Elektrochemie voor MBO/Elektrolysecel

---

---

Elektrolyse in een waterige oplossing

Voorbeeld van een elektrolytische cel.

In de figuur hiernaast is een elektrolytische cel schematisch weergegeven. De opstelling lijkt erg veel op die welke in de potentiometrie gebruikt wordt, met als grootste verschil dat er nu een externe spanningsbron aanwezig is die de stroom een bepaalde kant op stuurt.

De in de opstelling ook aangegeven ampère- en volt-meter zijn geen noodzakelijke onderdelen van de opstelling, maar zij maken het wel mogelijk om het verloop van de elektrolyse te volgen.
De spanningsbron zorgt ervoor dat (in dit geval) de zink-elektrode ruim voorzien wordt van elektronen. Aan deze elektrode kan dus een reductie plaatsvinden. Deeltjes kunnen elektronen opnemen. Net als in de potentiometrie geldt:

de elektrode waaraan reductie optreedt wordt de kathode genoemd.

De elektronen die door de spanningsbron aan de linker elektrode geleverd worden, komen van de rechter elektrode. Dat wil zeggen dat er bij de rechter elektrode deeltjes hun elektronen kwijtraken, geoxideerd worden. En ook, net als in de potentiometrie, geldt:

De elektrode waar oxidatie optreedt is de anode.

Anode
Kathode

In de tijd dat plaatjes veel lastiger waren om in gedrukte tekst op te nemen, is een notatie voor elektrolytische cellen bedacht met de volgende regels:

• de cel wordt van anode naar kathode genoteerd.
• fase-overgangen (vaste stof/oplossig, oplossing/vaste stof) worden met een verticale streep aangegeven.

Voor bovenstaande cel wordt dat:

${\ce {Cu\ |\ Cu_{aq}^{2+},\ Cl_{aq}^{-}\ |\ Zn}}$

tekstnotatie

De vraag die je nu kunt stellen is: welke reactie zorgt voor de reductie bij de kathode en welke reactie is verantwoordelijk voor de oxidatie bij de anode? Het algemene antwoord op deze vragen is:

• aan de kathode zal de sterkste oxidator gereduceerd worden.
• aan de anode zal de sterkste reductor geoxideerd worden.

Om het antwoord te vinden maak je gebruik van de volgende stappen:

• kathode
  • Noteer alle componenten die bij de kathode een rol kunnen spelen
  • Ga van elk van de gevonden componenten na of zij als oxidator kunnen optreden
  • Zoek voor de mogelijke oxidatoren de standaard elektrodepotentiaal op
  • De reactie met de hoogste standaard elektrodepotentiaal zal verlopen
• anode: doorloop voor de anode dezelfde stappen:
  • Noteer alle componenten die bij de anode een rol kunnen spelen
  • Ga van elk van de gevonden componenten na of zij als reductor kunnen optreden
  • Zoek voor de mogelijke reductoren de standaard elektrodepotentiaal op
  • De reactie met de laagste standaard elektrodepotentiaal zal verlopen

Welke reacties

Voorbeeld

Als voorbeeld kijk je naar de elektrolyse zoals die in de figuur boven aan de pagina is weergegeven: een anode van koper, een kathode van zink, in een koperchloride-oplossing. In de oplossing zijn de volgende deeltjes aanwezig:

• ${\ce {H2O}}$, uiteraard, dat is het oplosmiddel
• ${\ce {Cu^{2+}_{aq}}}$, gehydrateerde koper-ionen
• ${\ce {Cl^{-}_{aq}}}$, gehydrateerde chloride-ionen

Daarnaast is er ook het water-evenwicht, waar de volgende ionen uit voortkomen:

• ${\ce {H^{+}_{aq}}}$, gehydrateerde waterstof-ionen. Als je wilt mag je hier ook ${\ce {H3O^{+}_{aq}}}$ voor schrijven.
• ${\ce {OH^{-}_{aq}}}$, gehydrateerde hydroxide-ionen

De concentratie van de ionen uit het waterevenwicht is echter maar 10^-7 mol/L, en dat betekent dat ze als reagerend ion nauwlijks in aanmerking komen.

Bestanddelen van de oplossing

Naast de deeltjes die in oplossing zijn spelen ook de elektroden een rol in de elektrolyse:

• ${\ce {Cu_{(}s)}}$ Anode
• ${\ce {Zn_{(}s)}}$ Kathode

Elektroden

Kathode

Om te bepalen welke reactie er aan de kathode zal optreden verzamel je eerst alle componenten die bij de kathode aanwezig zijn:

Welke componenten zijn bij de kathode aanwezig?

Component	Reactie	Eo (V)
${\ce {H2O}}$
${\ce {Cu^{2+}_{aq}}}$
${\ce {Cl^{-}_{aq}}}$
${\ce {Zn}}$

Kathodecomponenten

Bij de kathode treedt reductie op, dus moet je je eerst afvragen of de component wel reduceerbaar is, elektronen kan opnemen, als oxidator kan optreden. In onderstaande tabel is ook meteen de bij de redox hoerende E^o-waarde genoteerd.

Welke componenten zijn reduceerbaar en welke E^o-waarde hoort daar bij?

Component	Reactie	Eo (V)
${\ce {H2O}}$	${\ce {2H2O\ +\ 2e^{-}\ ->\ 2OH^{-}\ +\ H2}}$	-0,83
${\ce {Cu^{2+}_{aq}}}$	${\ce {Cu^{2+}\ +\ 2e^{-}\ ->\ Cu^{0}}}$	0,34
${\ce {Cl^{-}_{aq}}}$	${\ce {Cl^{-}\ +\ e^{-}\ ->\ }}$ geen reactie
${\ce {Zn}}$	${\ce {Zn^{0}\ +\ e^{-}\ ->\ }}$ geen reactie

Bij een reductie zal de sterkste oxidator gereduceerd worden. De sterkste oxidator is die component met de hoogste (of de minst negatieve) E^o-waarde. Dat is in dit geval die van het koper(II)-ion. De reactie die aan de kathode zal verlopen is dus:

${\ce {Cu^{2+}\ +\ 2e^{-}\ ->\ Cu^{0}}}$

Kathodereactie

Anode

Voor de anode zijn de gegevens in onderstaande tabel weergegeven. Aan de anode treedt oxidatie op, zodat:

Welke componenten zijn reduceerbaar en welke E^o-waarde hoort daar bij?

Component	Reactie	Eo (V)
${\ce {H2O}}$	${\ce {2H2O\ \ ->\ O2\ +\ 4H^{+}\ +\ 4e^{-}}}$	1,23
${\ce {Cu^{2+}_{aq}}}$	${\ce {Cu^{2+}\ -> \ }}$ geen reactie
${\ce {Cl^{-}_{aq}}}$	${\ce {2 Cl^{-}\ -> \ + Cl2 \ + \ 2 e^{-}}}$	1,36
${\ce {Cu}}$	${\ce {Cu^{0}\ -> Cu^{2+}\ + \ 2 e^{-}}}$	0,34

Bij een oxidatie zal de sterkste reductor geoxideerd worden. De sterkste reductor is de component met de laagste (of de meest negatieve) E^o-waarde. Dat is in dit geval het metallische koper. De reactie die aan de kathode zal verlopen is dus:

${\ce {Cu^{0}\ ->\ Cu^{2+}\ +\ 2e^{-}}}$

Anodereactie

---

---