Elektrochemische cel

Prioriteit: 🔴 Hoog

In 6 van de 8 onderzochte examenjaren, vaak in een batterij- of brandstofcelcontext: halfreacties per elektrode (3p), welke pool, ionen door het membraan, en rekenen met stroom en lading (3–4p).

Wat moet je kunnen?

• De halfreacties aan de positieve en negatieve elektrode opstellen, en de totaalreactie.
• Beredeneren welke elektrode positief of negatief is.
• Uitleggen welke ionen door het membraan gaan, en in welke richting.
• Rekenen met stroomsterkte, tijd en lading: $Q=I\cdot t$, mol elektronen, massa omgezette stof.

De kern

Tijdens stroomlevering	Negatieve elektrode	Positieve elektrode
wat reageert?	reductor	oxidator
soort reactie	oxidatie (e⁻ vrij)	reductie (e⁻ opgenomen)
e⁻ in de halfreactie	rechts	links

• Elektronen lopen door de draad van − naar +.
• Ionen lopen door het membraan of de zoutbrug zo dat beide kanten elektrisch neutraal blijven: positieve ionen naar de positieve elektrode, negatieve ionen naar de negatieve.
• Opladen (accu): alles gaat andersom; er wordt elektrische energie toegevoerd, het is dan een elektrolyse (zie Elektrolyse).
• Brandstofcel: de brandstof (bijv. H₂) is de reductor, O₂ de oxidator; ze worden continu aangevoerd.
• De sterkste oxidator en reductor vind je met de Standaardelektrodepotentiaal.

$Q=I\cdot tn({\text{e}}^{-})=\frac{Q}{F}F=9,65\cdot 10^4{\text{C mol}}^{-1}$

Zo wordt het gevraagd

• “Geef de vergelijkingen van de halfreacties die verlopen in de brandstofcel en geef de totaalvergelijking” (2018-2).
• “Leg uit of de lithiumelektrode … de positieve of de negatieve elektrode is” (2023-1).
• “Leg uit in welke richting de H⁺-ionen door het membraan passeren tijdens het opladen” (2018-1).
• “Bereken de massa in gram [stof] die is omgezet” uit stroomsterkte en tijd, in het juiste aantal significante cijfers (2022-1).
• “Leid met behulp van een berekening af welke van deze twee batterijen de hoogste ladingsdichtheid heeft” (2023-1).

Uitgewerkt voorbeeld

Waterstof-brandstofcel (examenstijl, vergelijk 2018-2 vraag 11)

Zuur milieu, membraan laat H⁺ door.

• Negatief (reductor H₂): ${\text{H}}_2\to 2{\text{H}}^{+}+2{\text{e}}^{-}$ (× 2)
• Positief (oxidator O₂): ${\text{O}}_2+4{\text{H}}^{+}+4{\text{e}}^{-}\to 2{\text{H}}_2\text{O}$
• Totaal: $2{\text{H}}_2+{\text{O}}_2\to 2{\text{H}}_2\text{O}$
• H⁺ ontstaat aan de negatieve kant en wordt aan de positieve kant verbruikt: H⁺ gaat door het membraan van − naar +. ✓

Massa uit stroom en tijd (examenstijl, vergelijk 2022-1 vraag 24)

Een zink-batterij levert 0,20 A gedurende 2,0 uur; $\text{Zn}\to {\text{Zn}}^{2+}+2{\text{e}}^{-}$.

1. $Q=0,20\times 2,0\times 3600=1,44\cdot 10^3$ C
2. $n({\text{e}}^{-})=1,44\cdot 10^3/9,65\cdot 10^4=1,49\cdot 10^{-2}$ mol
3. $n(\text{Zn})=1,49\cdot 10^{-2}/2=7,46\cdot 10^{-3}$ mol
4. $m=7,46\cdot 10^{-3}\times 65,38=$ 0,49 g Zn

Valkuilen

• Plus en min omdraaien: de reductor zit bij stroomlevering aan de negatieve kant.
• Bij opladen dezelfde halfreacties gebruiken als bij ontladen.
• Uren niet omrekenen naar seconden.
• De verhouding e⁻ : stof uit de halfreactie vergeten (Zn geeft 2 e⁻).
• Ionen de verkeerde kant op sturen: redeneer vanuit waar ze ontstaan en verbruikt worden.

Test jezelf

Welke batterij heeft per gram metaal de meeste lading: Li (Li → Li⁺ + e⁻) of Zn (Zn → Zn²⁺ + 2 e⁻)?

Li: $1/6,94=0,144$ mol e⁻ per gram. Zn: $2/65,38=0,031$ mol e⁻ per gram. Lithium.

Waarom is er een zoutbrug of membraan nodig?

Zonder ionentransport raakt de ene kant positief en de andere negatief geladen, en stopt de stroom.

Een accu wordt opgeladen. Is de elektrode waar eerst oxidatie plaatsvond nu de plek van oxidatie of reductie?

Van reductie: bij opladen lopen alle reacties omgekeerd.

Examenvragen om te oefenen

Doe deze vragen uit echte examens

• 2018 tijdvak 2, vraag 11–12: halfreacties brandstofcel, percentage elektronen uit de stroom (3p + 4p)
• 2022 tijdvak 1, vraag 22 en 24: halfreacties pleister-brandstofcel, massa uit stroomsterkte (samen 6p)
• 2023 tijdvak 1, vraag 18–19: ladingsdichtheid berekenen, positieve of negatieve elektrode (samen 4p)
• 2018 tijdvak 1, vraag 22–23: halfreacties bij opladen, richting van H⁺ door het membraan (4p + 2p)
• 2024 tijdvak 1, vraag 6–7: celopbouw, halfreacties en ionbeweging (3p + 2p)

Alle vindplaatsen

Aangetroffen in 6 van de 8 onderzochte examenjaren (2018–2026, 2020: geen examen gehouden) — 75%.

• 2024 tijdvak 1: vraag 6, 7
• 2023 tijdvak 1: vraag 18, 19
• 2022 tijdvak 3: vraag 5, 8
• 2022 tijdvak 1: vraag 22, 24
• 2021 tijdvak 3: vraag 15, 16
• 2019 tijdvak 1: vraag 24, 25
• 2018 tijdvak 2: vraag 11, 12
• 2018 tijdvak 1: vraag 22, 23, 24, 27

---

Ondersteunende onderwerpen

• Redoxreacties
• Standaardelektrodepotentiaal

Onderwerpen die dit ondersteunt

• Elektrolyse
• Elektrische energie opslag en productie
• Systeemdenken