Electrolyse

Elektrochemische cellen
Tijdens een reactie tussen een oxidator en een reductor vindt er een overdracht
van elektronen plaats. Als een redoxreactie wordt uitgevoerd in één oplossing
dan worden de elektronen meteen overgedragen als de verschillende deeltjes
met elkaar in contact komen. Op deze manier kan er dus niets nuttigs worden
gedaan met de energie die een reactie levert. Hoe kunen we nu deze energie het
best benutten?
De oplossing is om zowel de oxidator als de reductor fysiek van elkaar te
scheiden. Met andere woorden: niet de reactie uitvoeren in een oplossing die
zowel de oxidator als de reductor bevat maar in twee gescheiden ruimtes; de één
met de oxidator, de ander met de reductor. Door beide ruimtes te verbinden met
een geleidende draad zorg je ervoor dat de elektronenoverdracht van de
redoxreactie door de draad zal plaatsvinden. Op deze manier kan je dan gebruik
maken van de stroom van de elektronen.
De elektronen zullen niet zomaar gaan stromen als beide ruimtes (ook wel
halfcellen genoemd) met elkaar worden verbonden. Eén van de vereisten voor
het starten van een redoxreactie is een gesloten stroomkring. Dit betekent dat
beide halfcellen met elkaar verbonden dienen te worden zonder dat de inhoud
met elkaar kan mengen. We doen dit door middel van een zoutbrug (een Uvormig buisje gevuld met een geleidende zoutoplossing) of een poreuze wand of
membraan. Op deze wijze wordt direct contact tussen de oxidator en de reductor
vermeden maar is er wel een geleidend contact tussen beide ruimtes. Zo'n
systeem van twee halfcellen met in de één de oxidator en in de ander de
reductor verbonden door middel van bijvoorbeeld een zoutbrug noemen we een
elektrochemische cel.
ONTHOUD: Een elektrochemische cel kan alleen werken als er een gesloten
stroomkring is.

SO42- is alleen in geconcentreerd zwavelzuur is een OX of Red

NO3- is alleen in combinatie met H+ een OX of RED
Het is belangrijk om te zien dat voordat de reactie begint de beide elektrodes
geen lading hebben. Ze worden pas positief en negatief geladen NADAT de
reactie op gang is gekomen.
ONTHOUD: Pas nadat de reactie op gang is gekomen ontstaat de positieve en de
negatieve lading op de elektrodes.
ONTHOUD: In een elektrochemische cel reageert de sterkste
oxidator altijd aan
de positieve elektrode en de sterkste reductor altijd aan de negatieve elektrode.
ONTHOUD: De elektronen lopen van de negatieve elektrode naar de positieve
elektrode, maar de stroom loopt van de positieve elektrode naar de negatieve
elektrode.
Om een reactie spontaan te laten verlopen moet de oxidator hoger in de tabel staan dan
de reductor.
Electrolyse
Het is belangrijk om te zien dat voordat de reactie begint de beide elektrodes al
een lading hebben. Ze zijn dus al positief en negatief geladen VOORDAT de
reactie op gang is gekomen. Dit is dus precies andersom dan bij de
elektrochemische cel.
ONTHOUD: Al voordat de reactie op gang is gekomen (bij een elektrolyse) is er
een positieve en een negatieve lading op de elektrodes.
ONTHOUD: Tijdens elektrolyse reageert bij de negatieve elektrode altijd de
sterkste oxidator en bij de positieve elektrode altijd de sterkste reductor.
Elektrolyse reacties
De halfreacties die tijdens een elektrolyse verlopen zijn anders dan die in een
elektrochemische cel. In een elektrochemische cel verlopen alleen de reacties die
spontaan kunnen verlopen. Aan de hand van de verlopende reacties ontstaat er
een spanningsverschil tussen beide elektrodes en zal er een stroom gaan lopen.
Bij een elektrolyse is dat anders. In een elektrolyse experiment worden reacties
opgewekt doordat er een spanning wordt gezet over twee halfcellen.
Welke reacties kunnen nu gaan verlopen?
Er zijn een aantal stappen waarmee dit vraagstuk kan worden opgelost.
1. Schrijf op welke deeltjes er bij de negatieve elektrode kunnen zijn. Dit kunnen
alleen ongeladen deeltjes en positieve deeltjes zijn. Negatieve deeltjes worden
immers afgestoten door de negatieve elektrode.
2. Bij de negatieve elektrode reageert de sterkste oxidator.
3. Schrijf op welke deeltjes er bij de positieve elektrode aanwezig kunnen zijn.
Dit kunnen alleen ongeladen deeltjes en negatieve deeltjes zijn.
4. Bij de pluspool reageert de sterkste reductor.
TIP: Let op dat het oplosmiddel (meestal water) ook kan reageren als een
oxidator of een reductor.
Vraag:
Voorspel welke (half)reacties aan de negatieve en positieve elektrodes zullen
optreden wanneer een gelijkstroom gestuurd wordt door een waterige oplossing
van koper(II)nitraat.
Antwoord: Gebruik het bovenstaande vier-stappenplan.
1. Aan de negatieve elektrode: Cu2+ en H2O
2. Sterkste oxidator: Cu2+ (+0,34 V, zie Binas)
3. Aan de positieve elektrode: NO3- en H2O
4. Sterkste reductor: H2O (+1,23 V) (NO3- is geen oxidator of reductor)
De halfreacties die gaan verlopen zijn:
Cu2+ + 2 e-
Cu (s)
halfreactie van de oxidator (-)
2 H2O (l)
O2 (g) + 4 H+ + 4 e- halfreactie van de reductor (+)
ONTHOUD: Wanneer je moet kiezen tussen Cl- en H2O wint Cl-!
Opgaven:
1.
Voorspel welke halfreacties aan de negatieve en positieve elektrodes
zullen optreden wanneer een gelijkstroom wordt gestuurd door waterige
oplossingen van:
a. cadmiumnitraat
b. zwavelzuur
c. nikkelnitraat
d. aluminiumsulfaat
e. mengsel van nikkelnitraat en koper(II)sulfaat
2.
Geef, indien de reactie verloopt, de twee halfvergelijkingen en de
totaalvergelijking.
a. waterige kaliumpermanganaat(KMnO4- oplossing + zwaveldioxide
b. kaliumjodide oplossing + kaliumdichromaat oplossing +
zwavelzuur oplossing
c. ozongas + waterige ijzer(II)sulfaat oplossing
d. zinkchloride oplossing + ijzer(III)bromide oplossing
e. koper + zoutzuur