Curie BNG Hoofdstuk 11 Redoxreacties Redoxreacties Curie Hoofdstuk 11 HAVO 5 Curie BNG Hoofdstuk 11 Redoxreacties §11 1 Wat zijn redoxreacties? §11.1 §11 2 Voorspellen van redoxreacties §11.2 §11 3 Elektrische stroom uit reacties §11.3 §11 4 Corrosie §11.4 §11 5 Elektrolyse §11.5 §11 6 Metaalwinning §11.6 Curie BNG Hoofdstuk 11 Redoxreacties §11.1 Wat zijn redoxreacties? Curie Hoofdstuk 11 Redoxreacties Wat zijn Redoxreacties? Red-Ox → komt van Reductor – Oxidator Reductor → reduceert = staat elektronen af Oxidator → oxideert = neemt elektronen op Een redoxreactie is een reactie waarbij elektronen worden overgedragen van de reductor naar de oxidator. BNG Curie BNG Hoofdstuk 11 Redoxreacties Wat zijn Redoxreacties? Een redoxreactie is een reactie waarbij elektronen worden overgedragen van de reductor naar de oxidator oxidator. e- Reductor + oxidator → ……… Curie BNG Hoofdstuk 11 Redoxreacties Wat zijn Redoxreacties? Een redoxreactie is opgebouwd uit twee halfreacties, namelijk: • de reactie die elektronen afstaat • de reactie die elektronen opneemt Welke halfreacties g gaan er bijvoorbeeld j schuil achter de verbranding van Magnesium tot magnesiumoxide? Curie BNG Hoofdstuk 11 Redoxreacties Metalen en niet-metalen Welke halfreacties gaan er bijvoorbeeld schuil achter de verbranding g van Magnesium g tot magnesiumoxide? g 2 Mg + O2 → 2 MgO In MgO heeft zuurstof lading 2- (O2-) en magnesium 2+ (Mg2+). Blijkbaar heeft Mg twee elektronen afgestaan, terwijl zuurstof er twee heeft opgenomen Curie BNG Hoofdstuk 11 Redoxreacties Metalen en niet-metalen Welke halfreacties gaan er bijvoorbeeld schuil achter de verbranding g van Magnesium g tot magnesiumoxide? g 2 Mg + O2 → 2 MgO Mg → Mg2+ + 2 e- (vorming van magnesiumionen) O2 + 4 e- → 2 O2- (vorming van oxide ionen) De Mg-atoom is de reductor (staat af) en O-atoom is de oxidator id t (neemt op) Curie BNG Hoofdstuk 11 Redoxreacties Metalen en niet-metalen 2x Mg → Mg2+ + 2 eO2 + 4 e- → 2 O2- + 2 Mg + O2 + 4 e- → 2 Mg2+ + 2 O2- + 4 e2 Mg + O2 → 2 Mg2+ + 2 O24 e- 2 Mg + O2 → 2 MgO Curie Hoofdstuk 11 Redoxreacties Halogenen en halogenide-ionen Doe oplossingen van KBr en Cl2 bij elkaar. De oplossing wordt bruin bruin, er wordt Br2 gevormd. gevormd Dat kan alleen als de Br- elektronen afstaat, zodat Br2 gevormd kan worden. g 2 Br- → Br2 + 2 e- (bromide is reductor) Maar welke stof neemt de elektronen op? Cl2 + 2 e- → 2 Cl- (chloor is oxidator) BNG Curie BNG Hoofdstuk 11 Redoxreacties Halogenen en halogenide-ionen 2 Br- → Br2 + 2 eCl2 + 2 e- → 2 Cl2 Br- + Cl2 → Br2 + 2 Cl2 eVoor de reactie Reactievergelijking Na de reactie Cl2((aq) q) K+(aq), Br-(aq) H2O(l) 2 Br- + Cl2 → Br2 + 2 Cl- Br2((aq) q) K+(aq), Cl-(aq) H2O(l) K+ ionen i d doen niet i t mee mett d de reactie ti en zijn dus tribune-ionen Curie BNG Hoofdstuk 11 Redoxreacties Halogenen en halogenide-ionen Cl2 reageert wel met Br-, maar omgekeerd Br2 reageert niet met Cl-. Maar Br2 reageert weer wel met I-. Cl2 > Br2 > I2 Hier betekent ‘>’ dus ‘reageert beter dan’ of ‘ ‘neemt t beter b t elektronen l kt op’’ Chloor, Cl2 is de sterkere reductor Curie BNG Hoofdstuk 11 Redoxreacties Halogenen en halogenide-ionen Maar voor het afstaan van elektronen geldt precies het omgekeerde: I- > Br- > Cl- Hier betekent ‘>’ dus ‘staat makkelijker elektronen af’ Jodide, I- is de sterkere oxidator Curie BNG Hoofdstuk 11 Redoxreacties Halogenen en halogenide-ionen F2 F- Cl2 Cl- Br2 I2 Toenemende oxidatorsterkte BrI- Waarom???? Toenemende reductorsterkte Curie Hoofdstuk 11 Redoxreacties Halogenen en halogenide-ionen Waarom verschillen in oxidator/reductor sterkte? Bij I- zit de buitenste valentie elektron veel verder van de kern van het atoom dan bij F-, daardoor veel losser en makkelijker te verwijderen. I- staat makkelijker af, dus sterkere reductor. F2 bestaat uit veel kleinere F F-atomen atomen en dus valentie elektronen zullen dichter bij de kern komen te zitten en dus steviger ste ge aa aangetrokken get o e worden, o de , dus ste sterkere eeo oxidator. dato BNG Curie BNG Hoofdstuk 11 Redoxreacties Metalen en metaal-ionen Zet een metalen spijker in een koper(II)sulfaat oplossing. Wat gebeurt er? Er ontstaat een rode aanslag op de d spijker, ijk dit iis koper. k Curie BNG Hoofdstuk 11 Redoxreacties Metalen en metaal-ionen Er ontstaat een rode aanslag op de spijker, dit is koper. Blijkbaar is de Cu2+ in de koper(II)sulfaat omgezet in koper. Cu2+ + 2 e- → Cu C C Hiervoor zijn elektronen nodig en die kunnen alleen van het ijzer zijn gekomen. Fe → Fe2+ + 2 e- Curie BNG Hoofdstuk 11 Redoxreacties Metalen en metaal-ionen Cu2+ + 2 e- → Cu Fe → Fe2+ + 2 eFe + Cu2+ → Cu + Fe2+ 2 eVoor de reactie Fe(s) ( ) Cu2+(aq), SO42-(aq) H2O(l) Reactievergelijking Fe + Cu2+ → Cu + Fe2+ Na de reactie Cu(s) ( ) Fe2+(aq), SO42-(aq) H2O(l) 2 ionen SO42i d doen niet i t mee mett d de reactie ti en zijn ij dus d ttribune-ionen ib i Curie BNG Hoofdstuk 11 Redoxreacties Metalen en metaal-ionen Breng koperkrullen in een zilvernitraatoplossing. Wat gebeurt er? Er ontstaat een g grijze j aanslag g op de spijker, dit is zilver. Curie BNG Hoofdstuk 11 Redoxreacties Metalen en metaal-ionen Er ontstaat een grijze aanslag op de spijker, dit is zilver. Blijkbaar is de Ag+ in de zilvernitraat omgezet in zilver. Ag+ + e- → Ag A A Hiervoor zijn elektronen nodig en die kunnen alleen van het koper zijn gekomen. Cu → Cu2+ + 2 e- Curie BNG Hoofdstuk 11 Redoxreacties Metalen en metaal-ionen 2x Ag+ + e- → Ag Cu → Cu2+ + 2 e- Cu + 2 Ag g+ → Cu2+ + 2 Ag g 2 eVoor de reactie Cu(s) ( ) Ag+(aq), NO3-(aq) H2O(l) Reactievergelijking Cu + 2 Ag+ → 2 Ag + Cu Na de reactie 2+ Ag(s) g( ) Cu2+(aq), NO3-(aq) H2O(l) NO3- ionen i d doen niet i t mee mett d de reactie ti en zijn ij dus d ttribune-ionen ib i Curie BNG Hoofdstuk 11 Redoxreacties Metalen en metaal-ionen Metalen kunnen elektronen afstaan, hierdoor ontstaan positieve metaalionen. Metalen zijn p j dus reductoren. De metaalionen kunnen weer elektronen opnemen, het zijn dus oxidatoren. Ook bij metalen is sprake van reductor en oxidator sterkte. Een edelmetaal staat moeilijk elektronen af (zwakke reductor) en zal dus niet snel geoxideerd worden worden. IJzer roest snel, goud duidelijk niet!!! (IJzer is onedel, goud is edel) Curie BNG Hoofdstuk 11 Redoxreacties Metalen en metaal-ionen Ook bij metalen is sprake van reductor en oxidator sterkte. Voorbeeld van de Cu-krullen in AgNO3 opl: Zilver is een sterkere oxidator dan koper, het neemt sneller elektronen op, koper is een sterkere reductor en staat dus makkelijker elektronen af. We zeggen: Zilver is edeler dan koper. Een onedel metaal staat makkelijker elektronen af. Curie BNG Hoofdstuk 11 Redoxreacties §11.2 Voorspellen van redoxreacties Curie BNG Hoofdstuk 11 Redoxreacties Voorspellen van redox reacties Twee reacties uit 11.1: 2 → Cu F + Cu Fe C 2+ C + Fe2+ 2 e- (Spijker in CuSO4 oplossing) Cu2+ neemt 2 elektronen op op, Cu2+ is oxidator Cu + 2 Ag+ → Cu22+ + 2 Ag (Koperkrullen in AgNO3 oplossing) 2 eCu staat 2 elektronen af af, Cu is reductor Cu/Cu2+ noemen we een REDOXKOPPEL Curie BNG Hoofdstuk 11 Redoxreacties Voorspellen van redox reacties Redoxkoppels Ared + Box → Aox + Bred .. e- Ared staat .. elektronen af en vormt Aox Box neem .. elektronen op en vormt Bred Ared/Aox en Bred/Box zijn ij REDOXKOPPELS Curie BNG Hoofdstuk 11 Redoxreacties BINAS Tabel 48 - Redoxkoppels OX Voorspellen van redox reacties RED Sterkere St k oxidator Indien de oxidator hoger staat dan de reductor dan volgt l een Redox R d reactie. i Sterkere reductor Curie BNG Hoofdstuk 11 Redoxreacties Voorspellen van redox reacties V Voorbeeld: b ld Koperkrullen Cu in AgNO3 oplossing (= Ag+ ionen) Koperkrullen, Cu → Cu2+ + 2 e2 Ag g+ + 2 e- → 2 Ag g Cu + 2 Ag+ → Cu2+ + Ag Ox hoger dan Red → reactie Curie BNG Hoofdstuk 11 Redoxreacties Voorspellen van redox reacties Nu omgekeerd: Zil erkr llen Ag in Cu(NO Zilverkrullen, C (NO3)2 oplossing (= Cu C 2+ ionen) Ox lager g dan Red → GEEN reactie Curie BNG Hoofdstuk 11 Redoxreacties Voorspellen van redox reacties Nog één: IJzer in zuur (Fe in H+) Ox hoger dan Red → reactie 2 H+ + 2 e- → H2 (g) Fe → Fe2+ + 2 eFe + 2 H+ → Fe2+ + H2 Curie Hoofdstuk 11 Redoxreacties Redoxreacties opstellen Als je de halfreacties hebt dan stel je de totaalvergelijking als volgt op: 1. Maak de aantallen opgenomen en afgestane elektronen aan elkaar gelijk gelijk, door de coëfficiënten te vermenigvuldigen. 2. Streep p de elektronen weg. g 3. Tel de reacties op. 4. Streep eventueel dezelfde deeltjes voor en na de reactiepijl i ijl weg. BNG Curie BNG Hoofdstuk 11 Redoxreacties Redoxreacties opstellen Reactie van ijzer (Fe) met chloor (Cl2): 3 + 3 eFe → Fe F F 3+ (x 2) Cl2 + 2 e- → 2 Cl- (x 3) St 2 Stap Stap 1 2 Fe → 2 Fe3+ + 6 e3 Cl2 + 6 e- → 6 Cl- + 2 Fe + 3 Cl2 → 2 Fe3+ + 6 Cl2 Fe + 3 Cl2 → 2 FeCl3 (s) Stap 3 Curie Hoofdstuk 11 Redoxreacties Andere oxidatoren en reductoren H2O2 oxidator → bleekmiddel, bleken van haar. Koolstof en koolstofmono-oxide CO, reductoren → ijzer maken in Hoogovens Samengestelde g ionen kunnen soms als oxidator of als reductor reageren → zie tabel Binas 48 BNG Curie Hoofdstuk 11 Redoxreacties Tabel 48 Binas Voor de Redox reacties in tabel 48 geldt: • De reacties vinden plaats in oplossingen (enkele uitzonderingen). • De concentratie van de reagerende deeltjes is steeds 1 00 mol/L. 1,00 l/L • Temperatuur 298 K en druk p0 (= atmosferische druk) BNG Curie BNG Hoofdstuk 11 Redoxreacties §11.3 Elektrische stroom uit reacties Curie BNG Hoofdstuk 11 Redoxreacties Een elektrochemische cel Zn + 2 H+ → Zn2+ + H2 Deze reactie is opgebouwd uit twee halfreacties: Zn → Zn2+ + 2 e2 H+ + 2 e- → H2 Zink atomen staan dus elektronen af aan H+ ionen. ionen Curie BNG Hoofdstuk 11 Redoxreacties Een elektrochemische cel Het afstaan van elektronen gebeurt ook in een elektrochemische cel, alleen vindt daar de overdracht plaats via een stroomdraad. Verplaatsing van elektronen door de draad is een elektrische stroom: Een elektrochemische cel of elektrische cel zet chemische energie om in elektrische energie. Curie BNG Hoofdstuk 11 Redoxreacties Een elektrochemische cel A Zn Een zinkstaaf en een koolstaaf in een H2SO4 oplossing: p g C e- eZn2+ H+ H2 Zn staat elektronen af en Zn2+ gaat in de oplossing: Zn → Zn2+ + 2 eDe elektronen gaan via de stroomdraad, door de ampèremeter naar de koolstaaf koolstaaf. H+ ionen gaan naar de koolstaaf en nemen de elektronen op en vormen ormen H2. Het vormt ormt gasbelletjes: 2 H + + 2 e- → H 2 Curie BNG Hoofdstuk 11 Redoxreacties Een elektrochemische cel A De ampèremeter zal uitslaan want er loopt een stroom. stroom Zn C e- e- - Zn2+ H+ + H 2 De elektronen stromen van de Zn naar de C staaf, de Zn-staaf is negatief t.o.v. de Cstaaf. Daarom zeggen we dat de C-staaf de + pool (plus-pool of positieve elektrode) en de Zn-staaf Zn staaf de – pool (min-pool (min pool of negatieve elektrode). Curie Hoofdstuk 11 Redoxreacties Een elektrochemische cel Een elektrochemische cel bestaat uit twee elektroden (of polen) in een oplossing met vrije ionen. Een stof waarvan de oplossing in water vrije ionen bevat, heet een elektrolyt. elektrolyt De elektronen D l kt gaan via i d de stroomdraad t d d van d de negatieve ti elektrode (- pool) naar de positieve elektrode (+ pool). BNG Curie BNG Hoofdstuk 11 Redoxreacties Een elektrochemische cel Daar waar de reductor reageert, wordt de elektrode negatief: de min-pool. Als de min min-pool pool een onedel metaal is kan dit metaal zelf de reductor zijn; de pool wordt dan aangetast. Daar waar de oxidator reageert, wordt de elektrode positief: de plus-pool. Mr PO = Min Min-pool pool Reductor Plus Plus-pool pool Oxidator Curie Hoofdstuk 11 Redoxreacties Een elektrochemische cel De H+ ionen kunnen ook direct met Zn-staaf reageren: • Rechtstreeks met de Zn staaf, er ontstaat Zn2+ en H2 • Via de koolstaaf en de geleidende verbinding (draden, ampèremeter) naar de zinkstaaf. Om dit soort reacties te voorkomen plaatst men vaak een poreuze wand of membraan tussen de elektroden. BNG Curie BNG Hoofdstuk 11 Redoxreacties Een elektrochemische cel Om dit soort reacties te voorkomen plaatst men vaak een poreuze wand of membraan tussen de elektroden. p A Zn C De poreuze wand D d mag d de reagerende deeltjes uit de redoxreactie niet doorlaten doorlaten, maar moet wel de stroom geleiden. Poreuze wand Curie BNG Hoofdstuk 11 Redoxreacties Een elektrochemische cel Ook kun je i.p.v. een poreuze wand een zogenaamde zoutbrug gg gebruiken. Animatie van elektrochemische cel Curie BNG Hoofdstuk 11 Redoxreacties De batterij Een batterij noemen ze een droge cel. De buitenkant van de batterijj ((zink)) is de negatieve g p pool en de koolstofstaaf de positieve pool. De eigenlijke oxidatie halfreactie is gebaseerd op de reactie tussen MnO2 ((bruinsteen)) en water. Als elektrolyt is een pasta van NH4Cl aanwezig. Voor de halfreactie met de reductor geldt: Zn ((s)) → Zn2+ + 2 eVoor de halfreactie met de oxidator geldt: 2 MnO2 (s) + H2O (l) + 2 e- → Mn2O3 (s) + 2 OH- Curie BNG Hoofdstuk 11 Redoxreacties De loodaccu Een loodaccu bestaat uit meerdere cellen in serie geschakeld. geschakeld Per cel zijn er twee loodplaten waarvan er één bedekt is met PbO2. De loodplaat werkt als reductor en zorgt voor de vorming van de negatieve pool. Het PbO2 werkt als oxidator en zorgtt voor de d vorming i van d de positieve iti pool. De accu is gevuld met een zwavelzuuroplossing die dienst doet als elektrolyt. elektrolyt Curie BNG Hoofdstuk 11 Redoxreacties De loodaccu Voor de halfreactie met de reductor geldt: Pb (s) + SO42- (aq) → PbSO4 (s) + 2 eVoor de halfreactie met de oxidator geldt: PbO2 (s) + SO42- (aq) + 4 H+ (aq) + 2 e- → PbSO4 (s) + 2 H2O (l) Na verloop van tijd zal de accu zijn uitgeput. De loodplaten zijn dan geheel bedekt met lood(II)sulfaat. lood(II)sulfaat Het is mogelijk om een loodaccu weer op te laden, dit kan door middel van elektrolyse. Als beide polen van een accu worden verbonden met de overeenkomstige polen van een externe spanningsbron (dynamo) dan zullen beide halfreacties in omgekeerde richting gaan verlopen. De accu wordt op die manier weer opgeladen. Curie BNG Hoofdstuk 11 Redoxreacties §11 4 C §11.4 Corrosie i Curie Hoofdstuk 11 Redoxreacties Corrosie Bescherming tegen corrosie door afdekken: • Verf (bruggen, auto’s, fietsen) • Olie (fietsketting) • Teerproducten, T d t zoals l Tectyl T t l (onderkant ( d k t auto) t ) • Glas (emaille) metalen verchromen (laagje chroom) • Laagje andere metalen, en galvaniseren (laagje zink). Blik is ijzer met laagje Tin. De oxidelaag van deze metalen is ondoordringbaar en gg metaal. beschermt het onderliggende BNG Curie BNG Hoofdstuk 11 Redoxreacties Corrosie Bescherming met opofferingsmetaal: • Metalen blokken die op ijzeren constructies worden gemonteerd, bv boten en booreilanden. • De D metalen t l di die op h hett ijijzer worden d geplaatst, l t t vormen samen met het ijzer een electrochemische cel. Het zeewater is het elektrolyt elektrolyt. • Het opofferingsmetaal moet regelmatig vervangen/ververst worden. Curie Hoofdstuk 11 Redoxreacties Corrosie Bescherming door legeringen: • Door een legering (of alliage) te maken wordt het corrosiebestendiger. BNG Curie BNG Hoofdstuk 11 Redoxreacties §11 5 El §11.5 Elektrolyse kt l Curie Hoofdstuk 11 Redoxreacties Elektrolyse Bij elektrolyse wordt elektrische energie gebruikt om chemische reacties die niet spontaan optreden (OX < RED) toch te laten verlopen. • Aan de + pool reageert de sterkste reductor reductor. Bijv: negatief ion Br-, OH-, water of het metaal van de elektrode. • Aan de – pool reageert de sterkste oxidator. Bijv: positief ion Cu2+, H+ of water. • Een elektrode van koolstof of edelmataal noemen we een onaantastbare elektrode (reageert niet mee). BNG Curie Hoofdstuk 11 Redoxreacties Elektrolyse Zoutoplossing voor geleiding, elektrolyt BNG Curie BNG Hoofdstuk 11 Redoxreacties Elektrolyse van CuCl2 oplossing Aan de negatieve kathode (aanvoer e-) reageert g Cu2+ als oxidator: Cu2+ + 2 e- Cu Aan de positieve anode (afvoer e-) reageert chloride als reductor: 2 Cl- Cl2 (g) + 2 e- Curie BNG Hoofdstuk 11 Redoxreacties Elektrolyse – toestel van Hofmann Aan de negatieve kathode (aanvoer e-) reageertt water t als l oxidator: id t 2 H2O + 2 e- H2 (g)+ 2 OHAan de p positieve anode ((afvoer e-) reageert water als reductor: 2 H2O O2 (g) ( ) + 2 H+ + 2 e- Curie Hoofdstuk 11 Redoxreacties Elektrolyse Bij elektrolyse reageert aan de – pool altijd de sterkste oxidator en aan de + pool de sterkste reductor. Een uitzondering: Chloride in Water. Water is een sterkere reductor dan chloride, maar toch reageert chloride tot chloor chloor, Cl2. Elektrolyse = gedwongen redox daar ga je van mopperen M.O.P.R. O En dan is dus de Min-pool de plek waar de Oxidator reageert en bij de Plus-pool reageert de Reductor BNG Curie BNG Hoofdstuk 11 Redoxreacties Elektrolyse CuSO4 oplossing met koolstofelektroden: - Aanwezige oxidatoren: Cu2+, H2O + Sterkste OX: Cu2+ C C O2 Cu Cu2+ Reactie: Cu2+ + 2 e- Cu Aanwezige reductoren: H2O Sterkste RED: H2O SO42- 2 H2O O2 (g) + 2 H+ + 2 e Curie BNG Hoofdstuk 11 Redoxreacties Elektrolyse CuSO4 oplossing met koperelektroden: - Aanwezige oxidatoren: Cu2+, H2O + Sterkste OX: Cu2+ C Cu C Cu Reactie: Cu2+ + 2 e- Cu Aanwezige reductoren: Cu, Cu H2O Cu Cu2+ Sterkste RED: Cu SO42- Reactie: Cu Cu2+ + 2 e- Curie Hoofdstuk 11 Redoxreacties Verchromen, verzilveren Door een elektrolyse uit te voeren waarbij een chroom of zilver laagje ontstaat op de negatieve elektrode kun je verchromen of verzilveren. Dit proces noemen ze ook kG Galvaniseren. l i BNG Curie BNG Hoofdstuk 11 Redoxreacties §11 6 M §11.6 Metaalwinning t l i i Curie Hoofdstuk 11 Redoxreacties Metaalwinning De belangrijkste chemische reactievergelijkingen: C + O2 → CO (Energie opleverende verbranding van koolstof) CO2 + C 2 CO (Vorming van het gasvormige reductiemiddel koolmonoxide) Fe2O3 + 3 CO → 3 CO2 + 2 Fe (Reductie van ijzeroxide tot ijzer) BNG Curie Hoofdstuk 11 Redoxreacties Metaalwinning BNG