Eduqaleeromgeving
5 havoLeeromgeving Scheikunde · 5 havo H10 Redoxreacties
0%
Leeromgeving›Scheikunde›5 havo›H10 Redoxreacties›10.4b
Hoofdstuk 10 · Les 7 van 7

Batterijen, accu's en brandstofcellen

Batterijen, accu's en brandstofcellen zijn allemaal elektrochemische cellen. Ze verschillen in hoe je ze opnieuw kunt gebruiken: weggooien, opladen of bijvullen.

25 min

Na deze les kun je

  • uitleggen wanneer een batterij oplaadbaar is
  • uitleggen wat elektrolyse is en wat het met opladen te maken heeft
  • de halfreacties en de totaalreactie van een loodaccu en een brandstofcel geven

Dit weet je al

De elektrochemische cel, positieve en negatieve elektrode (les 10.4a). Totaalreacties opstellen (les 10.3a).

Batterijen

In een gewone staafbatterij is zink de reductor (negatieve elektrode) en bruinsteen, MnO₂, de oxidator. Die zit bij de positieve elektrode, een koolstofstaaf in een pasta.

Een gewone staafbatterij is niet oplaadbaar. De zinkionen die ontstaan, verspreiden zich door het vulmiddel. Ze zijn dan niet meer bij de elektrode, dus kunnen de reacties niet worden teruggedraaid.

Oplaadbare batterijen en elektrolyse

Een batterij of accu is oplaadbaar als de stoffen die bij stroomlevering ontstaan bij de elektroden blijven. Bij het opladen sluit je hem aan op een spanningsbron. Dan worden de reactieproducten weer omgezet in de beginstoffen.

Een reactie die je laat verlopen met elektrische stroom heet elektrolyse. Daarbij wordt elektrische energie omgezet in chemische energie: precies het omgekeerde van stroomlevering. Elektrolyse gebruik je ook om stoffen te maken, bijvoorbeeld waterstof en zuurstof uit water.

De loodaccu

Een auto-accu bevat loodplaten in zwavelzuur. Eén plaat is bedekt met lood(IV)oxide, PbO₂. Bij stroomlevering:

Positieve elektrode (oxidator PbO₂):

PbO2+4 H++SO42−+2 e−→PbSO4+2 H2O\begin{aligned} &\text{PbO}_2 + 4\ \text{H}^+ + \text{SO}_4^{2-} + 2\ \text{e}^- \\ &\rightarrow \text{PbSO}_4 + 2\ \text{H}_2\text{O} \end{aligned}

Negatieve elektrode (reductor Pb):

Pb+SO42−→PbSO4+2 e−\begin{aligned} &\text{Pb} + \text{SO}_4^{2-} \\ &\rightarrow \text{PbSO}_4 + 2\ \text{e}^- \end{aligned}

Het gevormde PbSO₄ is vast en blijft op de platen zitten. Daardoor is de accu oplaadbaar. In de auto laadt de dynamo de accu op.

De brandstofcel

Een brandstofcel is een elektrochemische cel waarin continu zuurstof (de oxidator) en een brandstof (de reductor) worden aangevoerd. Brandstoffen zijn bijvoorbeeld waterstof, methaan en methanol. Een brandstofcel is lichter dan een accu en bevat geen zware metalen.

De totaalreactie is gelijk aan de verbranding van de brandstof, maar de energie komt vrij als elektrische energie in plaats van warmte.

✎Voorbeeld: de methanolbrandstofcel

Leid de totaalreactie af van een methanolbrandstofcel. De halfreacties zijn:

Positieve elektrode:

O2+4 H++4 e−→2 H2O\text{O}_2 + 4\ \text{H}^+ + 4\ \text{e}^- \rightarrow 2\ \text{H}_2\text{O}

Negatieve elektrode:

CH4O+H2O→CO2+6 H++6 e−\begin{aligned} &\text{CH}_4\text{O} + \text{H}_2\text{O} \\ &\rightarrow \text{CO}_2 + 6\ \text{H}^+ + 6\ \text{e}^- \end{aligned}
  1. Het kleinste gemene veelvoud van 4 en 6 is 12. Zuurstof keer 3:
3 O2+12 H++12 e−→6 H2O\begin{aligned} &3\ \text{O}_2 + 12\ \text{H}^+ + 12\ \text{e}^- \\ &\rightarrow 6\ \text{H}_2\text{O} \end{aligned}
  1. Methanol keer 2:
2 CH4O+2 H2O→2 CO2+12 H++12 e−\begin{aligned} &2\ \text{CH}_4\text{O} + 2\ \text{H}_2\text{O} \\ &\rightarrow 2\ \text{CO}_2 + 12\ \text{H}^+ + 12\ \text{e}^- \end{aligned}
  1. Optellen:
3 O2+12 H++2 CH4O+2 H2O→6 H2O+2 CO2+12 H+\begin{aligned} &3\ \text{O}_2 + 12\ \text{H}^+ + 2\ \text{CH}_4\text{O} \\ &\quad + 2\ \text{H}_2\text{O} \\ &\rightarrow 6\ \text{H}_2\text{O} + 2\ \text{CO}_2 \\ &\quad + 12\ \text{H}^+ \end{aligned}
  1. Streep 12 H⁺ aan beide kanten weg.
  2. Streep 2 H₂O weg: rechts blijft 6 − 2 = 4 H₂O over:
2 CH4O+3 O2→2 CO2+4 H2O\begin{aligned} &2\ \text{CH}_4\text{O} + 3\ \text{O}_2 \\ &\rightarrow 2\ \text{CO}_2 + 4\ \text{H}_2\text{O} \end{aligned}
  1. Dit is precies de verbranding van methanol.

Waterstof

In een brandstofcel met waterstof ontstaat alleen water, geen CO₂. Waterstof komt niet in de bodem voor. Wordt het gemaakt uit aardgas of steenkool, dan ontstaat CO₂ en is het niet duurzaam. Wordt het gemaakt door elektrolyse van water met stroom uit zon of wind, dan is waterstof wel een duurzame brandstof.

!Stroomlevering en opladen

Bij stroomlevering wordt chemische energie elektrische energie. Bij opladen (elektrolyse) is het andersom, en verlopen de halfreacties in omgekeerde richting.

Even controleren

Snap je het?

Wanneer is een batterij oplaadbaar?

Geef de totaalreactie van de loodaccu bij stroomlevering.

Geef de totaalreactie van een waterstofbrandstofcel met de halfreacties O₂ + 4 H⁺ + 4 e⁻ → 2 H₂O en H₂ → 2 H⁺ + 2 e⁻.

Welke energie-omzetting vindt plaats bij elektrolyse?

↗Hoe hangt dit samen?

Redoxreacties zie je terug bij corrosie, batterijen en de productie van metalen. Ook de verbrandingsreacties uit hoofdstuk 9 zijn redoxreacties: zuurstof is de oxidator.

Klaar met deze les? Zet hem op gelezen; je voortgang staat rechtsboven.