Practicum: Elektrochemie – Nernst en waterstofbrandstofcel – Scheikunde Klas 6 VWO

In dit examenpracticum voor klas 6 vwo verdiep je de Nernst-vergelijking bij variabele pH, meet je de spanning van een waterstofbrandstofcel en vergelijk je het theoretische rendement met de werkelijkheid. Je koppelt dit aan ΔG en duurzame energieomzetting.

Leerdoel

Na dit practicum kun je de Nernst-vergelijking toepassen bij pH-afhankelijke halfcellen, het theoretisch rendement van een brandstofcel berekenen via ΔG/ΔH, het energetisch voordeel van een brandstofcel vs. verbrandingsmotor kwantificeren, en de rol van de proton-uitwisselmembraan (PEM) beschrijven.

Cursusniveau en vakgebied

Niveau: VWO klas 6 (examenjaar) | Vak: Scheikunde | Domein: F3 Energieomzettingen, C1 Chemische processen, G3 Energie en industrie (CE)

Benodigdheden

• PEM-brandstofcel-demonstratieset
• Elektrolyseur (voor H₂-productie uit water)
• Digitale voltmeter en amperemeter
• LED (lastweerstand) voor rendementsberekening
• Gegeven pH-afhankelijke halfcelspanningsdata (berekening Nernst)

Achtergrondinformatie

Waterstofbrandstofcel (PEM): H₂ + ½O₂ → H₂O   ΔH = −286 kJ/mol; ΔG = −237 kJ/mol. Theoretisch maximaal rendement: η_th = |ΔG| / |ΔH| = 237/286 = 82,9%. In de praktijk 40–60%. Verbrandingsmotor: max. 30–40% (Carnot-limiet). Anode (−): H₂ → 2H⁺ + 2e⁻; Kathode (+): ½O₂ + 2H⁺ + 2e⁻ → H₂O. Nernst met pH: E = E° − (0,059/n) × log(Q) waarbij [H⁺] = 10⁻pH.

pH-afhankelijke celspanning (berekend)

Verwerkingsvragen

1. Bereken E bij pH = 3 voor de waterstofbrandstofcel via de Nernst-vergelijking.
2. Bereken het theoretisch rendement van de brandstofcel en vergelijk met een benzinemotor (η = 35%).
3. De gemeten celspanning is 0,70 V bij belasting. De stroomsterkte is 0,15 A. Bereken het vermogen.

Uitwerking

V1: Cel: H₂ + ½O₂ → H₂O; n = 2. Q = 1/([H⁺]² × [O₂]⁻½) ≈ 1/[H⁺]² bij p(O₂) = 1 atm. E = 1,23 − (0,059/2) × log(1/[H⁺]²) = 1,23 − 0,0295 × 2 × pH = 1,23 − 0,0295 × 2 × 3 = 1,23 − 0,177 = 1,053 V ≈ 1,05 V.

V2: η_th = |ΔG| / |ΔH| = 237 / 286 × 100% = 82,9%. Benzinemotor: 35%. De brandstofcel is ruim 2× zo efficiënt als thermisch limiet bij de motor.

V3: P = U × I = 0,70 × 0,15 = 0,105 W = 105 mW.

Benodigde laboratoriumapparatuur van Labvakhandel

Labvakhandel levert PEM-brandstofcel-demonstratiesets, elektrolyseurs en digitale meet-instrumenten voor energieomzettingspraktika in het voortgezet scheikundeonderwijs.

Bekijk het assortiment of neem contact op voor advies.

Meer practicumopdrachten

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