Chemie 6 - chemische stroombronnen + toepassingen PDF

Preview

Summary

Don Bosco Haacht...

Description

CHEMISCHE STROOMBRONNEN Historische achtergrond Galvani → bewegende kikkerpoten door opgewekte elektrische ladingen Volta → eerste batterij = chemische cel = galvanisch element = volta-element algemeen: redoxreacties kunnen aangewend worden als productiebron van elektrische stroom waarbij chemische energie wordt omgezet in elektrische energie cel van Daniëll = 2 afzonderlijke recipiënten, 2 halfcellen → om kring te sluiten moeten ze verbonden zijn met: - uitwendige metaalbrug voor de verplaatsing van e- d.w.z. metalen verbindingsdraden en een verbruiker (gevoelige ampèremeter of voltmeter) - elektrolytbrug voor de verplaatsing van ionen (U-vormige buis gevulde met KCl-opl of een KNO3-opl)

symbolisch: Zn/Zn2+//Cu2+/Cu halfcel met anode: oxidatie → wordt geoxideerd → RED wordt eerst geschreven halfcel met kathode: reductie → wordt gereduceerd → OX wordt eerst geschreven bij gesloten elektrische kring en bij T = 298 K, p = 1013 hPa, c(reagentia) = 1 mol/l is het potentiaalverschil 1,10 V -> bronspanning = celspanning werkingsprincipe: Zn is een sterkere RED → makkelijker geoxideerd → op Zn- elektrode ontstaan meer e- dan op Cuelektrode → Zn-elektrode wordt neg geladen tov Cu-elektrode die pos wordt bij verbinding tussen beide elektroden: e- verplaatsen zich langs metaalbrug van Zn- naar Cu-elektrode → daar worden de Cu-ionen gereduceerd tot Cu-metaal op voorwaarde dat ook een elektrolytbrug de opl met elkaar verbindt

1

ad Zn-elektrode: oxidatie → Zn2+-ionen worden gevormd en gaan in opl → e- vloeien langs metaalbrug weg → Zn-halfcel positiever → Zn-elektrode wordt verteerd ad Cu-elektrode: reductie → Cu-halfcel negatiever omdat er steeds meer e- toekomen → Cu2+-ionen worden gereduceerd tot Cu → Cu-elektrode groeit aan om ladingsevenwicht te bewaren: door elektrolytbrug vloeien Zn2+- en K+-ionen naar de Cu-halfcel en SO42en Cl--ionen naar de Zn-halfcel neg pool: oxidatie vd RED → anode pos pool: reductie vd OX → kathode algemeen: principe chemische cel is een spontane redoxreactie tussen een sterke RED en een sterke OX waarbij de bijhorende zwakke OX en zwakke RED worden gevormd → e- worden uitgewisseld → als dat gebeurt via een uitwendig circuit kan de e-stroom benut worden als bron van elektrische energie bronspanning vd cel van Daniëll = Ub = meetbaar potentiaalverschil tussen de 2 elektroden ve chemische cel op het moment dat ze geen stroom levert → kan ook theoretisch worden afgeleid uit de normpotentialen vd redoxkoppels vd halfcellen algemeen bij normomstandigheden: Ub = E0(kathode) - E0(anode) TOEPASSINGEN VAN ELEKTROLYSE IN HET DAGELIJKSE LEVEN 1. galvanostegie = via elektrolyse gebruiksvoorwerpen bedekken met een laagje metaal het bedekken van ijzer met een laagje tin of zink is bedoeld om de corrosiebestendigheid vh ijzer te verbeteren galvanostegie wordt ook toegepast om de mechanische stevigheid vh voorwerp te verbeteren → bv. chromeren van waterkranen en autoklinken 2. anodisatie van aluminium aluminium: onedel → reactief metaal → reageert vrij snel met zuurstof uit de lucht → wordt spontaan bedekt met een goed hechtend oxidelaagje → door elektrolyse: natuurlijk oppervlaktelaagje dikker en steviger → eloxal = elektrolytisch geoxideerd aluminium het aluminium voorwerp wordt verbonden met de pos pool vd stroombron en ondergedompeld ie verdunde zwavelzuuropl → kathode wordt gevormde door loodmetaal of aluminiummetaal reactie ad kathode: reductie vh zuur reactie ad anode: oxidatie van water

2

TOEPASSINGEN VAN DE GALVANISCHE CEL IN HET DAGELIJKSE LEVEN` 1. reddingsvesten reddingsvesten zijn vaak uit uitgerust met een lampje → is soms via stroomdraadjes verbonden met een magnesium- en koperstrip → op koperstrip: vast koperchloride → slecht oplosbaar reddingsvest ih water: lampje brandt → brandt pas als het ih water belandt want het water werkt als zoutbrug

2. corrosieverschijnselen corrosie = aantasting van metalen door redoxreacties die spontaan optreden als het metaal in contact komt met water, vochtige lucht, zuurstofmasker en agressieve chemicaliën → bekendste vormen van corrosie: roesten van ijzer, groen uitslaan van koper metalen met lage normpot worden makkelijk geoxideerd → zijn meest reactief en onedel metalen met hoge normpot worden moeilijk geoxideerd → zijn minst reactief en edel → kunnen in zuivere toestand id natuur voorkomen bescherming tegen corrosie → kan op verschillende manieren: A. ijzermetaal perfect afschermen van water en zuurstofgas door:

- het aanbrengen van een oxidelaagje, chromaatverf, coating, siliconenolie… - het ijzer te bedekken met een dun laagje ve meer edel metaal vb: vertind ijzer = blik → zolang het onbeschadigd blijft is het aan binnen- en buitenkant volledig bedekt met een tinlaagje → heel dun en kwetsbaar zodra er krassen zijn komt het Fe-materiaal bloot te liggen en roest het → Fe is de sterkste RED → gedraagt zich als anodemateriaal → wordt geoxideerd → lost op en vormt roest

- het bedekken van ijzer met een dun laagje vd minder edel metaal vb: ijzer met een laagje zink = gegalvaniseerd ijzer bij blootstelling aan water en lucht: reactie aan anode: reactie aan kathode: de gevormde zinkinionen reageren met de gevormde hydroxide-ionen tot Zn(OH)2-neerslag → hydroxide reageert deels verder met CO2 tot de vorming van ZnCO3-neerslag → neerslagen bedekken het overblijvende zink → kathodische corrosiebescherming omdat omdat Fe door Zn tot een kathodisch gedrag gedwongen wordt

3

B. gebruik van verteringselektrode een meer onedele metaalsoort wordt opgeofferd om ijzer te sparen → kathodische corrosiebescherming als versch metalen samen voorkomen gaat bij corrosie het sterkste metaal als anode optreden → gaat geoxideerd worden en oplossen in water → het zwakste metaal doet dienst al kathode maar wordt niet gereduceerd want het bezit het laagste OG → elektrolytopl wordt gereduceerd terwijl het ijzer als metaal onaangetast blijft C. ijzer verwerken tot een corrosiebestendige legering vb: roestvrij staal → corrosiebescherming wordt bereikt door een legering te creëren waarbij de E0-waarde vd legering steeds hoger ligt dat die vd samenstellende metalen → REDgedrag van legeringen is zwakker dan die vd zuivere metalen 3. chemische cellen in het dagelijks leven A. algemene bouw en werking ve chemische cel → batterij verschil batterij - chemische cel: meerdere chemische cellen samen vormen een batterij de RED, meestal een metaal, en de OX, meestal het metaaloxide, vormen het respectievelijk hoofdbestanddeel van de 2 halfcellen → zijn van elkaar gescheiden door een ionenbrug → een elektrisch toestel kan in de uitwendige elektronenbrug worden tussen geschakeld om de kring te sluiten

B. voorbeeld: de alkalinecel = Leclanché-element en de knoopcel verschil zink-koolstofcel en alkalinebatterij: bij de alkalinebatterij wordt er van een zinkpoederpasta gebruik gemaakt → oppervlaktevergroting → batterij levert veel meer stroom dan een zink-koolstofcel als een zink-koolstofcel opgebruikt is, moet deze zo snel mogelijk uit het apparaat gehaald worden. Verklaar bondig waarom je dat moet doen → verklaring:

4

C. accumulatoren = een reversibele chemische cel die zowel een galvanische cel als een elektrolysecel is → bij het ontladen wordt chemische energie omgezet in elektrische energie → bij het opladen wordt elektrische energie verbruikt om de chemische stoffen te regenereren vb: autobatterij → bestaat uit een recipiënt die verdund zwavelzuur bevat → hierin zijn 2 elektroden gedompeld die bestaan uit een traliewerk uit Pb waarvan de mazen opgevuld zijn met PbO → potentiaalverschil tussen de elektroden: een elektrolyse van het water ad kathode ontstaat waterstofgas die het lood(II)oxide doet reduceren: PbO + H2 → H2O + Pb ad anode ontstaat zuurstofgas die het lood(II)oxide doet oxideren: 2 PbO + O2 → 2 PbO2 na de elektrolyse is de aard van de elektroden gewijzigd → cel bezit 2 verschillende elektroden, elk met een verschillende potentiaal → stroombron verwijderen → cel wordt zelf gebruikt als stroombron

autobatterij levert stroom = ontlaadt → steeds minder zwavelzuur aanwezig → er wordt bijkomend water gevormd zodat het elektrolyt van de cel sterk verdund wordt → meten van de dichtheid van de accuvloeistof → de mate van uitputting van de accu nagaan rijden met de auto → batterij laat op moderne uitvoering van autobatterij: in serie geschakelde groepjes van positieve en evenveel negatieve platen in dezelfde recipiënt → elektroden met een verschillend teken wisselen elkaar → gelijknamige elektroden zijn onderling met elkaar verbonden → hebben een gemeenschappelijke klem die voor de positieve platen aangeduid is met een plusteken → klem van de negatieve platen is aangeduid met een minteken. bronspanning: 12 V + zeer kleine inwendige weerstand waardoor deze in staat is om grote stromen te leveren → bv. bij het starten van de automotor als een batterij opgeladen wordt met een uitwendige stroombron, worden de afsluitdoppen vd batterij tijdelijk verwijderd zodat de gassen kunnen vrijkomen en het opladen is beëindigd als men gassen ziet opborrelen aangezien ze niet meer kunnen weg reageren ’s morgens zal je je auto niet kunnen starten als je ’s avonds de lichten vergat uit te doen omdat de batterij dan volledig ontladen is auto’s met een niet goed opgeladen batterij starten in de winter meestal niet omdat ze niet genoeg stroom kunnen leveren om te starten 5...