Practicum: Elektrolyse van water en brandstofcel – redox nabouwen – Scheikunde Klas 4 VWO

In dit practicum voor klas 4 vwo ontleed je water door elektrolyse en bouw je daarna met het model de omgekeerde reactie na, zoals die in een brandstofcel verloopt. Je schrijft de halfreacties op en volgt de elektronen.

Leerdoel

Na dit practicum kun je de halfreacties van de elektrolyse van water opstellen, de verhouding tussen de gevormde gassen verklaren en de brandstofcelreactie 2 H2 + O2 → 2 H2O als omgekeerde reactie beschrijven.

Cursusniveau en vakgebied

Niveau: VWO klas 4 | Vak: Scheikunde | Domein: C1 Chemische processen; F3 Energieomzettingen | Elektrolyse, brandstofcel, halfreactie, kathode, anode, redox, waterstof, zuurstof, energieomzetting

Benodigdheden

  • Toytomics Basic Set Magnetic (valentie-elektronenmodel), één set per groepje van 2 of 3 leerlingen
  • Gelijkspanningsbron (6 tot 9 V) met snoeren, twee inerte elektroden (koolstof of roestvast staal)
  • Natriumsulfaatoplossing 0,5 M
  • reageerbuizen met rek, bekerglazen (250 mL)
  • Houtsplinters en een aansteker
  • Veiligheidsbril

Achtergrondinformatie

Bij elektrolyse wordt met elektrische energie een reactie afgedwongen die niet vanzelf verloopt. Water wordt ontleed in waterstof en zuurstof. Natriumsulfaat zorgt voor geleiding en neemt zelf niet deel aan de reactie.

Halfreacties: kathode: 2 H2O + 2 e- → H2 + 2 OH-. Anode: 2 H2O → O2 + 4 H+ + 4 e-. In een brandstofcel verloopt de omgekeerde reactie 2 H2 + O2 → 2 H2O vanzelf en levert elektrische energie.

Waterstof en zuurstof vormen een explosief mengsel. Werk met kleine hoeveelheden gas en houd vlammen weg van de opstelling tot je de gassen test.

Werkwijze

Deel A – Elektrolyse

  1. Vul het bekerglas met natriumsulfaatoplossing. Vul twee reageerbuizen helemaal met de oplossing en plaats ze omgekeerd, zonder luchtbel, boven elk van de elektroden.
  2. Sluit de elektroden aan op de spanningsbron. Laat de elektrolyse lopen tot een van de buizen ongeveer halfvol is.
  3. Lees af hoeveel gas zich in elke buis bevindt en noteer de volumes.
  4. Test het gas in de buis boven de kathode met een brandende houtsplinter en dat boven de anode met een gloeiende houtsplinter.

Deel B – De ontleding van water in het model

  1. Bouw twee watermoleculen. Trek ze uit elkaar en bouw met de atomen twee H2-moleculen en één O2-molecuul.
  2. Tel hoeveel elektronen er nodig zijn voor de halfreactie van de kathode en hoeveel er vrijkomen bij de anode.

Deel C – De brandstofcelreactie in het model

  1. Bouw 2 H2 en 1 O2 en laat ze reageren tot twee watermoleculen. Dit is de omgekeerde reactie van deel B.
  2. Volg de elektronen: ze komen van het waterstof en gaan naar de zuurstof.

Meettabel

ElektrodeGasVolume (mL)Test met houtsplinter
Kathode (−)
Anode (+)

Verwerkingsvragen

  1. Hoe is de verhouding van de gasvolumes? Hoe volgt dat uit de reactievergelijking 2 H2O → 2 H2 + O2?
  2. Welk gas ontstaat bij de kathode en welk bij de anode? Wat zag je bij de houtsplintertest?
  3. Tel de ladingen en elektronen in de twee halfreacties en laat zien dat ze samen de totaalreactie geven.
  4. Op welke manier is een brandstofcel het omgekeerde van een elektrolyse? Noem het verschil in energieomzetting.

Uitwerking

V1: Ongeveer 2 : 1 (waterstof : zuurstof). Bij dezelfde temperatuur en druk is de volumeverhouding gelijk aan de molverhouding, en de reactievergelijking geeft 2 mol H2 per 1 mol O2. Het gemeten volume zuurstof kan wat lager uitkomen doordat zuurstof beter in water oplost.

V2: Waterstof bij de kathode (de houtsplinter geeft een zacht knallend geluid), zuurstof bij de anode (de gloeiende houtsplinter vlamt op).

V3: Vier keer de kathode-halfreactie: 8 H2O + 8 e- → 4 H2 + 8 OH-. Twee keer de anode-halfreactie: 4 H2O → 2 O2 + 8 H+ + 8 e-. Optellen en 8 H+ + 8 OH- → 8 H2O wegstrepen geeft 4 H2O → 4 H2 + 2 O2, gedeeld door 2: 2 H2O → 2 H2 + O2.

V4: De brandstofcel laat de omgekeerde reactie verlopen: H2 en O2 geven H2O. Bij elektrolyse wordt elektrische energie omgezet in chemische energie; in een brandstofcel wordt chemische energie omgezet in elektrische energie.

Benodigde laboratoriumapparatuur van Labvakhandel

Labvakhandel levert de Toytomics Basic Set Magnetic, reageerbuizen en bekerglazen voor elektrolyse- en redoxproeven in het voortgezet scheikundeonderwijs.

Welk type molecuulmodel past bij uw les? Lees het artikel Molecuulmodellen in de scheikundeles.

Bekijk het assortiment of neem contact op voor advies.

Meer practicumopdrachten

Ontdek alle practica in de Labvakhandel kennisbank — voor biologie, scheikunde en natuurkunde.

sluiten
Bestellijst
sluiten

Uw winkelwagen is leeg.