Elektrochemie voor MBO/Elektrode in water

---

Dit is de eerste pagina

Inhouds­opgave

Volgende pagina

Index

---

Metaal en water

Koper in de keuken

De potentiometrie is een breed onderwerp binnen de analytische chemie. Net als met alle grote zaken is het gewoon een kwestie van met kleine stapjes beginnen. Als eerste kijk je naar wat er gebeurt als je een metaal met water in contact brengt.
In het vervolg van deze pagina wordt koper als voorbeeld genomen. Uit de foto hiernaast kun je afleiden dat het contact tussen koper en water niet alleen maar toevallig gebeurt. Koken met behulp van het uitgestalde keukenarsenaal zal koper zeker in contact brengen met water. En niet alleen met water, maar ook met allerlei in dat water opgeloste stoffen. Sommige daarvan zullen effect hebben op de reactie van het koper op water. Andere stoffen "staan erbij en kijken ernaar".

Metalen in water

Bij het bekijken van een staaf of draad koper ziet het er uiteraard uit als een gesloten oppervlak. De afzonderlijk atomen zijn voor het menselijk oog niet zichtbaar. Op microscopisch niveau, het niveau waar reacties tussen moleculen en atomen optreden, zijn de afzonderlijke atomen wel belangrijk. Bij het bespreken van de bouw van metalen is aangegeven dat metalen goed te beschrijven zijn als een rooster van positief geladen ionen, waartussen de valentie-elektronen bijna vrij makkelijk kunnen bewegen. Dat is ene verklaring voor onder andere het feit dat metalen elektriciteit goed geleiden.

Metalen

Dat elektronen makkelijk van het ene atoom naar het andere kunnen overstappen betekent ook dat het makkelijk gebeurt. Als dit ergens binnen in het metaal gebeurt zie je daar aan de buitenkant weinig van. Anders is het, wanneer een elektron van een van de oppervlak-atomen ergens anders heen gaat. Op de plek waar het terecht komt is een negatieve lading ontstaan, op de plek waar het elektron vertrokken is, is een positieve lading ontstaan.^DocentDit is een puur deeltjesbeschrijving van het elektron. Quantummechanisch geldt dat de golffunctie naar de rand van het metaal een lagere waarde heeft. Nu wordt een bepaalde eigenschap van het water-molecuul belangrijk: het molecuul heeft vrije elektronenparen.

Beweging

Vrije elektronenparen in een molecuul betekenen beschikbare negatieve lading. Door de ontstane positieve lading op het metaal worden deze elektronen aangetrokken. Zij vullen het gat gedeeltelijk op dat door het vertrek van een elektron daar ontstaan is. Helemaal opvullen lukt niet, want dan zou het water-molecuul te weinig elektronen overhouden. In de tekening hiernaast is de verspreiding van de lading aangegeven door de groene (positief) en blauwe (negatief) kleuring.

Hydratatie

Het gevolg is dat de positieve lading van het koper-atoom "uitgesmeerd" wordt over het koper-atoom en het watermolecuul.

Dat op zijn beurt heeft twee gevolgen:

1. Het koper-elektron dat "ergens anders" heen is, wordt minder teruggetrokken naar het positieve gat dat het achtergelaten heeft. Het krijgt nog meer vrijheid.
2. Het tweede valentie-elektron van koper wordt door de minder positieve lading minder goed vastgehouden.

Lading spreiden

Het tweede elektron kan nu ook naar "ergens anders"in het metaal gaan. De lading op het atoom dat nu beide vakentie-elektronen kwijt is zal toenemen, waardoor het voor water-moleculen makkelijker wordt eraan te binden.

Het tweede elektron

Als het tweede elektron ook weg is wordt het voor een tweede watermolecuul mogelijk de vrijgekomen elektronenruimte te vullen met een vrij elektronenpaar op zuurstof. De positieve lading, inmiddels 2 groot, wordt verdeeld over koper en beide water-moleculen. Het koper-atoom is inmiddels geen atoom meer maar een ion en de binding tussen dit ion en de rest van het koper-metaal is minimaal geworden. Zelf draagt het koper-ion geen elektronen meer bij aan de gezamenlijke elektronen in het metaal. Bovendien is zijn aantrekkingskracht op elektronen in het metaal minimaal geworden door de aanwezigheid van de vrije elektronenparen van de water-moleculen.

Opnieuw
Hydratatie
Lading spreiden

De laatste stap in te proces wordt gevormd door het geheel loslaten van de metaalstructuur door het "uitgeklede"koper-ion. Het ion gaat in oplossing. De positieve lading is verdeeld over het koper-ion en zijn hydraterende watermoleculen. De negatieve lading wordt door de snelle beweging van de elektronen over het hele metaal verdeeld.<ref>In verband met de overzichtelijkheid van de tekeningen zijn maar twee hydrasterende water-moleculen aangegeven. Koper-ionen hebben in een waterige oplossing altijd 6 watermoleculen in hun hydrattatie-schil.

Opgelost ion

Reactiesnelheid

De snelheid waarmee het boven beschreven proces verloopt is van een aantal zaken afhankelijk:

Soort metaal

Koper is een metaal waarin elektronen heel makkelijk van het ene atoom op het andere overstappen. Koper is op zilver na het metaal met de kleinste soortelijke weerstand. Dat wil niet zeggen dat koper ook een metaal is dat makkelijk elektronen afstaat. Koper is een half edelmetaal. Er zijn ook metalen die veel makkelijker elektronen echt loslaten. Dit zal effect hebben op de snelheid van de reactie. Algemeen kun je zeggen:

$R\ \sim \ soort\ metaal$

Verg. 2

Waarin

R

:

De reactiesnelheid

Soort metaal

 

De hoeveelheid elektronen op het metaal

Het zal duidelijk zijn dat als er op de koperstaaf veel elektronen aanwezig zijn (de koperstaaf is verbonden met de negatieve pool van een batterij), het niet zo makkelijk zal gebeuren dat er een positief plekje op het oppervlak ontstaan waar watermoleculen kunnen hydrateren. Omgekeerd, zijn er weinig elektronen in het koper aanwezig (verbonden met de positieve pool van de batterij), dan zal de reactie juist extra makkelijk, dus snel, verlopen. Een maat voor het aantal extra elektronen of juist het tekort is de potentiaal van het metaal, uitgedrukt in Volt. Algemeen kan gezegd worden dat de reactiesnelheid afhangt van de potentiaal van het metaal. En bovendien: hoe hoger de potentiaal (= minder elektronen) hoe groter de reactiesnelheid.

$R\ \sim \ E$

Verg. 2

Waarin

R	:	De reactiesnelheid
E	:	De potentiaal in volt

Potentiaal

 

Aantal elektronen

Als er door een atoom meer elektronen moeten worden afgestaan zal de reactiesnelheid ook afhangen van over hoeveel elektronen het gaat. Hoe meer elektronen moeten worden afgestaan, hoe trager het proces verloopt.

$R\ \sim \ {\frac {1}{n}}$

Verg. 3

Waarin

R	:	De reactiesnelheid
n	:	Het aantal elektronen dat uit het atoom verwijderd moet worden.

---

Dit is de eerste pagina

Inhouds­opgave

Volgende pagina

Index

---