Chemie 7e ed - Hoofdstuk 11 - Metalen en redox oefentoetsen & antwoorden

Het verstoren van de regelmaat van atomen in een metaalrooster. Vaak ontstaan deze onregelmatigheden doordat er een ander soort atoom met afwijkende afmetingen onderdeel wordt van het metaalrooster. Door de aanwezigheid van vrije elektronen kan een metaal stroom geleiden. Als aan het begin van een metaaldraad een hoeveelheid elektronen de draad ingaat, verplaatsen de vrije elektronen zich naar de andere kant van de draad. Aan het uiteinde komen dan evenveel elektronen uit de draad als er aan het begin in zijn gegaan. Het geleiden van stroom kenmerkt zich door het verplaatsen van vrije elektronen. Een reductor is een deeltje dat elektronen afstaan en wordt ook wel een elektronendonor genoemd. Een oxidator is een deeltje dat elektronen opneemt en wordt ook wel een elektronenacceptor genoemd. Een elektrode kan de pluspool of de minpool zijn in een elektrochemische cel of een brandstofcel. Een elektrolyt is een oplossing die de stroom kan geleiden. In de praktijk komt het erop neer dat het door het elektrolyt mogelijk is dat bijvoorbeeld H+ ionen zich verplaatsen. De ionen worden dan bij de ene halfreactie geproduceerd en bij de andere halfreactie zijn ze dan weer nodig als beginstof.  Wanneer een zuiver metaal, zoals zilver, nader wordt bekeken, is te zien dat het metaalrooster bestaat uit atomen van dezelfde grootte die netjes gerangschikt zijn. Het vervormen van dit metaal is gemakkelijk, omdat de lagen van atomen in het metaalrooster gemakkelijk langs elkaar kunnen bewegen. Wanneer het metaalrooster van de legering met koperatomen wordt bekeken, is er te zien dat de atomen verschillende groottes hebben (klein voor koper, groot voor zilver) en dat maakt het langs elkaar bewegen van de lagen in het metaalrooster lastig. Hoe moeilijker het bewegen van de lagen metaalatomen is, hoe harder en minder vervormbaar het materiaal is. In de chemische reactie die wordt beschreven wordt Ag omgezet in Ag2S. Ag2S is een zout waarbinnen Ag een positieve lading heeft (namelijk Ag+) en S een negatieve lading (namelijk S2-). Eigenlijk wordt Ag dus omgezet naar Ag+ en dit is alleen mogelijk als er een elektron wordt afgestaan. Het afstaan van elektronen behoort als eigenschap bij reductoren en daarom kun je stellen dat de beschreven reactie een redoxreactie is.Aluminium is een zeer onedel metaal en reageert dus makkelijk met zuurstof uit de lucht, waardoor een ondoordringbare laag van corrosie (aluminiumoxide) ontstaat. Dit is de chemische reactie die heeft plaatsgevonden aan de doffe kant van het folie. De aluminiumatomen zijn aan de doffe kant dus niet ‘beschikbaar’ om te reageren in een chemische reactie die de verkleuringen van zilver zou kunnen wegwerken.  O2 + 2 H2O + 4 e- → 4 OH-Tip: In de tekst is te lezen dat er naast waterstof ook zuurstof de brandstofcel wordt ingeleid. In BINAS Tabel 48 kan deze halfreactie worden opgezocht door te zoeken bij de oxidatoren, omdat de halfreactie die is gegeven elektronen na de pijl heeft en dus de reductor is. Als deze tabel wordt bestudeerd, is de sterkste oxidator de volgende:O2 + 4 H+ + 4 e- → 2 H2O (l)Deze halfreactie kan echter niet plaatsvinden, omdat dit geen zure, maar een basische omgeving is. De volgende halfreactie met zuurstof die, gezien de aanwezige stoffen, mogelijk is, is:O2 + 2 H2O + 4 e- → 4 OH-Het elektrolyt zorgt ervoor dat de beide halfcellen elektrisch neutraal blijven. Aan de kant waar ionen met een positieve lading ontstaan, , zijn negatieve ionen nodig. Daar bewegen de hydroxide-ionen dus naartoe. Aan de kant waar ionen met een negatieve lading ontstaan, , zijn positieve ionen nodig. Daar bewegen de kaliumionen dus naartoe. Tip: In de schematische tekening is te zien dat er aan de linkerkant moleculen de brandstofcel worden ingeleid en dat er ook weer moleculen de brandstofcel verlaten. Dit is het geval bij de halfreactie: H2 + 2 OH- → 2 H2O + 2e-. Bij de andere halfreactie ontstaat er namelijk alleen OH- en dit is nodig bij de andere halfreactie en verplaatst zich dus via het elektrolyt. Aan de linkerkant bevindt zich dus de reductor en aan de rechterkant de oxidator. Elektronen lopen altijd van de reductor naar de oxidator, dus vandaar dat de elektronenstroom van links naar rechts getekend moet worden.  6 x -(-3,935.105) + 6 x -(-2,86.105) + -12,74.105 = 28,03.105 JHet antwoord op deze vraag is te bereiken door de volgende stappen te doorlopen:Zoek in BINAS Tabel 57 de ontledings- en vormingswarmtes die bij de aanwezige stoffen horen:CO2 (g) -3,935.105 JH2O (l) -1,88.105 JC6H12O6 (s) -12,74.105 JO2 (g) 0 J (niet-ontleedbare stoffen zijn altijd 0 J)Verwerk de coëfficiënten uit de reactievergelijking.CO2 (g) 6 x -3,935.105 JH2O (l) 6 x -1,88.105 JC6H12O6 (s) -12,74.105 JO2 (g) 6 x 0 De berekening is als volgt: -Ebeginstoffen + Eproducten = ReactiewarmteDus: 6 x -(-3,935.105) + 6 x -(-2,86.105) + -12,74.105 = 28,03.105 JElektrode A is de negatieve elektrode, want bij de reactie die plaatsvindt bij elektrode A komen elektronen vrij en reageert glucose als reductor. Tip: Dit kun je herkennen aan de elektronen die na de pijl genoteerd zijn.C6H12O6 + 6 H2O → 6 CO2 + 24 H+ + 24 e-   1xO2 + 4 H+ + 4 e- → 2 H2O 6xC6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2ODe twee halfreacties zijn al gegeven in de vraag. Het enige dat nu nog moet gebeuren om de totaalreactie te noteren, is het gelijk maken van de elektronen door één van de halfreacties vaker te laten plaatsvinden. In de halfreactie van elektrode A komen 24 elektronen vrij en bij de halfreactie van elektrode B zijn er 4 elektronen nodig. Om de elektronen gelijk te krijgen, moet de halfreactie van elektrode B 6x plaatsvinden:6 O2 + 24 H+ + 24 e- → 12 H2ODe bovenstaande halfreactie moet worden opgeteld bij de halfreactie van elektrode A. Uiteindelijk levert dit de volgende reactie op:C6H12O6 + 6 H2O + 6 O2 + 24 H+ + 24 e- → 6 CO2 + 12 H2O + 24 H+ + 24 e- In de bovenstaande reactie staan H2O, H+ en e- zowel voor als na de pijl. Deze deeltjes moeten tegen elkaar weggestreept worden om de onderstaande totaalreactie te krijgen:C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2OArgument voor Naima:Bij elektrode B reageren evenveel H+ ionen als er bij elektrode A ontstaan en hierdoor verandert de zuurgraad van de bodem niet.In de totale vergelijking staat geen H+ en/of OH-, dus verandert de zuurgraad van de bodem niet.Als het gevormde CO2 ontwijkt als gas zal de pH niet veranderen. Argument voor Meron:Er ontstaat CO2. Hierdoor wordt met water koolzuur gevormd, waardoor de zuurgraad van de bodem verandert.Doordat H2O ontstaat, treedt verdunning op en verandert de pH richting 7, waardoor de zuurgraad van de bodem verandert.Een koolstofatoom heeft vier elektronen in de L-schil. Een koolstofatoom in het midden van een grafietlaag is covalent gebonden aan drie koolstofatomen. Hiervoor zijn drie van de vier elektronen nodig. Elk koolstofatoom heeft dus één elektron dat betrokken is bij het elektrisch geleidingsvermogen van grafiet.Voorbeelden van een juiste reden zijn:Een deel van de chemische energie wordt omgezet in warmte en niet in elektrische energie.Bij energieomzettingen gaat ook altijd energie verloren als warmte.Het rendement van chemische omzettingen is nooit 100%.Een plant geeft slechts een deel van de organische verbindingen af aan de bodem, dus niet alles.Een deel van de glucose wordt gebruikt voor groei.Een deel van de chemische energie wordt gebruikt om biologische processen in de plant te laten verlopen.$\frac{1.2 \cdot 10^{10}}{3.6 \cdot 10^9 \times \frac{5.0}{100} \times \frac{42}{100}} = 1.6 \cdot 10^2 \, m^2$Berekening van de hoeveelheid lichtenergie per m2 die per jaar door het proces van Plant-e wordt omgezet tot elektrische energie:$3.6 \cdot 10^9 \times \frac{5.0}{100} \times \frac{42}{100} = 7.56 \cdot 10^4 \, J$In de vraag staat hoeveel energie de zon in Nederland per m2 levert: $3.6 \cdot 10^9$ J. Ook staat er beschreven dat maar 5,0% van deze lichtenergie wordt omgezet tot chemische energie. Er moet dus 5,0% berekend worden van $3.6 \cdot 10^9$ J. Deze chemische energie moet worden omgezet naar elektrische energie en dit gaat om 42%. Van de hoeveelheid chemische energie moet dus 42% genomen worden. Berekening van het aantal m2 begroeiing dat nodig is:$\frac{1.2 \cdot 10^{10}}{7.56 \cdot 10^4} = 1.6 \cdot 10^2 \, m^2$Tot nu toe is er berekend hoeveel lichtenergie van de zon wordt omgezet in elektrische energie per m2. In de opdracht wordt gevraagd om te berekenen hoeveel m2 er nodig is om een gemiddeld Nederlands huishouden van elektrische energie te voorzien. De hoeveelheid J die een Nederlands huishouden gebruikt, moet dus worden gedeeld door de hoeveelheid J die per m2 kan worden omgezet. Tip: Belangrijk bij dit stuk van de opdracht is dat je nauwkeurig leest en probeert te visualiseren welke stappen er in dit proces voorkomen. Soms helpt het om een kort stappenplan te noteren als klad, zodat je niets over het hoofd ziet.