Elektrochemie voor MBO/Elektrode in eigen zout

Elektrode in een oplossing van zijn eigen zout

Op de vorrige pagina is stap voor stap nagegaan wat er gebeurt als een metaal met water in contact komt. Afhankelijk van het metaal gaan meer of minder metaal-ionen over in het ion dat vervolgens gehydrateerd in het water wordt opgenomen als opgelast ion.
In deze pagina kijk je naar het omgekeerde proces. Er zijn al ionen van het metaal in het water aanwezig, in plaats van met 'kaal' water heb je te maken met een oplossing van een zout. In het voorbeeld hieronder kan dat bijvoorbeeld een oplossing van koper(II)sulfaat zijn.

Elektrode in eigen zout

In de afbeelding hiernaast is een stukje koper weergegeven met daarnaast een koper-ion in oplossing. Het koper-ion is omgeven door watermoleculen.
Net als bij het in oplossing gaan van metaalatomen uit het oppervlak van het metaal is ook hier de start van de serie gebeurtenissen het feit dat elektronen in een metaal niet vast aan één metaal-atoom gebonden zijn. Bij het in oplossing gaan van metaal-atomen ging en elektronen van het oppervlak van het metaal meer naar binnen, hier gebeur het omgekeerde: een elektronen van een van de meer naar binnen liggende atomen komt op een van de atomen op het oppervlak van de koper-elektrode terecht.

Lading op het metaaloppervlak

Op het moment dat er een lokale negatieve lading op het oppervlak van het metaal zit (aangegeven met de blauwige kleur), zal een opgelost koper-ion daar door worden aangetrokken. Plus en min rekt elkaar immers aan.

Het gevolg is naar twee kanten merkbaar:

Het extra elektron wordt nu vastgehouden aan het metaal-oppervlak in plaats van dat het weer verder gaat in zijn zwerftocht door het metaal.
De nabijheid van de negatieve lading heeft voor de watermantel van het koper-ion tot gevolg dat hij minder goed vastgehouden kan worden.

Plus en min trekt elkaar aan

Het minder vast gaan zitten van de watermantel geeft het opgeloste koper-ion de mogelijkheid meer naar de plek te schuiven waar het ook zou zitten als het deel zou uitmaken van het metaalrooster van de elektrode.

Een zwervend elektron uit een ander deel van de elektrode kan nu makkelijk deel gaan uitmaken van de elektronenwolk van het koper-ion, alleen: met twee extra elektronen is een koper-ion geen koper-ion meer, maar gewoon metallisch koper.

Het vrije elektronenpaar van het watermolecuul wordt door de gevulde elektronenwolk van het vroegere ion teruggeduwd naar het watermolecuul. Voor dat laatste is er nu geen enkele reden meer om in de buurt van het koper-ion te blijven: het gaat weer deel uitmaken van de grote hoeveelheid water van de oplossing.

Laatste watermoleculen lossen

Het totale proces betekent dat een ion uit de oplossing deel is gaan uitmaken van de elektrode. Het gevolg daarvan is dat:

de elektrode (een beetje) zwaarder is geworden.
de lektrode een positieve(re) lading gekregen heeft
de oplossing een negatieve(re) potentiaal gekregen heeft, er is immers positieve lading verdwenen uit de oplossing.

Neergeslagen

Reactiesnelheid

De snelheid waarmee het boven beschreven proces verloopt is van een aantal zaken afhankelijk:

Soort metaal

Koper is een metaal waarin elektronen heel makkelijk van het ene atoom op het andere overstappen. Koper is op zilver na het metaal met de kleinste soortelijke weerstand. Dat wil niet zeggen dat koper ook een metaal is dat makkelijk elektronen afstaat, maar tussen koper-atomen onderling verloopt het proces soepel. Afstaan van elektronen aan een koper-ion gaat snel. Dit zal effect hebben op de snelheid van de reactie. Algemeen kun je zeggen:

R\ \sim \ soort\ metaal

Verg. 1

Waarin

R

:

De reactiesnelheid

Soort metaal

De hoeveelheid elektronen op het metaal

Het zal duidelijk zijn dat als er op de koperstaaf veel elektronen aanwezig zijn (de koperstaaf is verbonden met de negatieve pool van een batterij), het makkelijk zal gebeuren dat er een negatief plekje op het oppervlak ontstaat waar koper-ionen kunnen neerslaan. Omgekeerd, zijn er weinig elektronen in het koper aanwezig (verbonden met de positieve pool van de batterij), dan zal de reactie juist extra moeilijk, dus traag, verlopen. Een maat voor het aantal extra elektronen of juist het tekort is de potentiaal van het metaal, uitgedrukt in Volt. Algemeen kan gezegd worden dat de reactiesnelheid afhangt van de potentiaal van het metaal. En bovendien: hoe hoger de potentiaal (= minder elektronen) hoe lager de reactiesnelheid.

R\ \sim \ E

Verg. 2

Waarin

R	:	De reactiesnelheid
E	:	De potentiaal in volt

Potentiaal

Aantal elektronen: In tegenstelling to het in oplossing gaan van meaal-atomen is voor het neerslaan het aantal elektronen niet belangrijk. Een elektron is voldoende om een metaal-ion aan het metaal te koppelen. Dat er daarna nog meer elektronen nodig zijn om tot een compleet gebonden atoom te komen is niet belangrijk. Het eerste elektron zorgt dat het ion vast zit.

Aantal elektronen

Concentratie

Bij het in oplossing gaan van metaal-atomen is het aantal niet belangrijk. Het hele metaal-oppervlak kan als reactie-plek dienen. Bij het neerslaan speelt het aantal ionen in de oplossing, de concentratie, wel een rol. Als er meer ionen zijn, dus als de concentratie hoger is, zal de reactie sneller verlopen, en omgekeerd.

R\ \sim \ c

Verg. 3

Waarin

R	:	De reactiesnelheid
c	:	De concentratie

Concentratie