Chemie 7e ed/FLEX - Hoofdstuk 17 - Redox in de praktijk oefentoetsen & antwoorden

Een biobrandstof is een brandstof die is geproduceerd door biomassa op een bepaalde manier te behandelen (er zijn meerdere manieren mogelijk: fermentatie/vergisting, omestering van plantaardige oliën en dierlijk vet en pyrolyse).Via elektrolyse van waterVoordelen: de overtollige energie die overdag wordt opgewekt met o.a. zonnepanelen en windmolens kan worden gebruikt om waterstof te produceren waardoor er een buffer voor het elektriciteitsnetwerk ontstaat en waterstof is een duurzame brandstof omdat het opgewekt kan worden met duurzame elektriciteit én er bij de verbranding alleen water ontstaat.Nadelen: De stookwaarde van waterstof is laag in vergelijking met methaan en andere fossiele brandstoffen, de infrastructuur ontbreekt en waterstof is zeer brandbaar en explosief.Dit is een membraan tussen de elektroden in een brandstofcel die alleen maar één soort ionen doorlaat. Dit is altijd het ion dat aan de ene elektrode wordt geproduceerd en bij de andere elektrode nodig is. Het ionselectief membraan is dus nodig om de halfreacties aan beide elektrodes te kunnen laten plaatsvinden.Een redox-flow accu moet aan de volgende voorwaarden voldoen:  Er zijn twee oplossingen met ionen aanwezig die met elkaar via een redoxreactie reageren.De vloeistoffen stromen door de accu en zijn door een ionselectief membraan van elkaar gescheiden.De elektroden reageren zelf niet mee en dienen alleen voor het doorgeven van elektronen.De vier redenen waarom het zinvol is om metalen uit batterijen te recyclen:De metalen zijn waardevol.Er zijn beperkte voorraden van de metalen.Het kost veel meer energie om een metaal te winnen uit erts dan voor recycling nodig is.Het lozen van batterijen is slecht voor het milieu door de aanwezigheid van schadelijke metalen. Het semipermeabel membraan kan bepaalde ionen doorlaten en deze ionen zijn nodig om de verandering van de nettolading door het plaatsvinden van de halfreacties op te vangen. Deze bacteriën zijn werkzaam in een zuur milieu, aangezien er H+-ionen aanwezig zijn aan de kathode en er H+-ionen worden gevormd aan de anode.RED CH3COOH + H2O → 2 CO2 + 8H+ + 8e-OX O2 + 4 H+ + e- → 2 H2OREDOX CH3COOH + 8 O2 + 24 H+ → 15 H2O + 2 CO2Het is bij deze opdracht van belang om de informatie uit de figuur op de juiste manier te verwerken. Er zijn al pijlen weergegeven in de figuur en deze kunnen als basis voor de halfreacties fungeren. Dit levert de volgende (onvolledige) reactievergelijkingen op:RED CH3COOH → CO2 + H+ + e-OX O2 + H+ + e- → H2OOm tijd te besparen tijdens toetsen is het verstandig om eerst in BINAS Tabel 48 te kijken om te achterhalen of de halfreacties daar al beschreven staan. Dit geldt voor de halfreactie van de oxidator. De volledige halfreactie is dan:OX O2 + 4 H+ + e- → 2 H2ODe reductor is een onbekende halfreactie en moet dus nog kloppend gemaakt worden. RED CH3COOH → 2 CO2 + H+ + e-Allereerst moet de atoombalans kloppend gemaakt worden. Dit is alleen mogelijk door voor de pijl ook een molecuul water toe te voegen en vervolgens te zorgen dat voor de pijl evenveel van ieder atoom aanwezig is als na de pijl:RED CH3COOH + H2O → 2 CO2 + 8H+ + e-De laatste stap is zorgen dat met het aantal elektronen wordt gezorgd dat de nettolading voor de pijl gelijk is aan die na de pijl. Er is te zien dat er voor de pijl alleen atomen zijn zonder lading en dat de lading na de pijl afkomstig is van de H+ ionen en dat dit in totaal neerkomt op 8+. Er moeten dus 8 elektronen worden toegevoegd om te zorgen dat het op een nettolading van 0 uitkomt.RED CH3COOH + H2O → 2 CO2 + 8H+ + 8e-Er is te zien dat er H+ ionen ontstaan bij de halfreactie die plaatsvindt aan de kathode en dat H+ ionen nodig zijn bij de halfreactie die plaatsvindt aan de anode. De H+ ionen die nodig zijn bij de anode zijn afkomstig van het ionselectief membraan. Deze H+ ionen komen dus bij de kathode vandaan en verplaatsen zich via het ionselectief membraan naar de anode. Waterstof is een zeer explosieve stof en dit maakt een waterstofbrandstofcel een gevaarlijk soort brandstofcel. De stoffen die voorkomen in de biobrandstofcel zijn niet explosief en daarom is deze brandstofcel een stuk veiliger. Nummer 5: Veiliger oplosmiddelen. Tijdens de productie moet het gebruik van oplosmiddelen zoveel mogelijk vermeden worden. In de biobrandstofcel is geen oplosmiddel nodig en in de loodaccu is bijvoorbeeld het oplosmiddel loodsulfaat aanwezig. Nummer 3: Minder schadelijke chemische productiemethoden. Productiemethoden moeten dusdanig ontworpen worden dat ze de mens en het milieu zo weinig mogelijk schaden. Bij de biobrandstofcel wordt biomassa gebruikt in plaats van zware metalen, zoals lood. De stroom van elektronen in een elektrische schakeling loopt altijd van de negatieve elektrode naar de positieve elektrode. Elektronen zijn namelijk negatief geladen en worden daardoor afgestoten door de negatieve elektrode en aangetrokken door de positieve elektrode. De elektronen moeten dus ontstaan bij de negatieve elektrode, zodat ze zich kunnen verplaatsen naar de negatieve elektrode. De halfreactie waarbij de elektroden na de pijl staan (CH3OH + H2O → 6 H+ + CO2 + 6 e-) vindt dus plaats aan de negatieve elektrode en de halfreactie waarbij de elektroden voor de pijl staan (3 O2 + 12 H+ + 6 e- → 6 H2O) vindt plaats aan de positieve elektrode. Een batterij is oplaadbaar als de producten die bij stroomlevering ontstaan de beginstoffen vormen bij het opladen. Er is te zien dat er onder andere CO2 ontstaat, een gas. Om te zorgen dat de batterij op te laden is, moet het een gesloten systeem zijn waarbij CO2 niet kan ontsnappen.De elektroden reageren dat niet mee in de halfreacties, waardoor ze ook nog ‘weg’ kunnen reageren. Dit zijn dus zeer duurzame elektroden.  Linker halfcel: VO2+ + H2O → VO2+ + 2H+ + e-Rechter halfcel: V3+ + e- → V2+In het plaatje van de linker halfcel is te zien dat VO2+ wordt omgezet in VO2+, dus VO2+ moet voor de pijl worden genoteerd en VO2+ erna. Dat ziet er als volgt uit:VO2+ → VO2+In de bovenstaande reactievergelijking is te zien dat de O-balans niet klopt en ook niet kloppend te krijgen is op deze manier. Er missen dus nog atomen in de reactievergelijking. Eén bekende is ook te zien in het plaatje: er is nog H+ aanwezig in de linker halfcel. Deze kan dus ook na de pijl genoteerd worden (niet voor de pijl, omdat het anders niet in het reactiemengsel aanwezig zou zijn):VO2+  → VO2+ + H+Het geheel is opgelost in water en om de reactievergelijking kloppend te krijgen, is het mogelijk om H2O voor de pijl te noteren:VO2+ + H2O → VO2+ + 2H+Omdat het hier gaat om een halfreactie, is het van belang om ook de e- te noteren. De e- moeten altijd zo geplaatst worden dat de elektrische lading van de ionen aan beide kanten hetzelfde is. Zo is er te zien dat er links van de pijl een lading is van 2+ en rechts van de pijl 3+. Elektronen zijn negatief geladen en moeten dus aan de rechterkant geplaatst worden, zodat de lading van 3+ met e- (een lading van 1-) netto uitkomen op een lading van 2+, net als aan de linkerkant van de pijl:VO2+ + H2O → VO2+ + 2H+ + e-Voor de rechter halfcel ga je op dezelfde manier te werk, dus je begint met het noteren van de bekende ionen die in het plaatje genoteerd staan:V3+ → V2+De atoombalans in de bovenstaande reactievergelijking is al kloppend, dus er hoeven geen extra atomen of moleculen toegevoegd te worden om het kloppend te krijgen. Omdat het om een halfreactie gaat, moeten er nog wel elektronen worden toegevoegd. Links van de pijl staat nu een lading van 3+ en rechts van de pijl 2+. Er moet dus één elektron worden geplaatst aan de linkerkant van de pijl, zodat de lading van 3+ van V3+ en de lading van 1- van het elektron netto uitkomen op 2+ (en dat is gelijk aan de lading van 2+ van V2+).Tijdens het opladen verandert de totale lading van de positieve ionen in de linker halfcel van 2+ naar 3+. In de rechter halfcel verandert de lading van 3+ naar 2+. Omdat beide oplossingen neutraal moeten blijven, moeten positieve ionen van de linker naar de rechter halfcel worden getransporteerd. Omdat alleen H+ ionen het membraan kunnen passeren, zullen deze van links naar rechts bewegen.ÓfTijdens het opladen bewegen de elektronen van links naar rechts, dus de H+ ionen bewegen van links naar rechts.$\frac{\frac{(100 \times 3.6 \cdot 10^6 \times \frac{10^2}{67}}{1.35\cdot 10^5} \times 1)}{1.7} \times 10^{-3} = 2.3 \, m^3$Bij deze opdracht is een eerste goede stap het combineren van de eenheden die in de tekst worden gegeven. Hiermee kunnen de eerste stukken van de berekening al worden opgelost:‘De opslagcapaciteit bedraagt 100 kWh.’ ‘Een kWh is 3,6.106 J.’Er is dus 100 x 3,6.106 = 3,6.108 J opslagcapaciteit.Om dit te produceren moet er rekening gehouden worden met het rendement van 67%, omdat er bij de omzetting blijkbaar maar 67% wordt omgezet. De 3,6.108 J is dus maar 67% van de hoeveelheid chemische energie die moet worden gebruikt.Dat is dus $3.6 \cdot 10^8 \times \frac{10^2}{67} = 5.37 \cdot 10^8 \, J$Deze energie is afkomstig van de elektronen waarbij 1 mol elektronen 1,35.105 J energie levert. Met de vorige berekening, die uitkwam op het aantal J dat geleverd moet worden, kan met deze genoemde waarde worden berekend hoeveel mol elektronen daarbij betrokken is:$\frac{5.37 \cdot 10^8}{1.35 \cdot 10^5} = 3.98 \cdot 10^3 \, mol \, elektronen$Het aantal m3 van de oplossing moet berekend worden en de oplossing heeft een concentratie van 1,7 M, oftewel 1,7 mol dm-3. Het aantal dm3 kan berekend worden met de waarde die in de vorige stap bepaald is:$\frac{3.98 \cdot 10^3}{1.7} = 2341 \, dm^3$Door te delen door 1000 wordt dm3 omgezet in m3:$\frac{2342}{1000} = 2.3 \, m^3$2VO2+ + 6H2O → V2O5.3H2O + 2H3O+Óf2VO2+ + 4H2O → V2O5.3H2O + 2H+In de opdracht staat dat V2O5.3H2O uit VO2+ wordt gevormd. Dat betekent dat VO2+ voor de pijl moet staan en V2O5.3H2O na de pijl:VO2+ → V2O5.3H2OOok wordt in de vraag de hint gegeven dat er zowel voor als na de pijl nog één extra stof reageert en respectievelijk ontstaat. Voor de pijl moet sowieso H2O geplaatst worden, omdat het anders onmogelijk is om V2O5.3H2O te vormen:VO2+ + H2O → V2O5.3H2ODe laatste stap is het kloppend maken van de reactievergelijking met in je achterhoofd het gegeven dat er na de pijl nog een ander molecuul genoteerd moet worden. Dit kan alleen maar door na de pijl ook H3O+ te noteren:2VO2+ + 6H2O → V2O5.3H2O + 2H3O+Bij een hogere concentratie vanadiumionen zijn er per seconde meer effectieve botsingen op het oppervlak van de elektroden. Hierdoor worden per seconde meer elektronen opgenomen/afgestaan, waardoor de maximale stroomsterkte toeneemt. Toelichting op ‘meerdere elektrochemische cellen aansluiten op dezelfde tanks’:Als meerdere cellen op dezelfde tanks worden aangesloten, verandert dit nog niets aan de opslagcapaciteit van de tanks. Deze wordt dus niet vergroot. Door meerdere elektrochemische cellen aan te sluiten, is er een grotere elektronenstroom mogelijk en dus wel een toename van de stroomsterkte te zien. Toelichting op het vervallen van de rij ‘de tanks vergroten’:Het is mogelijk dat een kandidaat de aanpassing ‘de tanks vergroten’ verkeerd interpreteert. Wanneer de interpretatie is ‘alleen het volume van de tanks neemt toe, maar niet het volume van de vloeistof’, zou de kandidaat onnodig een scorepunt missen. Vandaar dat deze factor destijds uit de beoordeling van het examen gehaald is.Toelichting op ‘membranen gebruiken die de ionenstroom beter doorlaten’:Door de ionenstroom beter door te laten, wordt het ook mogelijk om de halfreacties beter en efficiënter te laten verlopen. Daardoor is er een grotere elektronenstroom mogelijk en dus ook een toename van de stroomsterkte. Toelichting op ‘poreuze elektrodes gebruiken voor een groter contactoppervlak’:Een groter contactoppervlak betekent dat er per seconde meer halfreacties kunnen plaatsvinden, waardoor de elektronenstroom en dus de stroomsterkte toeneemt.