Module 6. Survival in de Bush. In deze module maak je kennis met reductoren en oxidatoren, hun eigenschappen en reac es

Chemie in Onderzoek HAVO

Survival in de Bush

Module 6 In deze module maak je kennis met reductoren en oxidatoren, hun eigenschappen en reaces. Voornaamste begrippen zijn: reductor/oxidator sterkte elektronenoverdracht redox reace chemische cel elektrolyse

© 2014 H.J.C. Ubbels

│1


Inhoudsopgave Par.

Titel

Blz.

§ 6.1

De Survival Challenge

3

§ 6.2

Reaces met metalen

4

§ 6.3

Halfreaces en totaalreaces

6

§ 6.4

Corrosie en metaalertsen

10

§ 6.5

Organische reductoren

12

§ 6.6

Elektrochemische cellen

13

§ 6.7

Oplaadbare ba2erijen

17

§ 6.8

De brandstofcel

18

§ 6.9

De bereiding van metalen

19

§ 6.10

Redox traes

22

§ 6.11

Proefwerkopgaven

23

Alle antwoorden en een samenva8ng van deze module zijn te downloaden als WORD bestand vanaf: www.everyoneweb.com/chemieinonderzoek/ Daarnaast zijn er handige weblinks te vinden onder het tabblad “Toolbox”. Ook is van deze module een E-klas versie met digitaal lesmateriaal beschikbaar: h2p://www.e-klassen.nl/portal/site/e-klas

│2


§ 6.1 - De Survival Challenge Survival Challenge Intro Deze module gaat over redoxreaces. Alle kennis over redoxreaces, die je opdoet heb je nodig om te kunnen overleven in de Afrikaanse bush. Samen met een aantal anderen heb je een vliegtuigcrash overleefd. Het vliegtuig is midden in de wildernis neergestort. Je staat dus meteen voor de uitdaging om jezelf en je medepassagiers in veiligheid te brengen. De Survival Challenges in deze module zijn gebaseerd op een waargebeurd verhaal uit de Naonal Geographic serie "I shouldn't be alive". Bekijk via YouTube de aflevering “Lost In The African Bush Part 2”: h2p://www.youtube.com/watch?v=jxEXcHsjcKo

Je bent met een vliegtuig neergestort in de Afrikaanse bush. De piloot, jij en je reisgenoot hebben het overleefd, maar de situae ziet er niet goed uit. De piloot raakt steeds buiten bewustzijn. Jij en je reisgenoot zijn allebei gewond, maar de verwondingen zijn gelukkig niet direct levensbedreigend. In de wijde omtrek is geen spoor van beschaving te bekennen. Je hebt het vermoeden dat je midden in een gebied zit waar leeuwen voorkomen. Kortom, allerlei gevaren bedreigen je overlevingskansen. Om de wonden van jou en de anderen te verzorgen heb je de verbandtrommel nodig. De verbandtrommel zit in een bagagevak dat door de brand niet erg is aangetast. Maar een ongeluk komt zelden alleen. Het luik van het vak zit op slot en je kan met geen mogelijkheid de sleutel vinden. Ook met een mes lukt het niet om het luik open te forceren. In de volgende paragraaf maak je kennis met eigenschappen van metalen en met een aantal reaces die je gemakkelijk met metalen kunt doen. Met de kennis die je opdoet kun je aan het einde van de paragraaf de eerste Survival Challenge oplossen. Lukt het jou om bij de verbandtrommel te komen?

Onderzoek 6.1.1 Gids experiment: verbranding van magnesium Inleiding In het volgende gidsexperiment verbrandt de docent een stukje magnesium. Onderzoeksvraag Welke soort stof ontstaat bij de verbranding van magnesium? Deelvragen Welke veranderingen ondergaan de magnesiumdeeltjes bij deze verbranding? Welke veranderingen ondergaan de zuurstofdeeltjes bij deze verbranding?

Hypothese Betrek bij het opstellen van je hypothese het atoommodel van Bohr. Beschrijf de reace van magnesium en zuurstof met dit atoommodel. Uitvoering Een stukje magnesium wordt met behulp van een brander aangestoken. Noteer je waarnemingen jdens en na de verbrandingsreace. Vragen bij het experiment Beantwoord de onderzoeksvraag en deelvragen.

│3


§ 6.2 - Reacties met metalen 1e Survival Challenge: van erts naar metaal Bij het oplossen van de eerste Survival Challenge heb je onder andere een goede kennis van de eigenschappen van metalen nodig. Metalen worden al honderden jaren voor allerlei toepassingen gebruikt en zijn inmiddels niet meer weg te denken uit het dagelijks leven. In de natuur vinden we vrijwel geen zuivere metalen. We vinden ze meestal als ertsen. IJzer wordt gewonnen uit ijzererts. De atoomsoort ijzer zit wel in ijzererts, maar de eigenschappen van de stof ijzer(III)oxide (een belangrijke component van ijzererts) zijn compleet anders dan de eigenschappen van het zogenaamd metallisch ijzer. Als we ijzer willen winnen, moeten we dus van het ijzererts eerst metallisch ijzer maken. In de derde en vierde klas heb je al het een en ander over metalen en hun eigenschappen geleerd. Laten we even kijken wat je er nog van weet. Vragen 1. Noem (op macroniveau) een aantal gemeenschappelijke kenmerken van metalen. 2. Noem (op macroniveau) een aantal kenmerken waarin metalen kunnen verschillen. 3. Noem (op microniveau) een belangrijk gemeenschappelijk kenmerk van metalen. 4. Welk roostertype heeN een metaal en waardoor wordt dit rooster bijeengehouden? 5. Welke deeltjes zorgen bij metalen voor de stroomgeleiding en waarom kunnen ze dat? 6. In welk deel van het periodiek systeem vinden we de metalen? Zijn er meer metalen dan nietmetalen of juist anders om? 7. Wat voor soort stof is ijzer(III)oxide en uit wat voor soort deeltjes is deze stof opgebouwd? 8. Geef de formule van ijzer(III)oxide. Je kunt metalen indelen in edele, halfedele, onedele en zeer onedele metalen. Het verschil zit hem in de reacviteit met andere stoffen, en dan voornamelijk met water en zuurstof. Edele metalen oxideren ("roesten") niet tot nauwelijks, terwijl zeer onedele metalen in paraffineolie bewaard moeten worden omdat ze anders reageren met de zuurstof en waterdamp uit de lucht. De reacviteit van de meeste metalen zi2en hier ergens tussenin. 9. Natrium is zo'n metaal dat bewaard moet worden onder paraffineolie. Geef de vergelijking voor de reace van natrium met water. Hierbij ontstaan natronloog en waterstof.

Onderzoek 6.2.2 Reac,es van metalen met zuren Inleiding Metalen hebben veel eigenschappen gemeen, maar kunnen op verschillende manieren reageren. Sommige metalen kunnen bijvoorbeeld reageren met zoutzuur, andere niet. In het volgende onderzoek gaan we kijken hoe verschillende metalen reageren met zoutzuur. Onderzoeksvraag Zal elk metaal met een zoutzuur reageren? Deelvragen Welke metalen wel en welke niet? En waarom? Hypothese Stel je hypothese op ten aanzien van het al dan niet verlopen van een reace van een metaal met zoutzuur. Werkplan Je krijgt de beschikking over 1,0 M zoutzuur en magnesium-, ijzer- en koperpoeder. Maak een werkplan en voer dit uit. Verwerking Beantwoord de onderzoeksvraag en deelvragen Stel voor de reaces die verlopen de reacevergelijking op. Noteer zoutzuur zoals in module 5 geleerd is: H+(aq) + Cl-(aq) Leg voor de reaces die niet verlopen uit waarom dit zo is en voorspel of de volgende reaces verlopen of niet, en zo ja geef de reacevergelijking: 1. Zilver met 1,0 M zoutzuur. 2. Zink met 1,0 M zoutzuur.

Elektronenoverdracht Een metaal is een deeltje dat de eigenschap heeN dat het liever elektronen afstaat dan opneemt. Een niet-metaal atoom wil in principe juist wél graag elektronen opnemen. Metaalatomen worden, als ze reageren, aljd posief geladen. Uit neutrale metaalatomen ontstaan dan posief geladen metaalionen.

│4


§ 6.3 - Halfreacties en totaalreacties 2e Survival Challenge: de problemen beginnen pas... Je hebt de verbanddoos te pakken gekregen. Het is een oude EHBO doos met veel verband, dat waarschijnlijk niet meer steriel is, en allerlei flesjes en pillen. De wonden kunnen in ieder geval ontsmet worden, maar nu beginnen de problemen pas!

Halfreac,es We hebben gezien dat de reace van een metaal met zuur en de reace van een metaal met een niet-metaal redoxreaces zijn. In deze paragraaf gaan we dit type reaces nauwkeuriger bekijken en ontleden. Redoxreaces kun je beschrijven als de som van twee deelreaces: de halfreaces. We noemen deze reaces halfreaces omdat ze niet afzonderlijk van elkaar kunnen verlopen. Twee halfreaces vormen samen één totaalreace. Hier volgen twee voorbeelden. Voorbeeld 1: ijzer met zoutzuur (onderzoek 6.2.2) Gebruik bij redox reaces waarbij zuren zijn betrokken de notae H+ (ga dit na in tabel 48!). IJzer treedt op als reductor en de H+ deeltjes als oxidator. De totaalreace kun je afleiden door de halfreaces ‘bij elkaar op te tellen’:

Je bevindt je in leeuwengebied, en langzaamaan komt de zon al wat lager aan de hemel te staan. Hyena's, leeuwen en andere wilde dieren vormen vooral 's nachts een enorme bedreiging. Met bloedende wonden is de kans op overleven vrijwel nihil als er 's nachts geen vuur brandt. Er is genoeg droog materiaal, maar het vliegtuig was binnen een minuut na de crash alweer uitgebrand. Nu heb je spijt dat je niet snel een vuur hebt gemaakt. Met redoxreaces zijn er veel verschillende manieren om spontaan vuur te maken, maar je zit natuurlijk in de Afrikaanse Bush en niet in een laboratorium. Kun je met je kennis en de materialen die je na de vliegtuigcrash tot je beschikking hebt op jd zelf vuur maken? Reductoren en oxidatoren In de vorige paragraaf zagen we, dat er deeltjes zijn, die gemakkelijk een of meer elektronen kunnen afstaan. Deze deeltjes noemt men reductoren. Daarentegen zijn de oxidatoren de deeltjes die elektronen kunnen opnemen. In BINAS tabel 48 staat een overzicht van deze deeltjes. Vragen 1. In welke kolom van tabel 48 (reductoren of oxidatoren) vind je de metalen? 2. Beantwoord dezelfde vraag voor de metaalionen, niet-metalen en niet-metaal-ionen. 3. Maak naar aanleiding van vraag 1 en 2 een overzichtelijke tabel van deeltjes die als oxidator en reductor kunnen optreden.

red: ox:

Fe 2 H+ + 2 e-

Fe2+ + 2 eH2

tot:

Fe + 2 H+

Fe2+ + H2

Voorbeeld 2: aluminium met jood Bij het mengen van aluminium en jood is er geen verandering waar te nemen. Wordt een druppeltje water toegevoegd volgt er een heNige reace met vuurverschijnselen. Bij deze reace ontstaat alleen aluminiumjodide. Aluminium treedt op als reductor en jood als oxidator. In voorbeeld 1 vallen de elektronen links en rechts van de pijl tegen elkaar weg. Is dit niet het geval, dan moet je eerst de elektronen ‘kloppend’ maken: red: ox:

Al I2 + 2 e-

Al3+ + 3 e2 I-

tot:

2 Al + 3 I2

2 Al3+I-3

│x 2│ │x 3│

Onderzoek 6.3.3 (demo) Vuur maken Bekijk de demonstraeproef van de heNige reace van aluminium met jood of ga naar YouTube:

h2p:// www.youtube.com/ watch? v=R6bBs2D0cpA │6


§ 6.4 - Corrosie en metaalertsen 3e Survival Challenge: het radiobaken Zonder hulp zal je het niet lang overleven in de Afrikaanse bush. Het is waarschijnlijk het beste om bij het vliegtuigwrak te blijven en wachten op hulp. Maar hoe weten de hulpverleners waar het vliegtuig is neergestort? Een wrak van zo'n 10 meter lang opsporen in een gebied van 2000 vierkante kilometer is als zoeken naar een speld in een hooiberg. Het is dus verstandig om een noodsignaal uit te zenden. Je weet dat het radiobaken in het vliegtuig een signaal uit kan zenden, al is de accu van het vliegtuig door de vele kortsluingen helemaal leeg… maar daar vinden we ook wel wat op! Het radiobaken bevindt zich onder de vloer in de staart. Je hebt alleen geen gereedschap om de vloerplaten los te draaien. Verderop heb je wel wat restanten gevonden van een oud stroperskamp. Vooral de vergane blikjes zijn interessant. Je hebt op YouTube wel eens thermietreaces gezien, waarbij roest en aluminium wordt gebruikt. Je besluit de meest roesge blikjes fijn te stampen tot poeder, en aluminium los te schrapen van het vliegtuigframe. Je hoopt zo thermiet te maken en een bout uit de vloerplaat los te smelten om bij het radiobaken te kunnen komen...

Een andere manier om onedele metalen van zeer onedele metalen te onderscheiden is dat zeer onedele metalen als reductor kunnen reageren met water als oxidator. De snelheid van corrosie hangt gek genoeg niet alleen van de edelheid af. Een mooi voorbeeld daarvan is aluminium. Dit is een zeer onedel metaal en het reageert dan ook snel met zuurstof onder vorming van aluminiumoxide. Toch is aluminium een veel toegepast materiaal in de bouw en in de vliegtuigindustrie. Hoe zit dat? Het antwoord is simpel. Het aluminiumoxide hecht zich als een heel dun en transparant laagje aan het aluminium. Dat laagje is ondoordringbaar voor lucht. Door te corroderen 'verN' het aluminium zichzelf als het ware. Vragen 1. Geef de reacevergelijking voor het roesten van aluminium met halfreaces. 2. Noem de voordelen van aluminium als toepassing in de bouw en vliegtuigindustrie. 3. Zeer onedele metalen reageren met water. Maak een lijst van de zeer onedele metalen. Maak gebruik van tabel 48. Het meest toegepaste metaal is zonder enige twijfel ijzer. IJzer is goedkoop, maar heeN echter één groot nadeel: het roest vrij gemakkelijk en in tegenstelling tot het metaal aluminium bladdert het roestlaagje vrolijk af, waardoor het roestproces kan blijven doorgaan. 4. Ga na welke methoden de auto industrie toepast om ijzer te beschermen tegen roesten. Maak gebruik van internet bronnen. 5. Bij de Hoogovens (Corus) maakt men roestvrij staal. Ga na hoe roestvrij staal gemaakt wordt. Maak gebruik van internet bronnen.

Corrosie en edelheid Van ijzer is bekend dat het kan roesten. In de scheikunde noem je dat corroderen. Het ene metaal corrodeert sneller dan het andere metaal. Dat hangt onder meer af van de edelheid. De edelheid van een metaal is eigenlijk niet veel anders dan een aanduiding van de reductorsterkte van dat metaal. De edele metalen (goud, plana en zilver) corroderen onder normale omstandigheden niet. Half-edele metalen (koper en kwik) reageren alleen met zuurstof bij hogere temperaturen (> 200°C). Onedele metalen (de rest) oxideren langzaam, en zeer onedele metalen (bv. natrium en kalium) oxideren snel.

Opofferingsmetaal Er zijn verschillende manieren om een onedel metaal zoals ijzer te beschermen tegen corrosie. Veelal wordt een beschermende laag toegepast, maar met name in de scheepvaart wordt een fundamenteel andere manier van beschermen toegepast. Een opofferingsmetaal is een metaal dat een sterkere reductor (onedeler) is dan het metaal waarmee het contact heeN. Het principe van opofferingsmetaal is dat dit metaal oxideert in plaats van het metaal waarmee het contact heeN. Het principe komt overal voor waar construces van ferrometalen in een nat milieu corroderen. │ 10


§ 6.5 - Organische reductoren 4e Survival Challenge: een zieke piloot Het blijkt dat de piloot van het vliegtuig diabetes (suikerziekte) heeN. Behalve suikervrije kauwgum, een voorraad kleine suikerzakjes en zoutzakjes, vier pakken crackers, twee zakken chips, een fles cola, een halve fles whisky en een jerrycan met water is er niets te eten en te drinken. Het meeste voedsel dat je de piloot kunt aanbieden bevat dus veel koolhydraten. Zijn voorraad insuline is echter verloren gegaan bij de crash. Uit het Survival Handbook weet je dat een klein beetje azijn een posieve invloed heeN op de bloedsuikerspiegel, maar hoe kom je aan azijn? Alcoholen als reductor Alcoholen kunnen reageren als reductor. Als de -OH groep gebonden is aan een -CH2 groep dan spreekt men van een primair alcohol (1). Is de -OH groep gebonden aan een -CH groep dan spreekt men van een secundair alcohol (2). Is de -OH groep tot slot gebonden aan een -C groep dan spreekt men van een terair alcohol (3). In dit laatste geval is het koolstofatoom, waaraan de -OH groep gebonden is, zelf weer gebonden aan drie andere koolstofatomen.

Vragen Ethanol kan worden geoxideerd tot azijnzuur (ethaanzuur) met behulp van een aangezuurde kaliumpermanganaat oplossing. 1. Geef de halfreace voor de oxidae van ethanol tot ethanal weer in structuurformules. 2. Geef de halfreace voor de oxidae van ethanal tot azijnzuur (ethaanzuur) weer in structuurformules. 3. Geef de oxidae van ethanol tot azijnzuur (ethaanzuur) weer in één halfreace. 4. Geef de halfreace voor een aangezuurde kaliumpermanganaat oplossing als oxidator. 5. Geef de oxidae van ethanol tot azijnzuur (ethaanzuur) door aangezuurd kaliumpermanganaat weer in één reacevergelijking. Een secundair alcohol wordt door een oxidator omgezet in een keton.

propaan-2-ol

propanon Primaire, secundaire en teraire alcoholen reageren ieder op een andere wijze met (sterke) oxidatoren. Een primair alcohol wordt door een (sterke) oxidator omgezet in een aldehyde. Bijvoorbeeld de oxidae van propaan-1-ol tot propanal:

Het aldehyde dat ontstaat na oxidae van een primair alcohol kan zelf weer worden omgezet in een alkaanzuur. Voor deze reace is echter wel de aanwezigheid van water noodzakelijk. In onderstaand voorbeeld wordt het bij de vorige halfreace gevormde propanal verder geoxideerd tot propaanzuur:

6. Geef de halfreace voor de oxidae van propaan-2-ol tot propanon weer in structuurformules. 7. Leg uit waarom een keton niet verder kan worden geoxideerd tot een alkaanzuur. 8. Leg uit waarom een terair alcohol niet kan worden omgezet tot een keton. De Survival Challenge Lukt het jou om de zieke piloot beter te maken? Ga de Survival Challenge aan via onderstaande weblink naar paragraaf 5.7 van de E-klas Survival in de Afrikaanse bush. www.e-klassen.nl/portal/site/Portal%20Survival% 20in%20de%20Afrikaanse%20Bush/page/0cd20]6 -69c4-4485-9d99-4de5adfa77]

│ 12


§ 6.6 - Elektrochemische cellen 5e Survival Challenge: een ba<erij 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 kortsluing niet meer werkt. Het in het baken ingebouwde noodba2erijtje 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 deze paragraaf leren hoe je zelf een make-shiN ba2erij kunt bouwen om het radiobaken van stroom te voorzien, zodat je toch een noodsignaal kunt uitzenden. Energie en energieomze=ngen We gebruiken energie bij alles wat we doen. Daarbij gaat aljd een bepaalde vorm van energie (chemische energie uit voedsel, fossiele brandstof) over in een of meer andere vormen van energie, warmte, licht of beweging. De totale hoeveelheid energie blijN daarbij onveranderd. Je zou dus kunnen zeggen, dat de energie behouden blijN, maar dat is slechts de helN van de waarheid. De energie die ontstaat, is aljd minder bruikbaar dan de energie waarmee je begon. Warmte-energie is maar voor een deel om te ze2en in andere energievormen. Lauwe warmte is helemaal onbruikbaar. Zelfs hete stoom, die in stoomturbines wordt gebruikt voor elektriciteitsopwekking, levert minder dan de helN aan elektrische energie. Hoe meer energie we gebruiken, des te meer hoogwaardige, goed bruikbare energie overgaat in laagwaardige, soms zelfs waardeloze energie. Chemische en elektrische energie zijn hoogwaardige vormen van energie. Elektrische energie opwekken We kunnen elektriciteit op verschillende manieren opwekken. De belangrijkste daarvan is de dynamo. De dynamo is veelzijdig en kan voor grote vermogens (elektriciteitscentrales) gebruikt worden. Het rendement van een dynamo kan heel hoog zijn. Als de energiebron voor de bewegingsenergie ook nog duurzaam is, zoals bij windmolens, heb je heel groene energie. De meeste dynamo’s in elektriciteitscentrales worden echter nog aangedreven door kolengestookte stoomturbines. Dat is geen groene stroom. In een elektriciteitscentrale wordt: • • • •

brandstof verbrand, met deze warmte hete stoom gemaakt, daarmee bewegingsenergie opgewekt, en daarmee weer elektriciteit geproduceerd.

Vragen 1. In welke stap van brandstof naar elektrische energie gaat ongeveer de helN van de energie “verloren”? 2. Energiecentrales produceren veel restwarmte. Hoe kun je de restwarmte benu2en? Ken je een toepassing? 3. Hoe groot schat jij het rendement bij de verbrandingsmotor in een bromfiets of auto? Waaraan kun je merken dat het rendement niet heel hoog is?

Wat is een ba<erij of accu? Als er geen stopcontact in de buurt is, ben je aangewezen op een ba%erij of accu. Hierin wordt chemische energie direct omgezet in elektrische energie. Ba2erijen waren lange jd niet populair, ze waren zwaar, snel leeg en erg milieuonvriendelijk. Je gebruikte ze hooguit voor zaklantaarns. Als je ba2erijen niet op jd verving, gingen ze lekken en vernielden je apparaat. Ba2erijen van vroeger beva2en vaak zeer giNige zware metalen als kwik en cadmium. Lege ba2erijen werden tot voor kort gewoon weggegooid en zorgden voor veel overlast. Vragen Chemische en elektrische energie zijn twee energievormen, waarvoor we niet gewaarschuwd worden door onze zintuigen. Voor elektriciteit hebben we spanning- en stroommeters. Voor chemische energie bestaan helemaal geen meters. 4. Verklaar op microniveau dat er bij een chemische reace een energie-effect is: dat er energie kan vrijkomen of kan worden opgenomen. 5. HeeN een stevige stabiele stof als beton een hoge of een lage energie-inhoud? │ 13


§ 6.7 - Oplaadbare batterijen De eerste praksch toepasbare herlaadbare accu op basis van lood en zuur werd in 1859 ontwikkeld door de Franse uitvinder Gaston Planté. Dit principe wordt nog steeds gebruikt in auto-accu's. De loodaccu bestaat uit een zwavelzuuroplossing met daarin, vóór het laden, twee loodplaten, die beide bedekt zijn met een laagje van het onoplosbare loodsulfaat (PbSO4) . Sluiten we de plusen de minpool aan op een gelijkspanning, dan wordt de accu opgeladen via de volgende halfreaces:

De pluspool kan uit verschillende materialen bestaan. Meest voorkomende types zijn lithiumkobalt, lithium-mangaan en lithium-ijzer-fosfaat. Tussen de elektroden zit een watervrij elektrolyt: een lithium-zout in een oplosmiddel. Het oplosmiddel moet watervrij zijn om de vorming van waterstof te voorkomen.

PbSO4 + 2 H2O PbO2 + SO42- + 4 H+ + 2 ePbSO4 + 2 e- Pb + SO42Zowel lood als lood(IV)oxide zijn onoplosbaar. Het laagje loodsulfaat op de pluspool wordt dus omgezet in het bruine lood(IV)oxide, terwijl aan de minpool uit het loodsulfaat lood gevormd wordt. Als al het loodsulfaat is omgezet, kan de accu gebruikt worden als stroombron. Tijdens het stroom leveren neemt het lood(IV)oxide elektronen op en het lood staat elektronen af: PbO2 + SO42- + 4 H+ + 2 e- PbSO4 + 2 H2O Pb + SO42- PbSO4 + 2 eDe reaces jdens laden en ontladen zijn elkaars tegengestelde en alle vaste stoffen blijven op hun plaats. De accu kan na het ontladen dus steeds weer opnieuw geladen worden. Lithium-ion accu’s Li-ion accu’s zijn in eerste instane bekend geworden door toepassing in laptops en mobiele telefoons. Inmiddels worden varianten breed toegepast in elektrische auto’s. Door de relaef hoge energiedichtheid heeN het beschikbaar komen van Li-ion accu’s gezorgd voor de huidige doorbraak van elektrische auto’s. Er bestaan zeer veel soorten Li-ion accu’s. Lithium vormt in alle varianten de basis, maar de toegepaste chemische samenstelling varieert sterk. In de laboratoria van fabrikanten en onderzoeksinstellingen wordt volop gezocht naar mogelijkheden om de Li-ion accu nog verder te verbeteren. Regelmag halen nieuwe ontwikkelingen nieuws, waarbij een toekomst wordt geschetst waarin elektrische auto’s net zo ver zullen kunnen rijden als convenonele auto’s. Het zal echter nog enkele jaren duren voordat deze technologieën beschikbaar komen in een nieuwe generae elektrische auto’s. In de lithium-ion accu is de minpool vaak grotendeels van koolstof met daarin lithium.

Laden en ontladen De oplaadbare lithium-ion-accu moet niet worden verward met de niet-oplaadbare lithiumba2erij. Bij het laden of ontladen van de lithium-ion-accu beweegt dat het Li+ ion zich van de ene naar de andere pool van de ba2erij, door het elektrolyt heen (zie figuur hierboven). Bij het ontladen wordt er lithium uit de minpool (anode) on2rokken en in de pluspool (kathode) gebracht. Bij het laden gaat dat precies andersom. De halfreaces: Li+ + e- Li LiCoO2 CoO2 + Li+ + eVragen 1. Bekijk nog even de halfreaces in de loodaccu. Leg uit waarom je bij een loodaccu niet hoeN te werken met gescheiden comparmenten. 2. Leg aan de hand van de reacevergelijkingen in een loodloodaccu uit welke factoren ertoe bijdragen dat de loodaccu wel goed oplaadbaar is. 3. Aan welke criteria moet een oplaadbare ba2erij dus voldoen? In lithion-ion accu’s worden watervrije oplossingen gebruikt als elektrolyt. Dit is om een zeer ongewenste redoxreace te voorkomen: de reace van de lithiumatomen met water. 4. Stel met behulp van halfreaces de vergelijking op voor de reace van lithium met water. │ 17


§ 6.8 - De brandstofcel Een ba2erij waarin de reagerende bestanddelen jdens de werking kunnen worden aangevoerd is de brandstofcel. Deze bestaat uit een poreuze plusen minpool met daartussen een elektrolyt laag. In schema:

De negaeve elektrode 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 posieve elektrode toegevoerd wordt. De oxidae- en reducereaces vinden plaats aan verschillende elektroden. Door een stroomkring aan te brengen kan elektrische energie on2rokken worden aan de reaces. 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 geeN een spanning van ca. 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 alternaef voor de huidige verbrandingsmotor. Uit onderzoek blijkt dat het uitrusten van het huidige wagenpark in Nederland met brandstofcellen zorgt voor een emissiereduce van 14 megaton CO2 per jaar! Vragen

De Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) is een brandstofcel werkend met methanol als brandstof. De DMFC wordt gevoed met 25% methanol in water, in plaats van waterstof. Deze elektrochemische cel wordt een bio-brandstofcel genoemd.

3. Geef de vergelijking van de halfreace voor de omze8ng van methanol tot koolstofdioxide. Behalve de formules van de genoemde stoffen komen in de vergelijking nog e–, H+ en H2O voor. 4. Geef de vergelijking van de halfreace voor de omze8ng van zuurstof tot water in zuur milieu. 5. Leidt met behulp van vraag 4 en 5 de totaalvergelijking af. Vergeet niet deeltjes voor en na de pijl ‘tegen elkaar weg te strepen’. 6. Leg uit wat jdens de stroomlevering de posieve en de negaeve elektrode is. Tenslo<e… De Survival Challenge! Lukt het je om het radiobaken van stroom te voorzien, zodat je toch een noodsignaal kunt uitzenden? Ga de Survival Challenge aan via onderstaande weblink naar paragraaf 6.7 van de E-klas Survival in de Afrikaanse bush. www.e-klassen.nl/portal/site/Portal%20Survival% 20in%20de%20Afrikaanse%20Bush/page/0cd20]6 -69c4-4485-9d99-4de5adfa77]

In de meeste brandstofcellen is waterstof de reductor en zuurstof de oxidator. Als elektrolyt wordt verdund zwavelzuur of kaliloog gebruikt. 1. Stel met behulp van de halfreaces totaalvergelijking op bij gebruik van verdund zwavelzuur als elektrolyt. 2. Dezelfde vraag maar met kaliloog als elektrolyt.

│ 18


§ 6.9 - De bereiding van metalen Laatste Survival Challenge: ontsme=ng gezocht! Je hebt uiteindelijk een noodsignaal uitgezonden. Maar de jd begint te dringen. Je hand is flink verwond jdens de crash en begint te ontsteken. Je weet dat in de tropen ontstekingen erg snel kunnen verslechteren. BloedvergiNiging en koudvuur liggen op de loer. Een ontstoken vinger kan al binnen twee dagen dodelijk worden. Je moet de hand blijven ontsme2en, maar je ontsme8ngsmiddelen uit de EHBO doos zijn inmiddels op. Als je niet snel je hand kunt ontsme2en ben je misschien wel dood vlak voordat je gered wordt! Je weet dat chloorwater ontsmet als geen ander. Chloor is een vluchge stof die helaas niet in het wrak aanwezig is. Je beseN dat als je redoxreaces ook zou kunnen laten verlopen tegen de potenaal in, je van chloride-ionen (uit de zoutzakjes) chloor kunt maken. Terwijl je hierover hardop aan het denken bent, mompelt de piloot iets over elektrolyse...en zakt weer buiten bewustzijn.

Door stroom door een oplossing te sturen, kunnen zwakke oxidatoren en reductoren wel met elkaar reageren. Elektrolyse noemen we ook wel een gedwongen redoxreace. Voor een elektrolyse heb je nodig:

Winning van metalen uit metaalertsen De meeste metalen komen niet ´vrij´ in de natuur voor, maar als verbinding. Deze verbindingen noemt men ook wel értsen´. Deze metaalertsen worden gedolven en hieruit worden de metalen gewonnen. Er zijn twee manieren om dit te doen. Beide manieren zijn chemische processen, die we in deze paragraaf allebei zullen bespreken. Het gemeenschappelijk uitgangspunt is daarbij, dat de in de metaalertsen aanwezige metaalionen moeten worden omgezet in ongeladen metaal atomen. Bij het omze8ngsproces vindt dus een elektronen overdacht plaats. De metaalionen worden ´gereduceerd´ tot metaalatomen.

Aantastbare en onaantastbare elektroden Zowel bij een elektrochemische cel als elektrolyse maakt het uit van welk materiaal de elektroden gemaakt zijn. Dit is bijvoorbeeld het geval bij de Daniel cel uit de vorige paragraaf. Op de koper elektrode wordt koper gevormd (wordt zwaarder) en de zink elektrode zal in massa afnemen en deels verloren gaan. Dit noemen wij aantastbare elektroden. Onaantastbare elektroden zijn van plana en koolstof, deze twee materialen kunnen niet reageren als reductor of oxidator. Deze elektroden zijn dus het meest geschikt en het meest gebruikt bij elektrolyse.

Elektrolyse Elektrolyse is een scheikundige methode waarbij verbindingen met behulp van gelijkstroom worden ontleed tot elementen. In 1832 ontdekte Michael Faraday dat in een zoutoplossing stoffen ontleed worden als er een elektrische stroom doorheen gestuurd wordt en dat die ontleding acankelijk is van de stroom. Het te ontleden zout wordt opgelost of gesmolten, zodat de ionen vrij kunnen bewegen. In de oplossing worden twee elektroden geplaatst, die worden aangesloten op een spanningsbron van 6 tot 20 V. Hierdoor zullen posieve ionen naar de minpool bewegen en negaef geladen ionen naar de pluspool. Bij de polen worden de ionen ontladen. Bij elektrolyse worden de oxidatoren en reductoren, die niet spontaan met elkaar kunnen reageren, gedwongen tot een reace.

• • •

een oplossing van een elektrolyt of gesmolten zout een spanningsbron die gelijkstroom levert twee elektroden verbonden met de plus en de minpool van de spanningsbron

Aan de negaeve elektrode reageert de sterkste oxidator. Aan de posieve elektrode reageert de sterkste reductor. Houd er bij de elektrolyse van een waterige oplossing rekening mee dat water zowel de sterkste reductor als de sterkste oxidator kan zijn. Dit is het geval bij oplossingen waarin zich een zeer zwakke reductor en/of oxidator aanwezig is.

Toepassingen In de industrie wordt elektrolyse op grote schaal toegepast om metalen te winnen uit mineralen en om de metalen te zuiveren. Daarnaast is het galvaniseren van metalen objecten een toepassing van elektrolyse in de prakjk. Zout elektrolyse wordt inmiddels vaak gebruikt in zwembaden voor het aanmaken van chloor voor desinfece. Winning van metalen Aluminium wordt gewonnen uit bauxiet. Dit aluminiumerts bestaat voor een groot deel uit aluminiumhydroxide; daarnaast bevat het, acankelijk van de oorsprong, ook verbindingen van tanium, ijzer en silicium. Bauxiet wordt eerst omgezet in aluminiumoxide. Vervolgens wordt gesmolten aluminiumoxide door elektrolyse omgezet in aluminium en zuurstof. │ 19


§ 6.10 - Redox titraties Onderzoek 6.10.12 Chloorgehalte in Glorix Inleiding Jaarlijks krijgen zo'n 2 miljoen mensen in Nederland een voedselinfece. Meer dan de helN van hen loopt de infece in hun eigen keuken op. Een goede hygiëne in huis is dus erg belangrijk. Vuil ligt overal op de loer. De onzichtbare vijand van hygiëne in huis moet dan ook krachg worden bestreden. Het bekende chloorbleekmiddel Glorix wordt wereldwijd verkocht.

Bleekwater bevat natriumhypochloriet en natriumchloride. Het aceve bestanddeel is hypochloriet. Het "werkzaam chloor" is het chloor dat vrij komt bij de reace met verdund sterk zuur. Let op: chloor is giNig!

in een bekerglas van 100 mL en voeg achtereenvolgens 15,0 mL 0,10 M kaliumjodide en 10,0 mL 1 M zoutzuur toe. Titreer met 0,1 M thio tot lichtgeel. Voeg vervolgens 2 à 3 mL zetmeeloplossing en treer tot kleurloos. Verwerking Het 'werkzaam chloor' in bleekwater wordt bij deze trae eerst 'omgezet' in jood. Deze werkwijze wordt een ‘indirecte’ trae genoemd. 1. Leg uit wat bedoeld wordt met de opmerking dat chloor wordt ‘omgezet’ in jood. 2. Stel m.b.v. halfreaces de vergelijking op voor de reace van chloor met jodide. 3. Het gehalte werkzaam chloor staat op de fles met bleekwater (meestal 40 g L-1). Bereken hoeveel gram kaliumjodide je ten minste moet toevoegen om de hoeveelheid werkzaam chloor in 2,0 gram bleekwater volledig te kunnen omze2en. 4. Stel m.b.v. halfreaces de reacevergelijking op voor de reace van jood met 'thio'. 5. Vlak voor het eindpunt van de trae wordt een scheutje zetmeeloplossing toegevoegd. Welke kleuromslag wordt daardoor bij het eindpunt van de trae waargenomen? 6. Bereken met behulp van de buretstanden het gemiddelde aantal mmol 'thio', dat bij de trae is verbruikt en bereken het aantal mmol jood, dat met 'thio' heeN gereageerd. 7. Bereken tot slot het massapercentage werkzaam chloor in bleekloog.

OCl‾(aq) + Cl‾(aq) + 2 H+(aq) → Cl2(aq) + H2O(l)

Het chloor laat je daarna reageren met jodide: 2 I-(aq) + Cl2(aq) → I2(aq) + 2 Cl-(aq) Het jood wordt daarna getreerd met 0,1 M natriumthiosulfaat. Hierbij treedt de volgende redox reace op: 2 S2O32-aq) + I2(aq) → S4O62-aq) + 2 I‾(aq) Onderzoeksvraag Wat is het chloorgehalte in Glorix? Werkwijze Bepaal door wegend treren het werkzaam chloorgehalte in Glorix. Spuit hiertoe een plasc spuit met verdunde Glorix voor ongeveer ¾ leeg │ 22


§ 6.11 - Proefwerkopgaven Vuilverbranding PVC of polyvinylchloride is een veelvuldig toegepaste kunststof en is goedkoop en eenvoudig te bewerken. Na de 2e wereldoorlog heeN het gebruik van PVC een grote vlucht genomen in het dagelijks leven. Toepassingsvoorbeelden van PVC in het huishouden zijn vinylbehang en vloerbedekking zoals zeil. In de bouwen auto-industrie wordt PVC veelvuldig toegepast in construces, riolering, coangs, dashboards en vloeren.

Reace 2 is een redoxreace, waarbij CuCl als reductor optreedt. 1. Leg uit welke deeltjes uit CuCl (de koperdeeltjes of de chloordeeltjes of beide soorten deeltjes) bij deze reace als reductor optreden. Verwerk in je uitleg de ladingsverandering(en) van de deeltjes. Proces 2 Bij dit proces om PVC te verwerken, wordt het gevormde HCl opgelost in water. Het gevormde zoutzuur wordt vervolgens geëlektrolyseerd. Hierbij ontstaan waterstof en chloor. 2. Geef de reacevergelijking die plaatsvindt aan de + pool. 3. Geef de reacevergelijking die plaatsvindt aan de − pool.

Er bestaat nog geen economisch rendabel proces om PVC te recyclen tot bruikbaar nieuw PVC. Verbranden van PVC in vuilverbrandingsinstallaes heeN nadelige gevolgen. Deze nadelige gevolgen hangen onder andere samen met de vorming van HCl. PVC niet verbranden, maar storten op vuilstortplaatsen is geen alternaef, omdat PVC niet biologisch a]reekbaar is. Het storten leidt op den duur tot een enorme hoeveelheid afval. PVC verbranden en het gevormde HCl verder verwerken lijkt daarom voorlopig de beste oplossing. In het vervolg van deze opgave komen twee verschillende processen aan de orde waarin PVC wordt verbrand en het gevormde HCl verder wordt verwerkt.

Ky-auto Personenauto's die op benzine rijden, produceren koolstofdioxide. In december 1997 is in Kyoto (Japan) afgesproken dat in 2012 de hoeveelheid koolstofdioxide per gereden km gemiddeld met minstens 40% moet zijn teruggebracht. Daarom doet de auto-industrie uitgebreide research om de uitstoot van koolstofdioxide te verlagen. Eén van de onderzoeken richt zich op een auto uitgerust met een elektromotor. De elektrische stroom voor de elektromotor wordt geleverd door een zogenoemde directe methanol-brandstofcel. In fig. 1 is de directe methanol-brandstofcel schemasch weergegeven. In het vervolg van deze opgave duiden we zo’n cel kortweg aan met ‘brandstofcel’.

Proces 1 Dit reeds lang bestaande proces maakt gebruik van vast koperoxide, CuO. In een reactor laat men HCl bij 400 oC met CuO reageren. Bij deze reace ontstaan onder andere waterdamp en chloorgas. De vergelijking van de reace is: 2 CuO + 4 HCl 2 CuCl + 2 H2O + Cl2

(reac,e 1)

Wanneer het grootste gedeelte van het CuO is omgezet, wordt het inleiden van HCl gestopt en wordt lucht in de reactorruimte geleid. Bij de reace die dan plaatsvindt, ontstaat weer CuO. Tevens ontstaat chloorgas. De reacevergelijking is: 2 CuCl + O2 2 CuO + Cl2

(reac,e 2)

In comparment I van de brandstofcel wordt een mengsel van methanol en water geleid. In comparment II wordt zuurstof (lucht) geleid. Aan de poreuze plana-elektrode EI wordt methanol omgezet in koolstofdioxide. Koolstofdioxide en waterdamp worden uit de brandstofcel afgevoerd. │ 23

Module 6. Survival in de Bush. In deze module maak je kennis met reductoren en oxidatoren, hun eigenschappen en reac es

Recommend Documents