Zoutoplossing en potloodstiften: elektrolyse met zelfgemaakte elektroden

Alledaagse materialen: Twee gewone grafietpotloden HB (supermarkt/kantoorwinkel) • tafelzout (keuken) • water • glas of bekerglas • batterijen (AA of 9 V blokbatterij) • krokodillenbekdraden

Inleiding

Niveau: Scheikunde VMBO-T klas 3 (kwalitatief) / HAVO klas 3–4 (kwantitatief met halfreacties)

Twee potloodstiften, een batterij, wat tafelzout en water: met deze vier ingrediënten is elektrolyse van een zoutoplossing uitvoerbaar. Aan de elektroden ontstaan belletjes gas — waterstof aan de minpool, chloor aan de pluspool. Het experiment maakt het principe van elektrolyse concreet en zichtbaar, en legt de verbinding met industriële toepassingen zoals de chloor-alkalielectrolyse, die wereldwijd miljoenen tonnen chloor per jaar produceert.

De potloodstift bestaat uit grafiet (koolstof) — een goede elektrische geleider die niet reageert met de oplossing, waardoor hij als inerte elektrode fungeert. Goed geslepen potloden zijn voldoende; speciale koolstofelektroden zijn niet nodig.

Leerdoelen

Niveau: Scheikunde VMBO-T klas 3 / HAVO klas 3–4

• De leerling begrijpt wat elektrolyse is en hoe elektrische energie een chemische reactie aandrijft.
• De leerling herkent oxidatie aan de anode (pluspool) en reductie aan de kathode (minpool).
• De leerling schrijft de halfreacties op voor de elektrolyse van natriumchloride-oplossing.
• De leerling legt het verschil uit tussen elektrolyse van een NaCl-oplossing en van zuiver water.

Achtergrondinformatie

Niveau: Scheikunde HAVO klas 3–4 (halfreacties, elektrolyse); kwalitatief ook geschikt voor VMBO-T klas 3

Bij elektrolyse wordt een niet-spontane redoxreactie gedwongen via een externe spanningsbron. De elektroden staan in contact met de elektrolytoplossing; ionen migreren naar de tegengesteld geladen elektrode.

In een natriumchloride-oplossing (pekel) zijn Na⁺, Cl⁻, H⁺ en OH⁻ ionen aanwezig. Bij elektrolyse treden de volgende halfreacties op:

Kathode (−): 2 H⁺ + 2 e⁻ → H₂   (reductie; waterstofgas)

Anode (+): 2 Cl⁻ → Cl₂ + 2 e⁻   (oxidatie; chloorgas)

Netto: 2 NaCl + 2 H₂O → H₂ + Cl₂ + 2 NaOH

In de praktijk — bij lagere concentraties NaCl en kamertemperatuur — concurreert de oxidatie van water (tot O₂) met de oxidatie van Cl⁻. Bij lage zoutconcentratie kan er daardoor aan de anode ook zuurstof ontstaan in plaats van chloor. Dit is een interessante complicatie om te bespreken.

Het gevormde NaOH maakt de oplossing basisch — aantoonbaar met universeel indicatorpapier of een druppel broomthymolblauw.

Benodigdheden

Niveau: alle niveaus

• Twee gewone grafietpotloden (HB of harder), goed geslepen aan beide uiteinden
• Tafelzout (NaCl)
• Water (demiwater geeft schoner resultaat, leidingwater werkt ook)
• Een glas of bekerglas van circa 200 mL
• Twee of drie batterijen (AA of 9 V blokbatterij) of een regelbare labvoeding (3–9 V)
• Twee krokodillenbekdraden
• Optioneel: universeel indicatorpapier of broomthymolblauw om de basische reactie bij de kathode aan te tonen
• Optioneel: een gloeilampje (1,5 V zaklantaarnlampje) in serie om te laten zien dat de oplossing stroom geleidt
• Optioneel: een amperemeter om de stroomsterkte te meten

Veiligheid

Niveau: alle niveaus — zie veiligheidsopmerking over chloor bij hogere concentraties

Bij elektrolyse van een geconcentreerde NaCl-oplossing ontstaat chloorgas aan de anode — een giftig, groenig gas met een scherpe lucht. Werk in een goed geventileerd lokaal of voer het experiment uit in een zuurkast. Beperk de hoeveelheid oplossing (max. 100–150 mL) en gebruik niet meer dan 9 V spanning. Bij een lage NaCl-concentratie (minder dan 1 % zout) ontstaat voornamelijk zuurstof in plaats van chloor, wat veiliger is. Laat leerlingen bij de versie met geconcentreerd zout het experiment achter glas uitvoeren. Vermijd inademen van de dampen boven de oplossing.

Werkwijze

Niveau: alle niveaus

1. Los twee eetlepels zout op in circa 150 mL water en roer goed. Voor een veiligere variant: gebruik slechts een halve theelepel zout (lage concentratie — meer kans op zuurstof dan chloor aan de anode).
2. Slijp beide potloden scherp aan beide uiteinden, zodat het grafiet aan beide kanten bloot ligt.
3. Bevestig een krokodillenbek op het bovenuiteinde van elk potlood en dompel de onderkanten circa 3–4 cm onder in de zoutoplossing. Houd de potloden op circa 1–2 cm afstand van elkaar.
4. Verbind de krokodillenbekken met de pluspool (+, anode) en minpool (−, kathode) van de batterij.
5. Observeer: aan beide elektroden verschijnen belletjes. Noteer aan welke elektrode meer gas wordt geproduceerd en of er kleur- of geurverschil is.
6. Houd een vochtig velletje universeel indicatorpapier vlak boven de anodeelektrode. Een kleurverandering naar lichtgeel/rood kan op chloor wijzen (chloor reageert met water tot hypochloreuze zuur, dat bleekmiddel-werking heeft).
7. Voeg een druppel broomthymolblauw toe aan de oplossing naast de kathode — blauw kleuren wijst op een basisch milieu (NaOH-vorming).
8. Optioneel: schakel een gloeilampje in serie. Vergelijk de helderheid met en zonder zout in het water.

Verwerkingsvragen

Niveau: Scheikunde VMBO-T klas 3 (vragen 1 en 3) / HAVO klas 3–4 (alle vragen)

1. Aan welke elektrode (plus of min) ontstaat waterstof? Leg uit of dit oxidatie of reductie is.
2. Schrijf de halfreactie voor de vorming van chloorgas aan de anode. Klop de vergelijking op lading en atomen.
3. Waarom geleidt zuiver water vrijwel geen stroom, maar een zoutoplossing wel? Gebruik de begrippen ionen en geleidbaarheid.
4. U voegt een druppel broomthymolblauw toe aan de oplossing. Aan welke elektrode verwacht u blauw-kleuring, en waarom?
5. Bij lage zoutconcentratie ontstaat aan de anode zuurstof in plaats van chloor. Schrijf de halfreactie voor de oxidatie van water tot zuurstof. Waarom heeft concentratie invloed op welke reactie optreedt?
6. De industrie gebruikt elektrolyse van NaCl-oplossing (chloor-alkali-proces) om chloor en NaOH te produceren. Noem een toepassing van elk van deze producten.

Uitwerkingen verwerkingsvragen

Niveau: Scheikunde VMBO-T klas 3 / HAVO klas 3–4

1. Waterstof aan kathode — oxidatie of reductie?

Waterstof ontstaat aan de kathode (minpool). H⁺-ionen migreren naar de negatieve elektrode en nemen daar elektronen op: 2 H⁺ + 2 e⁻ → H₂. Dit is reductie — het ion neemt elektronen op en wordt gereduceerd tot moleculair waterstofgas.

2. Halfreactie chloor aan anode

2 Cl⁻ → Cl₂ + 2 e⁻
Lading: links 2×(−1) = −2; rechts 0 + (−2) = −2. ✓
Atomen: 2 Cl links, 2 Cl rechts. ✓
Dit is oxidatie: Cl⁻ verliest een elektron en wordt geoxideerd tot Cl₂.

3. Waarom geleidt zoutoplossing stroom?

In zuiver water zijn nauwelijks vrije ionen aanwezig (alleen H⁺ en OH⁻ in concentraties van 10⁻⁷ mol/L). Stroom wordt in oplossingen geleid door bewegende ionen — dus zonder ionen geen noemenswaardig stroomtransport. In zoutoplossing zijn Na⁺ en Cl⁻ in ruime mate aanwezig; zij migreren onder invloed van het elektrisch veld naar de elektroden en sluiten zo het circuit.

4. Broomthymolblauw bij kathode

Bij de kathode worden H⁺-ionen verbruikt. Dit verschuift het evenwicht richting meer OH⁻ (de oplossing wordt basisch). Tegelijk stapelt het gevormde NaOH zich op nabij de kathode. Broomthymolblauw kleurt blauw bij pH > 7,6 — de blauw-kleuring treedt dus op bij de kathode.

5. Zuurstof bij lage concentratie — competitie-reacties

Oxidatie van water aan de anode: 2 H₂O → O₂ + 4 H⁺ + 4 e⁻. Bij lage Cl⁻-concentratie zijn er minder chloride-ionen beschikbaar voor oxidatie. De standaardpotentiaal van de oxidatie van water is iets hoger dan die van chloride, maar bij hoge Cl⁻-concentratie "wint" de chloor-oxidatie door de concentratie-afhankelijkheid van de elektrodepotenties (Nernst-vergelijking). Bij lage concentratie kantelt de balans naar zuurstofvorming — veiliger, maar minder spectaculair.

6. Toepassingen van chloor en NaOH

Chloor (Cl₂): drinkwaterdesinfectie, productie van PVC-plastic, bleekpoeder en geneesmiddelen. Natriumhydroxide (NaOH, loog): zeepproductie, papier- en pulpindustrie, drain-ontstopper, productie van aluminium (bauxietverwerking).

Achtergrond: de chloor-alkali-industrie

De industriële elektrolyse van zoutoplossing — het chloor-alkali-proces — is een van de grootste elektrolytische processen ter wereld. Jaarlijks wordt circa 70 miljoen ton chloor geproduceerd, grotendeels via de membraancelcel of de kwikcelcel (tegenwoordig grotendeels uitgefaseerd vanwege milieuproblemen). Het gevormde NaOH is een van de meest gebruikte basische stoffen in de chemische industrie. Achter dit industriële proces schuilt hetzelfde experiment als twee potloodstiften in een glas zoutwater.

Bekijk het volledige assortiment onderwijsmaterialen voor scheikunde in onze webshop, of neem contact op voor advies over geschikte practica voor uw situatie.