> in Cl 2 ?<br />
weer een stukje theorie<br />
Bij de direc<strong>te</strong> redoxreacties, experiment 2, vallen een aantal dingen op als je de metalen met<br />
elkaar gaat vergelijken.<br />
Het ene metaal is in staat het andere metaal uit de oplossing <strong>te</strong> verdrijven. Dit metaal is dus<br />
s<strong>te</strong>rker (als reductor) dan het metaal dat uit de oplossing wordt verdreven. Op basis daarvan<br />
kun je de metalen rangschikken. Je spreekt van de verdringingsreeks van de metalen.<br />
Onedele metalen, zoals natrium en zink zijn s<strong>te</strong>rke reductoren. Edele metalen, zoals goud en<br />
zilver zijn zwakke reductoren. Let op het gaat hier dus <strong>om</strong> de zuivere metalen.
module 02 leerlingen<strong>te</strong>kst energie <strong>om</strong> <strong>mee</strong> <strong>te</strong> <strong>nemen</strong> 013<br />
De netto lading van de deeltjes in zuivere metalen is 0. In een zout(oplossing) kunnen metaalionen<br />
voork<strong>om</strong>en, dan hebben ze een positieve lading en kunnen dan als oxidator reageren,<br />
maar, pas op, s<strong>om</strong>s ook weer als reductor.<br />
In Binastabel 48 staan aan de rech<strong>te</strong>rzijde een gro<strong>te</strong> hoeveelheid reductoren naar s<strong>te</strong>rk<strong>te</strong> gerangschikt.<br />
17 Welk metaal is een s<strong>te</strong>rkere reductor: ijzer of lood? Klopt dat met je ervaring uit experiment 2?<br />
18 Welk metaal is volgens de tabel de s<strong>te</strong>rks<strong>te</strong> reductor? En welk deeltje de zwaks<strong>te</strong>?<br />
19 a Welk metaal is als reductor s<strong>te</strong>rker: tin of chro<strong>om</strong>?<br />
b Geef van beide halfreacties de vergelijking.<br />
c Leg uit dat Sn 2+ zowel als oxidator als reductor kan optreden.<br />
d Geef nog twee voorbeelden van metaalionen die zowel oxidator als reductor kunnen zijn.<br />
In Binastabel 48 staan aan de linkerzijde de oxidatoren eveneens naar s<strong>te</strong>rk<strong>te</strong> gerangschikt.<br />
Bovenaan staat de s<strong>te</strong>rks<strong>te</strong> oxidator, fluor (F 2 ). Fluor kan dus heel gemakkelijk elektronen<br />
op<strong>nemen</strong> en daarbij overgaan in F – :<br />
F 2 + 2 e – 2 F –<br />
20 a Welke oxidator is s<strong>te</strong>rker: Cl 2 of I 2 ? Klopt dit met je uitk<strong>om</strong>st van experiment 3 (vraag 14)?<br />
b Geef van beide halfreacties de vergelijking.<br />
Brengen we nu een oxidator en een reductor samen dan kan een reactie optreden. Dit is afhankelijk<br />
van de positie van de oxidator t.o.v. de reductor in tabel 48.<br />
we kunnen nu con<strong>te</strong>xtvraag 2 beantwoorden:<br />
Kunnen we voorspellingen doen over dit soort reacties?<br />
een redoxreactie vindt plaats als de oxidator in tabel 48 linksboven de reductor<br />
staat. Er geldt altijd dat de s<strong>te</strong>rks<strong>te</strong> oxidator reageert met de s<strong>te</strong>rks<strong>te</strong> reductor!<br />
We schrijven dan de halfreactie van de oxidator gewoon van links naar rechts, maar pas op,<br />
die van de reductor van rechts naar links (een beetje op z’n Arabisch dus!).<br />
21 Geef de totaalreactie tussen cadmium (Cd) en jood (I 2 ) door beide halfreacties op <strong>te</strong> <strong>te</strong>llen.<br />
Als er een reactievergelijking moet worden afgeleid, geldt dat er goed gekeken moet worden<br />
welke deeltjes reageren. Voor tabel 48 gelden nog een paar speciale regels. S<strong>om</strong>mige deeltjes<br />
staan er vaker in. Bijvoorbeeld Cu 2+ .<br />
Cu 2+ + I – + e – CuI + 0,85 V<br />
Cu 2+ + 2 e – Cu + 0,34 V<br />
Cu 2+ + e – Cu + + 0,15 V<br />
Als er Cu 2+ -ionen in de oplossing aanwezig zijn, kan de reactie op drie manieren verlopen.<br />
Het koperion kan in principe kiezen hoe het reageert. welke keuze gemaakt wordt hangt deels<br />
van de <strong>om</strong>standigheden af. Voor de bovens<strong>te</strong> moe<strong>te</strong>n er ook I – ionen zijn. Als die er niet zijn<br />
kan het niet op deze manier reageren. Het Cu 2+ reageert als oxidator. Hoe hoger de standaardelektrodepo<strong>te</strong>ntiaal<br />
des <strong>te</strong> s<strong>te</strong>rker de oxidator. Het koperion zal er dan voor kiezen <strong>om</strong> <strong>te</strong> reageren<br />
tot reageren tot Cu volgens de middels<strong>te</strong> halfreactie.
module 02 leerlingen<strong>te</strong>kst energie <strong>om</strong> <strong>mee</strong> <strong>te</strong> <strong>nemen</strong> 014<br />
experiment 4<br />
Een ander probleem dat speelt bij tabel 48 is de aanwezigheid van hulpdeeltjes zoals H +<br />
of OH – . Halfreacties waarbij dit soort deeltjes <strong>mee</strong>reageren kan je alleen gebruiken als die<br />
deeltjes ook daadwerkelijk aanwezig zijn. De concentratie van deze deeltjes moet <strong>te</strong>nmins<strong>te</strong><br />
1 mol L -1 zijn. In de praktijk spreken we vaak van een aangezuurde oplossing of een basische<br />
oplossing van X.<br />
Als je goed naar tabel 48 kijkt dan zie je dat bij aanwezigheid van H + (zuur) de<br />
– – oxidator s<strong>te</strong>rker wordt (zie bijv. MnO ). Aanwezigheid van OH (base) vers<strong>te</strong>rkt juist<br />
4<br />
2– de reductor (zie bijv. SO ).<br />
3<br />
22 Zoek uit tabel 48 nog een voorbeeld waarbij de oxidator wordt vers<strong>te</strong>rkt door aanwezigheid<br />
van H + en nog een voorbeeld van een stof die een s<strong>te</strong>rkere reductor wordt als OH –<br />
aanwezig is.<br />
voorbeeld hoe je een redoxreactie ops<strong>te</strong>lt.<br />
reactie tussen aangezuurd kaliumdichr<strong>om</strong>aat-oplossing en een mierenzuur-oplossing.<br />
Doorloop de volgende stappen:<br />
1 Aanwezig in de oplossing: K + 2– + 2+ – , Cr O , H , Sn en Cl en natuurlijk H2O. 2 7<br />
2 Bepaal welke deeltjes als oxidator of als reductor of als beide kunnen reageren.<br />
3 Bepaal daarna welk deeltje de s<strong>te</strong>rks<strong>te</strong> oxidator en welk deeltje de s<strong>te</strong>rks<strong>te</strong> reductor is. Doe<br />
dat door alle oxidator en daarna alle reductor met elkaar <strong>te</strong> vergelijken in tabel 48.<br />
2– + Cr O is hier gec<strong>om</strong>bineerd met H de s<strong>te</strong>rks<strong>te</strong> oxidator<br />
2 7<br />
Sn 2+ is hier de s<strong>te</strong>rks<strong>te</strong> reductor<br />
4 Om een reactievergelijking <strong>te</strong> krijgen schrijf je beide halfreacties onder elkaar:<br />
2– + Cr O + 14 H + 6 e 2 Cr 2 7<br />
3+ + 7 H O (1x)<br />
2<br />
Sn 2+ Sn 4+ + 2e – (3x)<br />
5 Omdat het aantal elektronen dat wordt opgen<strong>om</strong>en gelijk moet worden aan het aantal dat<br />
wordt afgestaan, moet je de onders<strong>te</strong> halfreactie met drie vermenigvuldigen en daarna op<strong>te</strong>llen:<br />
2– + 2+ 4+ 3+ Cr O + 14 H + 3 Sn 3 Sn + 2 Cr + 7 H2O 2 7<br />
Om het uitschrijven van vergelijkingen <strong>te</strong> oefenen, ga je een practicum doen.<br />
enkele redoxreacties<br />
Je leidt aan de hand van de bovengenoemde stappen eerst de reactievergelijking af en vervolgens<br />
voer je de proef uit <strong>om</strong> na <strong>te</strong> gaan of je vergelijking klop<strong>te</strong>.<br />
doel<br />
Kennismaken met een aantal redoxreacties en oefenen met het schrijven van de reactievergelijkingen<br />
die daarbij horen.
module 02 leerlingen<strong>te</strong>kst energie <strong>om</strong> <strong>mee</strong> <strong>te</strong> <strong>nemen</strong> 015<br />
experiment 5<br />
nodig<br />
• 0,1 M oplossing van kaliumpermanganaat in wa<strong>te</strong>r<br />
• 0,1 M oplossing van oxaalzuur in wa<strong>te</strong>r<br />
• 0,1 M oplossing van natriumsulfiet in wa<strong>te</strong>r<br />
• 0,1 M oplossing van kaliumjodide in wa<strong>te</strong>r<br />
• 1 M zwavelzuur<br />
• 3% wa<strong>te</strong>rstofperoxideoplossing in wa<strong>te</strong>r<br />
• 0,1 M zoutzuur<br />
• 0,1 M oplossing van natriumthiosulfaat (Na 2 S 2 O 3 ) in wa<strong>te</strong>r<br />
• Reageerbuizen<br />
opdracht vooraf<br />
Zoek beide halfreacties op die horen bij de reacties van<br />
23 aangezuurd kaliumpermanganaat en oxaalzuur<br />
24 niet aangezuurd kaliumpermanganaat en natriumsulfiet<br />
25 aangezuurd wa<strong>te</strong>rstofperoxide en kaliumjodide<br />
26 zoutzuur en natriumthiosulfaat<br />
Schrijf vervolgens de totale reactievergelijkingen op.<br />
werkwijze<br />
Voeg <strong>te</strong>lkens de volgende oplossingen bij elkaar, no<strong>te</strong>er waarnemingen en verifieer je<br />
reactievergelijkingen:<br />
Aangezuurd kaliumpermanganaat (gelijke delen 0,1 M kaliumpermanganaat en 1 M zwavelzuur)<br />
en oxaalzuur.<br />
Niet aangezuurd kaliumpermanganaat en natriumsulfiet.<br />
Aangezuurd wa<strong>te</strong>rstofperoxide ( gelijke delen 3% wa<strong>te</strong>rstofperoxide en 1 M zwavelzuur)<br />
en kaliumjodide.<br />
Zoutzuur en natriumthiosulfaat.<br />
Om nog <strong>mee</strong>r <strong>te</strong> kunnen oefenen met het ops<strong>te</strong>llen van redoxreacties zie bijlage 1.<br />
4 redoxreacties maar nu op afstand<br />
Reductoren en oxidatoren kunnen door direct contact met elkaar reageren, maar <strong>om</strong>dat metalen<br />
de elektrische stro<strong>om</strong> goed kunnen geleiden, kun je het ook op een afstand van elkaar<br />
doen. Daar maak je gebruik van in een bat<strong>te</strong>rij.<br />
Een aantal experimen<strong>te</strong>n van Experiment 4 kunnen we ook anders uitvoeren, waarbij we het<br />
spanningsverschil me<strong>te</strong>n<br />
bepaling van het spanningsverschil<br />
inleiding<br />
Als er een reactie aan een elektrode optreedt, worden elektronen aan de elektrode afgestaan<br />
of opgen<strong>om</strong>en. Dat wil zeggen dat je er een spanningsverschil tussen beide elektroden<br />
kan bestaan. Dat is met een voltme<strong>te</strong>r <strong>te</strong> me<strong>te</strong>n.<br />
doel<br />
Bepaling van het spanningsverschil tussen metalen elektroden en hun opgelos<strong>te</strong> zou<strong>te</strong>n.
module 02 leerlingen<strong>te</strong>kst energie <strong>om</strong> <strong>mee</strong> <strong>te</strong> <strong>nemen</strong> 016<br />
nodig<br />
• 6 bekerglazen van 100 mL<br />
• 0,1 M oplossingen van een zilverzout, een koper(II)zout, een lood(II)zout, een tin(II)<br />
zout, een ijzer(II)zout en een zinkzout in wa<strong>te</strong>r<br />
• Een zilver-, koper-, lood-, tin-, ijzer en zinkstaaf<br />
• Multime<strong>te</strong>r/voltme<strong>te</strong>r en ampèreme<strong>te</strong>r, snoeren en krokodillenbekjes<br />
• Zoutbrug<br />
werkwijze<br />
De docent voert het volgende<br />
experiment uit (zie figuur 2).<br />
Hij plaatst staafjes metaal in een<br />
bekerglas met een oplossing van<br />
het betreffende metaalion.<br />
Tussen beide bekerglazen wordt<br />
een zoutbrug geplaatst. Vervolgens<br />
<strong>mee</strong>t de docent het spanningsverschil<br />
tussen de twee metaalstaafjes.<br />
Ag/Ag + x<br />
ag/ag + cu/cu 2+ pb/pb 2+ sn/sn 2+ fe/fe 2+ zn/zn 2+<br />
Cu/Cu 2+ x<br />
Figuur 2<br />
Pb/Pb 2+ x<br />
anode<br />
Sn/Sn 2+ x<br />
zoutbrug<br />
Fe/Fe 2+ x<br />
elektronen<br />
Zn/Zn 2+ x<br />
kathode<br />
opdracht<br />
Wat neem je waar?<br />
Schrijf in de tabel op welke reacties verlopen (+ be<strong>te</strong>kent dat de reactie verloopt, - dat de<br />
reactie niet verloopt).<br />
Schrijf de reactievergelijking op en vermeld erbij welke stof de reductor en welke de oxidator<br />
is.<br />
Om de reductor-/ oxidators<strong>te</strong>rk<strong>te</strong> uit <strong>te</strong> drukken gebruiken we een grootheid, die de standaardelektrodepo<strong>te</strong>ntiaal<br />
wordt genoemd. De eenheid die erbij hoort is de volt. Het symbool<br />
is V o . De V o loopt ongeveer van +3 V tot -3 V. De standaardelektrodepo<strong>te</strong>ntiaal hoort bij een<br />
redoxkoppel en staat in tabel 48 van Binas. Het is het spanningsverschil geme<strong>te</strong>n tussen een<br />
redoxkoppel en het redoxkoppel H 2 / H +.
module 02 leerlingen<strong>te</strong>kst energie <strong>om</strong> <strong>mee</strong> <strong>te</strong> <strong>nemen</strong> 017<br />
Hoe gro<strong>te</strong>r de elektrodepo<strong>te</strong>ntiaal des <strong>te</strong> s<strong>te</strong>rker de oxidator. Omgekeerd geldt hoe lager de<br />
elektrodepo<strong>te</strong>ntiaal, des <strong>te</strong> s<strong>te</strong>rker de reductor. Het absolu<strong>te</strong> verschil tussen deze elektrodepo<strong>te</strong>ntialen<br />
noemen we de bronspanning van deze cel.<br />
Het enige waar je voor moet zorgen is dat er een geslo<strong>te</strong>n stro<strong>om</strong>kring is. In de bat<strong>te</strong>rij zorgt<br />
daar een oplossing van zou<strong>te</strong>n (de elektrolyt) voor. In de bat<strong>te</strong>rij, die je zelf gemaakt hebt, was<br />
dat het kaliloog. Deze oplossing zorgt ervoor dat ionen kunnen str<strong>om</strong>en. Er gaat pas een (elektronen)<br />
stro<strong>om</strong> lopen als je de beide polen met elkaar verbindt en zo de stro<strong>om</strong>kring sluit.<br />
In de draad str<strong>om</strong>en dus de elektronen en in de zoutbrug (zie figuur 2) de ionen.<br />
Schematisch geven we de bat<strong>te</strong>rij vaak als volgt weer:<br />
Zn|Zn 2+ ||Cu 2+ |Cu<br />
Een verticaal streepje be<strong>te</strong>kent dat de aangegeven deeltjes met elkaat in contact staan. Een<br />
dubbelstreepje be<strong>te</strong>kent een zoutbrug.<br />
voorbeeld<br />
Een bekende elektrische cel is de zogenaamde Daniëll-cel. Men heeft hierbij aan de ene<br />
zijde een Cu-elektrode staand in een 1,0 M CuSO 4 -oplossing en aan de andere zijde een<br />
Zn-elektrode in een 1,0 M ZnSO 4 -oplossing. Beide elektroden worden met een draad met<br />
elkaar verbonden en er is een zoutbrug tussen de oplossingen.<br />
Volgens tabel 48 vindt aan de Cu-elektrode de volgende reactie plaats:<br />
Cu 2+ + 2 e – Cu halfreactie 1<br />
En aan de Zn-elektrode: Zn Zn 2+ + 2 e – halfreactie 2<br />
Aan de Cu-elektrode worden elektronen weggehaald door halfreactie 1.<br />
27 Beredeneer welke lading de Cu-elektrode daardoor krijgt.<br />
28 Doe hetzelfde met de Zn-elektrode.<br />
29 Teken bovenstaande schematische voors<strong>te</strong>lling van de bat<strong>te</strong>rij over en geef bijschrif<strong>te</strong>n<br />
met alle deel<strong>nemen</strong>de stoffen van de Daniëll-cel.<br />
30 Bereken aan de hand van de normaalpo<strong>te</strong>ntialen van de Daniëll-cel hoe groot de<br />
bronspanning van deze cel is. (zie ook voor waarden tabel 48) .<br />
5 andere oxidatoren en reductoren (facultatief)<br />
Er zijn nog <strong>mee</strong>r redoxkoppels dan de koppels die hierboven beschreven zijn. In de zelf gemaak<strong>te</strong><br />
bat<strong>te</strong>rij gebruiken we bijvoorbeeld MnO 2 . Er is een gro<strong>te</strong> groep verbindingen van de niet metalen,<br />
en de overgangsmetalen met zuurstof, die kunnen optreden als elektron-donor en -acceptor.<br />
Daarnaast zijn er nog allerlei organische verbindingen, zoals alkanolen en alkanalen die als oxidator<br />
en reductor kunnen fungeren.<br />
Deze zuurstofverbindingen van de overgangsmetalen hebben vaak prachtige kleuren. In halfedels<strong>te</strong>nen<br />
k<strong>om</strong>en ze vaak voor. Ook worden ze vaak gebruikt als pigment in verven en in plastics.
module 02 leerlingen<strong>te</strong>kst energie <strong>om</strong> <strong>mee</strong> <strong>te</strong> <strong>nemen</strong> 018<br />
Om <strong>te</strong> zien of er een redoxreactie heeft plaats gevonden, kun je kijken naar de ladingsverandering<br />
van de deeltjes. Bijvoorbeeld:<br />
Sn 4+ + Pb Sn 2+ + Pb 2+<br />
Niet altijd is dat even duidelijk <strong>te</strong> zien zoals in deze halfreactie:<br />
– + – NO + 4 H + 3 e NO + 2 H2O halfreactie A<br />
3<br />
Daar<strong>om</strong> gebruiken we het begrip oxidatiegetal.<br />
4.1 oxidatiegetal<br />
Als je googlet op oxidatiegetal krijg je allerlei ingewikkelde beschrijvingen. Vooral die van<br />
wikipedia is haast niet <strong>te</strong> volgen.<br />
Bij de bepaling van het oxidatiegetal ga je ervan uit dat alle bindingen ionbindingen zijn.<br />
Zuurstof vormt daarbij bijna altijd 2- ionen en wa<strong>te</strong>rstof 1+. De s<strong>om</strong> van de ladingen in<br />
een deeltje is de netto lading van dat deeltje.<br />
2–<br />
Neem bijvoorbeeld SO4 S ?<br />
O 4 . 2- = 8-<br />
Er zijn 4 zuurstofdeeltjes dus daar is de totale lading 4 x 2- = 8-<br />
De netto lading van het sulfaat moet zijn 2- dus geldt dat het oxidatiegetal van S-deeltje 6+ is.<br />
Omdat het niet juist is dat de lading van het S-deeltjes 6+ is (het is immers geen echt ion)<br />
zeggen we dat het oxidatiegetal hier 6+ is.<br />
Elemen<strong>te</strong>n kunnen allerlei oxidatiegetallen hebben.<br />
Zwavel kent bijvoorbeeld 2-, 1-, 0, 2+, 4+ en 6+.<br />
Oxidatiegetallen lopen van 7- tot 7+.<br />
Als tijdens een reactie het oxidatiegetal verandert, dan mag je er vanuit gaan dat er elektronen<br />
zijn opgen<strong>om</strong>en of afgestaan.<br />
- 31 Hoe verandert het oxidatiegetal van N-deeltje in NO van oxidatiegetal in halfreactie A?<br />
3<br />
(zie boven)<br />
– 32 MnO kan worden <strong>om</strong>gezet in MnO2 .<br />
4<br />
Hoe verandert het oxidatiegetal van Mn?<br />
Hoeveel elektronen heeft het Mn opgen<strong>om</strong>en of afgestaan?<br />
5.2 zuurstof<br />
Zuurstof speelt een belangrijke rol bij redoxreacties. Je ziet dat het aantal gebonden zuurstofat<strong>om</strong>en<br />
door een overgangsmetaal of niet metaal verandert tijdens de reactie. Als er geen wa<strong>te</strong>r<br />
is, geldt dat het aantal zuurstofat<strong>om</strong>en dat wordt afgestaan gelijk wordt aan het aantal dat<br />
wordt opgen<strong>om</strong>en. Reacties zonder wa<strong>te</strong>r verlopen vaak heftig.
module 02 leerlingen<strong>te</strong>kst energie <strong>om</strong> <strong>mee</strong> <strong>te</strong> <strong>nemen</strong> 019<br />
experiment 6<br />
demoproef<br />
Voorbeeld:<br />
de reactie van ethanol met zwavelzuur<br />
doel<br />
Wa<strong>te</strong>r is vaak nodig <strong>om</strong> een redoxreactie <strong>te</strong> la<strong>te</strong>n verlopen of minder heftig <strong>te</strong> la<strong>te</strong>n verlopen.<br />
nodig<br />
• Geconcentreerd zwavelzuur<br />
• Absolu<strong>te</strong> ethanol<br />
• Kaliumpermanganaat<br />
• Bekerglas van 100 mL<br />
• Reageerbuis<br />
werkwijze<br />
Breng in een reageerbuis 2 mL geconcentreerd zwavelzuur en daarna 4 mL absolu<strong>te</strong><br />
ethanol. Meng beide vloeistoffen door de reageerbuis voorzichtig rond <strong>te</strong> draaien. Plaats<br />
de buis in een leeg bekerglas van 100 mL. Voeg aan de reageerbuis een kristal kaliumpermanganaat<br />
toe.<br />
opdracht<br />
Wat neem je waar?<br />
Verdun de vloeistof in de reageerbuis met 4 mL wa<strong>te</strong>r.<br />
Voeg opnieuw een kristal kaliumpermanganaat toe.<br />
Is er verschil in reactie <strong>te</strong>n opzich<strong>te</strong> van de eers<strong>te</strong> keer?<br />
33 Geef de (totale) reactievergelijkingen tussen het aangezuurde kaliumpermanganaat en<br />
ethanol waarbij het ethanol tot resp. ethanal en azijnzuur wordt <strong>om</strong>gezet<br />
conclusie<br />
Met wa<strong>te</strong>r verloopt het vaak wat minder heftig.<br />
Dat k<strong>om</strong>t <strong>om</strong>dat het wa<strong>te</strong>r fungeert als een stof die met de O 2– -ionen kan reageren en dus kan<br />
op<strong>nemen</strong>:<br />
O 2– + H 2 O 2 OH –<br />
Als de oplossing zuur is, dan reageert het H + met het O 2– :<br />
O 2– + 2 H + H 2 O<br />
Daarnaast kunnen deeltjes als OH – en H 2 O zuurstof leveren als dat nodig is:<br />
2 OH – O 2– + H 2 O<br />
H 2 O O 2– + 2 H +<br />
Ops<strong>te</strong>llen van redoxreacties zonder de s<strong>te</strong>un van tabel 48 van Binas kan gedaan worden in<br />
de opgave in bijlage 2.
module 02 leerlingen<strong>te</strong>kst energie <strong>om</strong> <strong>mee</strong> <strong>te</strong> <strong>nemen</strong> 020<br />
experiment 7<br />
6 wat is het verschil tussen oplaadbare<br />
en niet-oplaadbare bat<strong>te</strong>rijen?<br />
we gaan nu aan de hand van onderstaande vragen<br />
con<strong>te</strong>xtvraag 3 proberen <strong>te</strong> beantwoorden:<br />
Hoe k<strong>om</strong>t het dat de ene bat<strong>te</strong>rij oplaadbaar is en de andere niet?<br />
34 Kijk nu <strong>te</strong>rug naar de reactievergelijkingen bij de bat<strong>te</strong>rijen.<br />
Maak twee kol<strong>om</strong>men: één met oplaadbare bat<strong>te</strong>rijen en één met de niet-oplaadbare.<br />
Zoek in tabel 48 de bijbehorende halfreacties en no<strong>te</strong>er het getal, dat daar ach<strong>te</strong>r staat bij<br />
de halfreacties. Je zult zien dat het verschil overeenk<strong>om</strong>t met de spanning van de bat<strong>te</strong>rij.<br />
Vergelijk de kol<strong>om</strong>men van oplaadbare en niet-oplaadbare bat<strong>te</strong>rijen. No<strong>te</strong>er de verschillen.<br />
Beantwoord nu con<strong>te</strong>xtvraag 3.<br />
5.1 opladen van bat<strong>te</strong>rijen<br />
In het vorige onderdeel heb je gezien dat er twee belangrijke verschillen zijn tussen oplaadbare<br />
en niet-oplaadbare bat<strong>te</strong>rijen:<br />
Het belangrijks<strong>te</strong> verschil zit in de reactieproduc<strong>te</strong>n. Bij een oplaadbare bat<strong>te</strong>rij blijven die gebonden<br />
aan de elektrode. Bij het opladen wordt de reactie <strong>om</strong>gekeerd, en wordt de oorspronkelijke<br />
elektrode weer <strong>te</strong>ruggevormd. De deeltjes blijven dus min of <strong>mee</strong>r op hun plek.<br />
Een tweede verschil is dat bij de <strong>mee</strong>s<strong>te</strong> oplaadbare bat<strong>te</strong>rijen de ionenconcentraties constant<br />
blijven. Hierdoor blijft tijdens stro<strong>om</strong>levering de spanning van de bat<strong>te</strong>rij constant.<br />
Bij de niet-oplaadbare bat<strong>te</strong>rijen neemt over het alge<strong>mee</strong>n de inwendige weerstand toe <strong>om</strong>dat de<br />
ionenconcentraties af<strong>nemen</strong>, waardoor de stro<strong>om</strong>s<strong>te</strong>rk<strong>te</strong> afneemt.<br />
Hoe wordt een bat<strong>te</strong>rij nu opgeladen?<br />
Om hier iets over <strong>te</strong> kunnen zeggen wordt eerst een experiment uitgevoerd. Je kunt dat zelf<br />
doen en het kan ook als demonstratieproef door de docent gedaan worden.<br />
een eenvoudige loodaccu<br />
doel<br />
Het maken van een eenvoudige loodaccu, waardoor het principe van opladen duidelijk wordt.<br />
nodig<br />
• Bekerglas van 100 mL<br />
• 4M zwavelzuur<br />
• Twee loodpla<strong>te</strong>n die juist in het bekerglas passen<br />
• Latje van mins<strong>te</strong>ns 16 mm dik en langer dan de diame<strong>te</strong>r van het bekerglas<br />
• Nietmachine<br />
• Voltme<strong>te</strong>r<br />
• Ampèreme<strong>te</strong>r<br />
• Spanningsbron<br />
• Stro<strong>om</strong>draden en krokodillenklemmen<br />
• Lampje van 1,5 V
module 02 leerlingen<strong>te</strong>kst energie <strong>om</strong> <strong>mee</strong> <strong>te</strong> <strong>nemen</strong> 021<br />
werkwijze<br />
Schuur de twee loodplaatjes met schuurpapier in<strong>te</strong>nsief schoon.<br />
Niet de loodpla<strong>te</strong>n vast op het latje (daardoor blijft de afstand tussen de loodpla<strong>te</strong>n s<strong>te</strong>eds<br />
hetzelfde).<br />
Neem een bekerglas van 100 mL. Schenk hierin 60 mL 4 M H 2 SO 4 .<br />
Breng de twee loodplaatjes in de oplossing. Sluit de ene aan op de pluspool van een spanningsbron<br />
en de andere op een minpool. Neem een voltme<strong>te</strong>r en een ampèreme<strong>te</strong>r in de<br />
schakeling op. Ga na bij welke spanning een stro<strong>om</strong> gaat lopen. Laat gedurende mins<strong>te</strong>ns<br />
60 minu<strong>te</strong>n een stro<strong>om</strong> lopen van ongeveer 100 mA.<br />
Haal de draden uit de spanningsbron en sluit deze aan op een lampje van 1,5 Volt.<br />
opdracht<br />
Beschrijf wat je waarneemt. Let daarbij goed op de kleuren van de loodplaatjes.<br />
Bij het opladen van de bat<strong>te</strong>rijen wordt een <strong>te</strong>genspanning op de bat<strong>te</strong>rij aangebracht, die iets<br />
gro<strong>te</strong>r is dan de bat<strong>te</strong>rij levert. Hierdoor draaien de reacties <strong>om</strong> en wordt de bat<strong>te</strong>rij opgeladen.<br />
35 Geef met behulp van tabel 48 (of zoek elders op) de reactie, die plaatsvindt:<br />
a Als de loodaccu stro<strong>om</strong>t levert.<br />
b Als de loodaccu wordt opgeladen.<br />
36 Geef je conclusie van deze discussie in 3 zinnen.<br />
Zie de discussie over het vermogen van een accu op:<br />
http://www.we<strong>te</strong>nschapsforum.nl/index.php?showtopic=68515.<br />
elektrolyse<br />
We noemen het proces waardoor o.a. een bat<strong>te</strong>rij kan worden opgeladen elektrolyse. Een<br />
elektrolyse is een door een stro<strong>om</strong>bron ‘geforceerde’ redoxreactie. Daar<strong>mee</strong> wordt bedoeld<br />
dat nu de stro<strong>om</strong>bron (en niet de halfreacties aan de elektrodes!) de plus- en minpool bepaalt.<br />
De stro<strong>om</strong>bron stuwt de elektronen naar de min(-) elektrode waar ze worden opgen<strong>om</strong>en<br />
en onttrekt ze aan de plus(+) elektrode waar ze vrijk<strong>om</strong>en. S<strong>te</strong>eds reageert de s<strong>te</strong>rks<strong>te</strong> reductor<br />
en de s<strong>te</strong>rks<strong>te</strong> oxidator.<br />
voorbeeld<br />
We gaan een koperbr<strong>om</strong>ide-oplossing elektrolyseren met Pt-elektroden.<br />
Aanwezig zijn:<br />
Cu 2+ , Br – en H 2 O (vergeet deze niet, zeker bij elektrolyse!)<br />
Cu 2+ is de s<strong>te</strong>rks<strong>te</strong> Ox en Br – de s<strong>te</strong>rks<strong>te</strong> Red:<br />
Cu 2+ + 2 e – Cu (-elektrode!)<br />
2 Br – Br 2 + 2 e – (+elektrode!)
module 02 leerlingen<strong>te</strong>kst energie <strong>om</strong> <strong>mee</strong> <strong>te</strong> <strong>nemen</strong> 022<br />
experiment 8<br />
elektrolyse van enkele oplossingen<br />
doel<br />
We elektrolyseren een aantal oplossingen en oefenen met de reactievergelijkingen,<br />
die hierbij horen.<br />
nodig<br />
• Koper-, zink-, platina- en koolstofelektroden<br />
• Stro<strong>om</strong>bronnen, snoeren en krokodillenbekjes<br />
• 5 bekerglazen van 100 mL<br />
• 0,1 M oplossingen van kaliumjodide, koper(II)chloride, natronloog en magnesiumbr<strong>om</strong>ide<br />
in wa<strong>te</strong>r<br />
opdracht:<br />
S<strong>te</strong>l van onderstaande elektrolysereacties de reactievergelijkingen op van de halfreacties<br />
aan min- en pluselektrode:<br />
37 Elektrolyse van een KI-oplossing met C-elektroden.<br />
38 Elektrolyse van een Na 2 SO 4 -oplossing met C-elektroden.<br />
39 Elektrolyse van een CuCl 2 -oplossing met Cu-elektroden.<br />
40 Elektrolyse van een CuCl 2 -oplossing met Zn-elektroden.<br />
41 Elektrolyse van een NaOH-oplossing met Pt-elektroden.<br />
42 Elektrolyse van een MgBr 2 -oplossing met C-elektroden.<br />
werkwijze<br />
Schenk de vijf oplossingen in een bekerglas en merk ze met de chemische formule<br />
van het zout.<br />
Elektrolyseer de oplossing met de vermelde elektroden.<br />
a De KI-oplossing met C-elektroden.<br />
b De Na 2 SO 4 -oplossing met C-elektroden.<br />
c De CuCl 2 -oplossing met Cu-elektroden.<br />
d De CuCl 2 -oplossing met Zn-elektroden.<br />
e De NaOH-oplossing met Pt-elektroden.<br />
f De MgBr 2 -oplossing met C-elektroden<br />
tot slot<br />
Verifieer de uitk<strong>om</strong>s<strong>te</strong>n van de<br />
elektrolyses aan de hand van je<br />
waarnemingen.<br />
Figuur 3<br />
–<br />
Pt<br />
+<br />
Pt<br />
+<br />
stro<strong>om</strong>bron<br />
koperbr<strong>om</strong>ideopl.<br />
–
module 02 leerlingen<strong>te</strong>kst energie <strong>om</strong> <strong>mee</strong> <strong>te</strong> <strong>nemen</strong> 023<br />
Opmerking:<br />
In principe gaat het ops<strong>te</strong>llen van een elektrolysereactie hetzelfde als een ‘gewone’ redoxreactie.<br />
Je hoeft ech<strong>te</strong>r geen rekening <strong>te</strong> houden met ‘linksboven rechtsonder’. Bovendien moet<br />
je altijd wa<strong>te</strong>r <strong>mee</strong><strong>nemen</strong> bij de beoordeling welke Ox en welke Red het s<strong>te</strong>rks<strong>te</strong> is.<br />
43 Geef aan waar<strong>om</strong> er geen rekening <strong>mee</strong>r met ‘linksboven rechtsonder’ hoeft <strong>te</strong> worden<br />
gehouden bij elektrolyse.<br />
Bij de extra opgaven zijn er weer mogelijkheden <strong>te</strong> oefenen met het ops<strong>te</strong>llen van elektrolyse<br />
reacties.<br />
we kunnen nu con<strong>te</strong>xtvraag 4 beantwoorden:<br />
Hoe kan een bat<strong>te</strong>rij opgeladen worden?<br />
44. Beantwoord nu con<strong>te</strong>xtvraag 4. Maak daar eventueel gebruik van een animatie gegeven op:<br />
www.ciencia<strong>te</strong>ca.c<strong>om</strong>/stslibat.html<br />
7 chemische energie<br />
Als je de vraag wilt beantwoorden hoe chemische energie wordt <strong>om</strong>gezet in elektrische moet<br />
je eerst iets <strong>mee</strong>r we<strong>te</strong>n over wat chemische energie is.<br />
Chemische energie is de energie die opgeslagen is in de bindingen tussen de at<strong>om</strong>en. Bij een<br />
chemische reactie worden bindingen verbroken tussen at<strong>om</strong>en. Dat kost energie. Tegelijkertijd<br />
worden er bindingen gevormd, dat levert energie. Het verschil tussen die twee is het energie-effect<br />
van die reactie. Bij een endotherme reactie wordt er energie opgeslagen in de vorm<br />
van chemische energie. Voor de mens is de belangrijks<strong>te</strong> reactie in dit verband:<br />
6 CO 2 (g) + 6 H 2 O(l) C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 (g)<br />
Deze reactie, die bij fotolyse onder invloed van het zonlicht plaatsvindt, is de energiebron van<br />
alle leven. Bovendien zorgt de reactie voor aanvulling van de zuurstof in de atmosfeer.<br />
Deze energie gebruiken we <strong>mee</strong>stal bij verbranding van fossiele brandstoffen voor allerlei<br />
doeleinden. Eén van die doeleinden is het opwekken van elektrische energie in een centrale.<br />
We verbranden fossiele brandstoffen, en zet<strong>te</strong>n de vrijk<strong>om</strong>ende warm<strong>te</strong> <strong>om</strong> in elektrische<br />
energie. Daarbij gaat nogal wat energie verloren in de vorm van warm<strong>te</strong>.<br />
In bat<strong>te</strong>rijen doen we dat direct. Daarbij gaat ook wel een deel van de energie verloren in de<br />
vorm van warm<strong>te</strong>. Denk maar aan het warm worden van de bat<strong>te</strong>rij van een laptop. Doordat<br />
de tussenstap van warm<strong>te</strong> wordt vermeden is het rendement van deze <strong>om</strong>zetting van chemische<br />
energie in elektrische energie veel hoger.<br />
De brandstofcel is daar een mooi voorbeeld van. Wa<strong>te</strong>rstof kun je in een centrale verbranden<br />
als brandstof. Het <strong>om</strong>zet<strong>te</strong>n van deze chemische energie in elektrische energie heeft dan een<br />
rendement van maximaal 45%. In een brandstofcel is de <strong>te</strong>mperatuur veel lager en is dat rendement<br />
bijna 90%. Ook daar<strong>om</strong> is een brandstofcel energetisch gezien voordelig.
module 02 leerlingen<strong>te</strong>kst energie <strong>om</strong> <strong>mee</strong> <strong>te</strong> <strong>nemen</strong> 024<br />
opdracht 2<br />
De elektrodepo<strong>te</strong>ntiaal afstaan van elektronen door een reductor kost normaal gesproken energie.<br />
Het op<strong>nemen</strong> van elektronen levert energie op. Het verschil tussen beide is de hoeveelheid<br />
betrokken chemische energie. Een deel daarvan wordt <strong>om</strong>gezet in elektrische energie.<br />
De elektrodepo<strong>te</strong>ntiaal van een reductor/ oxidator is een belangrijk gegeven. De elektrodepo<strong>te</strong>ntiaal<br />
wordt gegeven in volt = J/C.<br />
De elektrodepo<strong>te</strong>ntiaal is gedefinieerd als het spanningsverschil dat optreedt als een halfcel,<br />
onder standaard<strong>om</strong>standigheden, wordt verbonden met het standaardredoxkoppel H 2 /H + .<br />
Het zegt iets over de hoeveelheid energie die per coul<strong>om</strong>b wordt afgestaan of opgen<strong>om</strong>en. In<br />
dit verband is het zinvol <strong>te</strong> bedenken dat elektronen een lading hebben van 1,6 . 10 –19 C/elektron<br />
of 96485 C/mol elektronen.<br />
45 Hoeveel elektronen zit<strong>te</strong>n er in 1,00 mol elektronen, of<strong>te</strong>wel hoe k<strong>om</strong>en we van 1,6 . 10 –19 C/<br />
elektron naar 96485 C/mol elektronen (zie ook BINAS tabel 7, elementair ladingskwantum<br />
en constan<strong>te</strong> van Faraday)?<br />
we kunnen nu con<strong>te</strong>xtvraag 5 beantwoorden:<br />
Hoeveel energie levert een bat<strong>te</strong>rij?<br />
Nu je alle 5 de con<strong>te</strong>xtvragen hebt beantwoord moet je ook de centrale onderzoeksvraag<br />
kunnen beantwoorden: Hoe wordt chemische energie <strong>om</strong>gezet in elektrische energie?<br />
46 Geef in maximaal 5 zinnen zowel op con<strong>te</strong>xtvraag 5 als de centrale onderzoeksvraag antwoord.<br />
De centrale onderzoeksvraag luidde: Hoe wordt chemische energie <strong>om</strong>gezet in<br />
elektrische energie?<br />
47 In een elektrische cel verlopen aan de elektroden de volgende reacties:<br />
Cu Cu 2+ + 2 e –<br />
Ag + + e – Ag<br />
Deze cel levert gedurende 24 uur een stro<strong>om</strong> van 1,80 mA. Bereken de gewichtstoename<br />
aan de zilverelektrode en de gewichtsafname aan de koperelektrode.<br />
Maak nu de examenopgave over<br />
de Ky auto (zie extra opgave 3).
module 02 leerlingen<strong>te</strong>kst energie <strong>om</strong> <strong>mee</strong> <strong>te</strong> <strong>nemen</strong> 025<br />
8 hoe duurzaam is een bat<strong>te</strong>rij<br />
We hebben nu de deelvragen over de bat<strong>te</strong>rij beantwoord. Er is nog één vraag overgebleven:<br />
Hoe duurzaam is een bat<strong>te</strong>rij.<br />
Bekijk http://www.schooltv.nl/beeldbank/clippopup/20060913_recyclingbat<strong>te</strong><br />
Jullie hebben al eens eerder gekeken naar de be<strong>te</strong>kenis van het begrip duurzaamheid.<br />
In verband met een bat<strong>te</strong>rij willen we nu kijken naar de ma<strong>te</strong> waarin de ma<strong>te</strong>rialen<br />
waarvan een bat<strong>te</strong>rij is gemaakt opnieuw gebruikt kunnen worden. Dat kun je moeilijk<br />
voor alle bat<strong>te</strong>rijen doen.<br />
48 Ga met de klas na welke bat<strong>te</strong>rijen in de klas het <strong>mee</strong>st gebruikt worden.<br />
Kies de vier <strong>mee</strong>st gebruik<strong>te</strong> bat<strong>te</strong>rijen uit. Zoek voor elke bat<strong>te</strong>rij uit:<br />
• Uit welke grondstoffen de bat<strong>te</strong>rij gemaakt wordt.<br />
• Probeer een beeld <strong>te</strong> krijgen hoeveel er hierbij verspild wordt.<br />
• Ga na in hoeverre de inzameling van de bat<strong>te</strong>rijen lukt.<br />
• Ga na in welke ma<strong>te</strong> deze grondstoffen hergebruikt worden.<br />
Bepaal of het zin heeft de bat<strong>te</strong>rijen centraal in <strong>te</strong> zamelen en of het zin heeft de bat<strong>te</strong>rijen gesor<strong>te</strong>erd<br />
in <strong>te</strong> leveren. Maak een muurkrant, pos<strong>te</strong>r of folder voor de rest van de school, waarin<br />
je uitlegt:<br />
• Welke bat<strong>te</strong>rijen ze wel of niet moe<strong>te</strong>n gebruiken.<br />
• Wat ze met gebruik<strong>te</strong> bat<strong>te</strong>rijen moe<strong>te</strong>n doen.<br />
9 afsluiting<br />
Je hebt nu als het goed is alle vragen uit de con<strong>te</strong>xt kunnen beantwoorden. Je hebt gezien dat<br />
er verschillende mogelijkheden zijn <strong>om</strong> elektrici<strong>te</strong>it op <strong>te</strong> wekken. Je kunt dat in een centrale<br />
doen, maar ook met bijvoorbeeld een brandstofcel.<br />
Technisch is een brandstofcel nog tamelijk ingewikkeld, en kan die nog niet op gro<strong>te</strong> schaal<br />
worden toegepast.<br />
In een tweetal volgende modules wordt verder ingegaan op de <strong>om</strong>zetting van de ene vorm van<br />
energie in elektrische energie.<br />
In de kolenvergasser k<strong>om</strong>t een gro<strong>te</strong> centrale aan de orde.<br />
In Smart ma<strong>te</strong>rials worden zonnecellen besproken. Zonnecellen zet<strong>te</strong>n zonlicht <strong>om</strong> in elektrische<br />
energie. In Smart ma<strong>te</strong>rials staat vermeld hoe je die zou kunnen maken.
module 02 leerlingen<strong>te</strong>kst energie <strong>om</strong> <strong>mee</strong> <strong>te</strong> <strong>nemen</strong> 026<br />
notities
module 02 leerlingen<strong>te</strong>kst energie <strong>om</strong> <strong>mee</strong> <strong>te</strong> <strong>nemen</strong> 027<br />
extra opgaven<br />
<strong>Energie</strong> <strong>om</strong> <strong>mee</strong> <strong>te</strong> <strong>nemen</strong>
module 02 leerlingen<strong>te</strong>kst energie <strong>om</strong> <strong>mee</strong> <strong>te</strong> <strong>nemen</strong> 028<br />
opgave 1 a<br />
1 b<br />
opgave 2<br />
oefenen met redoxreacties<br />
Neem BINAS tabel 48 er bij en geef volgens onderstaande opgave alle half- en<br />
totaalreacties van:<br />
1 een kobalt(II)chloride-oplossing met een zinkstaaf<br />
2 een ijzer(III)nitraatoplossing met een kaliumjodide-oplossing<br />
3 een zilvernitraatoplossing met een koperen munt<br />
4 bro<strong>om</strong>wa<strong>te</strong>r met een wa<strong>te</strong>rstofsulfide-oplossing<br />
5 chloorwa<strong>te</strong>r met een ijzer(II)jodide –oplossing<br />
6 een cadmium(II)nitraatoplossing met een loodstaaf<br />
7 een tin(IV)chloride-oplossing met bro<strong>om</strong>wa<strong>te</strong>r<br />
8 een ijzer(II)sulfaatoplossing met bro<strong>om</strong>wa<strong>te</strong>r<br />
9 oxaalzuur (H 2 C 2 O 4 ) met aangezuurd kaliumpermanganaatoplossing<br />
10 een aangezuurd natriumchloraatopl. (NaClO 3 ) met natriumsulfietoplossing<br />
11 chloorwa<strong>te</strong>r met een wa<strong>te</strong>rstofperoxide-oplossing.<br />
oefenen met elektrolysereacties<br />
Geef van onderstaande elektrolyses de twee halfreacties aan – en + pool bij een:<br />
12 een oplossing van natriumsulfiet met Zn-elektrodes<br />
13 een oplossing van zinkchloride met Pt-elektrodes<br />
14 een oplossing van ijzer(II)nitraat en C-eletrodes.<br />
ammonium efficiënt afgebroken<br />
Chemisch2Weekblad, 30 maart 2002<br />
ammonium efficient afgebroken<br />
door bac<strong>te</strong>riekoppel<br />
Delftse en Nij<strong>mee</strong>gse milieubio<strong>te</strong>ch nologen<br />
hebben een goed huwelijk gearrangeerd<br />
tussen een zuurstofha <strong>te</strong>nde en een<br />
zuurstofminnende bac <strong>te</strong>rie. De Anammox-bac<strong>te</strong>rie<br />
zet ni triet <strong>om</strong> in stikstofgas met<br />
ammoni um als voedselbron. De nitrificerende<br />
Nitros<strong>om</strong>onas-bac<strong>te</strong>rie maakt het<br />
daarvoor benodigde nitriet met be hulp van<br />
zuurstof uit ammonium. Samen zet<strong>te</strong>n ze<br />
ammonium in afval wa<strong>te</strong>r volledig <strong>om</strong> in het<br />
onschadelij ke stikstofgas.<br />
Tot een paar jaar geleden dach<strong>te</strong>n de<br />
onderzoekers dat de zuurstofha<strong>te</strong>nde en de<br />
zuurstofminnende bac<strong>te</strong>rie nooit beide in<br />
hetzelfde reactorvat konden gedijen. Bij<br />
heel lage zuur stofconcentraties en een<br />
overmaat aan ammonium kunnen ze ech<strong>te</strong>r<br />
prima samenleven. Ze noemden het proces<br />
`canon’, wat staat voor ‘c<strong>om</strong> ple<strong>te</strong>ly<br />
autotrophic nitrogen removal over nitri<strong>te</strong>’.<br />
In het artikel lees je over het resultaat van milieubio<strong>te</strong>chnologen. Bio<strong>te</strong>chnologen zijn ingenieurs<br />
die biologische processen (zoals bierbrouwen of gist maken) in het groot la<strong>te</strong>n verlopen.<br />
1 Welk milieuprobleem kan door de beschreven onderzoeksresulta<strong>te</strong>n worden aangepakt?<br />
Men spreekt in het artikel over zuurstofha<strong>te</strong>nde en zuurstofminnende bac<strong>te</strong>riën.<br />
2 Welke bac<strong>te</strong>riesoort is zuurstofha<strong>te</strong>nd en welke is zuurstofminnend?<br />
‑ Als eers<strong>te</strong> moet er uit ammonium en zuurstof nitriet, NO , gevormd worden.<br />
2
module 02 leerlingen<strong>te</strong>kst energie <strong>om</strong> <strong>mee</strong> <strong>te</strong> <strong>nemen</strong> 029<br />
3 Geef de vergelijking van deze vorming in een reactie weer.<br />
Daarna reageren nitriet en ammonium met elkaar onder vorming van stikstof en wa<strong>te</strong>r.<br />
4 Geef de halfreactie voor de <strong>om</strong>zetting van nitriet in stikstof.<br />
5 Geef de halfreactie voor de <strong>om</strong>zetting van ammonium in stikstof.<br />
6 S<strong>te</strong>l de totaalvergelijking van de reactie tussen nitriet en ammonium op.<br />
ar<strong>om</strong>atische alkanalen.<br />
Ar<strong>om</strong>atische alkanalen zoals fenylmethanal zijn in gebruik als in<strong>te</strong>rmediairen bij de<br />
productie van farmaceutische stoffen en landbouwchemicaliën. De productie hiervan,<br />
bijvoorbeeld door de oxidatie van methylbenzeen, geeft veel afvalstoffen. De reductie van<br />
benzeencarbonzuur met wa<strong>te</strong>rstof heeft dit nadeel niet.<br />
Martijn de Lange en collega’s van de Universi<strong>te</strong>it Twen<strong>te</strong> hebben het mechanisme van deze<br />
reactie nader onderzocht, met zinkoxide (ZnO) en zirkoonoxide (ZrO 2 ) als katalysator. De<br />
opbrengst aan fenylmethanal was in beide gevallen <strong>mee</strong>r dan 95% onder <strong>om</strong>standigheden<br />
met een hoge partiële druk van wa<strong>te</strong>rstof.<br />
De reactie gaat via het zogenaamde <strong>om</strong>gekeerde ‘Mars en Van Krevelen mechanisme’.<br />
fenylmethanal methylbenzeen<br />
benzeencarbonzuur<br />
In de <strong>te</strong>kst wordt gesproken over de oxidatie van methylbenzeeen. Als oxidator kan een<br />
kaliumpermanganaatoplossing in zuur milieu gebruikt worden.<br />
1 Leid de halfreactie af voor methylbenzeen als reductor, waarbij fenylmethanal ontstaat.<br />
Geef de koolstofverbindingen in structuurformules weer.<br />
2 Geef de halfreactie van de oxidator en leid vervolgens met behulp van halfreacties de totale<br />
vergelijking voor de reactie van methylbenzeen met aangezuurde kaliumpermanganaatoplossing<br />
af.<br />
Een al<strong>te</strong>rnatief is de reductie van benzeencarbonzuur met wa<strong>te</strong>rstof en een juis<strong>te</strong> katalysator.<br />
3 Geef de reactievergelijking van deze reductie. Geef de koolstofverbindingen in structuurformules.<br />
Uit de formules van de zou<strong>te</strong>n van de gebruik<strong>te</strong> katalysator kan de lading van het<br />
zirkoon ion afgeleid worden.<br />
4 Geef de formule van het zirkoonion. Leg uit hoe je aan je antwoord gek<strong>om</strong>en bent.
module 02 leerlingen<strong>te</strong>kst energie <strong>om</strong> <strong>mee</strong> <strong>te</strong> <strong>nemen</strong> 030<br />
opgave 3<br />
Figuur 1<br />
Figuur 2<br />
ky auto<br />
Personenauto’s die op benzine rijden, produceren koolstofdioxide. In december 1997 is in<br />
Kyoto (Japan) afgesproken dat in 2012 de hoeveelheid koolstofdioxide per gereden km gemiddeld<br />
met mins<strong>te</strong>ns 40% moet zijn <strong>te</strong>ruggebracht. Daar<strong>om</strong> doet de auto-industrie uitgebreide<br />
research <strong>om</strong> de uitstoot van koolstofdioxide <strong>te</strong> verlagen. Eén van de onderzoeken richt zich op<br />
een auto uitgerust met een elektr<strong>om</strong>otor. De elektrische stro<strong>om</strong> voor de elektr<strong>om</strong>otor wordt<br />
geleverd door een zogenoemde direc<strong>te</strong> methanol-brandstofcel. In figuur l is de direc<strong>te</strong> methanol-brandstofcel<br />
schematisch weergegeven. In het vervolg van deze opgave duiden we zo’n cel<br />
kortheidshalve aan met brandstofcel.<br />
CH OH 3<br />
➤ ➤ ➤<br />
CH 3 OH + H 2 O<br />
In c<strong>om</strong>partiment I van de brandstofcel wordt een mengsel van methanol en wa<strong>te</strong>r geleid. In<br />
c<strong>om</strong>partiment II wordt zuurstof (lucht) geleid. Aan de poreuze platina-elektroden (E 1 en E 2 )<br />
treden de volgende halfreacties op:<br />
CH 3 OH + H 2 O CO 2 + 6 H + + 6 e –<br />
O 2 + 4 H + + 4 e – 2 H 2 O<br />
Tussen de poreuze elektroden bevindt zich een membraan dat alleen H + ionen doorlaat. Koolstofdioxide<br />
en wa<strong>te</strong>rdamp worden uit de brandstofcel afgevoerd.<br />
1 Leg uit of de elektrode waaraan zuurstof reageert de positieve of de negatieve elektrode<br />
van de brandstofcel is.<br />
Een auto die is uitgerust met deze brandstofcel hoeft alleen methanol <strong>te</strong> tanken. Het wa<strong>te</strong>r dat voor<br />
halfreactie l nodig is, wordt geleverd door halfreactie 2. In figuur 2 is de werking van de brandstofcel<br />
in een auto schematisch weergegeven. Het groots<strong>te</strong> deel van de stofstr<strong>om</strong>en ontbreekt.<br />
➤<br />
➤<br />
I II<br />
T M<br />
B<br />
C<br />
CO 2<br />
➤<br />
membraan<br />
E 1<br />
➤<br />
I II<br />
E 11<br />
H 2 O<br />
➤➤<br />
O 2<br />
➤<br />
➤
module 02 leerlingen<strong>te</strong>kst energie <strong>om</strong> <strong>mee</strong> <strong>te</strong> <strong>nemen</strong> 031<br />
Figuur 3<br />
Tijdens het rijden wordt voortdurend uit de tank (T) methanol naar een mixtank (M)<br />
gep<strong>om</strong>pt. Naar deze mixtank wordt ook een deel van het wa<strong>te</strong>r geleid dat bij halfreactie<br />
2 ontstaat. Uit de mixtank gaat het wa<strong>te</strong>r-methanol mengsel naar c<strong>om</strong>partiment I van de<br />
brandstofcel (B). Een deel van de methanol en een deel van het wa<strong>te</strong>r worden hier <strong>om</strong>gezet<br />
(halfreactie 1). De ontstane koolstofdioxide verdwijnt uit de brandstofcel.<br />
De niet <strong>om</strong>gezet<strong>te</strong> methanol en het niet <strong>om</strong>gezet<strong>te</strong> wa<strong>te</strong>r worden <strong>te</strong>ruggeleid naar de mixtank.<br />
In c<strong>om</strong>partiment II wordt lucht geleid. Zuurstof uit deze lucht reageert met H + ionen tot wa<strong>te</strong>rdamp<br />
(halfreactie 2). De wa<strong>te</strong>rdamp wordt samen met de overgebleven lucht (<strong>om</strong>dat daar<br />
minder zuurstof in zit wordt de overgebleven lucht in de verdere opgave restlucht genoemd)<br />
door een condensor (C) geleid. In de condensor condenseert de wa<strong>te</strong>rdamp. De restlucht verdwijnt<br />
uit de condensor. Omdat in de condensor <strong>mee</strong>r wa<strong>te</strong>r condenseert dan voor halfreactie<br />
l nodig is, wordt niet al het wa<strong>te</strong>r naar de mixtank geleid. Een deel wordt afgevoerd.<br />
2 Leid aan de hand van de gegeven halfreacties af hoeveel procent van het in c<strong>om</strong>partiment<br />
II gevormde wa<strong>te</strong>r naar de mixtank moet worden geleid.<br />
In figuur 3 is het schema met de vier blokken T, M, B en C (figuur 1) nogmaals weergegeven.<br />
De nummers 3 en 5 die staan bij de stofstr<strong>om</strong>en tussen de tank T en de mixtank M en tussen<br />
de mixtank M en de brandstofcel B staan voor respectievelijk methanol en wa<strong>te</strong>r. Bij de overige<br />
ge<strong>te</strong>kende stofstr<strong>om</strong>en staat geen nummer, en er ontbreekt een aantal stofstr<strong>om</strong>en.<br />
3 Maak het schema op de bijlage af door het plaatsen van lijnen met pijlen.<br />
3 3 3 , 5<br />
➤ ➤ ➤<br />
Zet bij de reeds ge<strong>te</strong>kende lijnen én bij de zelf ge<strong>te</strong>kende lijnen, de bijbehorende stof of het<br />
bijbehorende mengsel. Doe dit met behulp van de nummers l t/m 6:<br />
1 = koolstofdioxide;<br />
2 = lucht;<br />
3 = methanol;<br />
4 = restlucht;<br />
5 = wa<strong>te</strong>r;<br />
6 = wa<strong>te</strong>rdamp.<br />
Houd rekening met het feit dat er <strong>mee</strong>rdere nummers bij één lijn kunnen staan en dat<br />
nummers <strong>mee</strong>rdere malen kunnen worden gebruikt.<br />
➤<br />
➤<br />
I II<br />
T M<br />
B<br />
C<br />
➤<br />
➤
module 02 leerlingen<strong>te</strong>kst energie <strong>om</strong> <strong>mee</strong> <strong>te</strong> <strong>nemen</strong> 032<br />
Figuur 4<br />
Een personenauto, uitgerust met een brandstofcel en een elektr<strong>om</strong>otor, gaat waarschijnlijk evenveel<br />
kil<strong>om</strong>e<strong>te</strong>rs op 1,0 L methanol rijden, als een vergelijkbare benzineauto op 1,0 L benzine.<br />
Figuur 4 is het zogenoemde brandstofetiket van een Nissan Primera, bouwjaar 2003. Een dergelijk<br />
etiket zit sinds 2001 op elke nieuwe auto. Volgens de dealer zijn de prestaties van deze<br />
auto wat betreft benzineverbruik en koolstofdioxide-uitstoot sinds 1997 vrijwel niet veranderd.<br />
Mede met behulp van gegevens uit het informatieboekje kan worden nagegaan of de uitstoot<br />
van koolstofdioxide per gereden kil<strong>om</strong>e<strong>te</strong>r gemiddeld mins<strong>te</strong>ns 40% minder is wanneer<br />
zo’n personenauto wordt uitgerust met deze brandstofcel en een elektr<strong>om</strong>otor.<br />
4 Bereken hoeveel gram koolstofdioxide ontstaat wanneer 1,0 L vloeibare methanol volledig<br />
wordt verbrand (293 K).<br />
5 Ga na of de Nissan Primera van het brandstofetiket de in Kyoto gemaak<strong>te</strong> afspraak haalt<br />
(gemiddeld mins<strong>te</strong>ns 40% minder uitstoot van koolstofdioxide per gereden kil<strong>om</strong>e<strong>te</strong>r)<br />
wanneer hij wordt uitgerust met een direc<strong>te</strong> methanol-brandstofcel en elektr<strong>om</strong>otor.<br />
Op een in<strong>te</strong>rnetsi<strong>te</strong> over de mogelijkheden van dit nieuwe type auto staat de volgende uitspraak:<br />
“Als de methanol waarop deze auto rijdt, uit bi<strong>om</strong>assa (suikerriet, gft-afval, houtsoor<strong>te</strong>n,<br />
enz.) wordt bereid, dan rijdt de auto CO 2 neutraal”.<br />
6 Leg uit wat met deze uitspraak wordt bedoeld.
module 02 leerlingen<strong>te</strong>kst energie <strong>om</strong> <strong>mee</strong> <strong>te</strong> <strong>nemen</strong> 033<br />
notities
module 02 leerlingen<strong>te</strong>kst energie <strong>om</strong> <strong>mee</strong> <strong>te</strong> <strong>nemen</strong> 034<br />
notities