3.1 Het gebruik van electroden

Hieronder zie je een schema van een eenvoudige chemische cel met koper/zink electroden. Bestudeer dit schema met aandacht:
In dit complexe geheel kunnen we een voldoende sterke oxidator ontdekken (Cu2+) en ook een redelijk sterke reductor (Zn)
De (spontane) reacties die de boel domineren zijn:

Zn(s) Zn2+ + 2e- en Cu2+ + 2e- Cu(s)


Je moet weten dat het realizeren van een redoxreactie aan het oppervlak van een electrode vrijwel altijd een zekere activeringsenergie kost, het moet op gang gebracht worden.
Vooral als er bij de reactie gasvormige producten ontstaan, kan die activeringsenergie flink oplopen.

Opdracht 26
Stel je voor dat een koper(II)ion arriveert bij een electrode, en daar een koperatoom vormt, en dat daarvoor voldoende activeringsenergie beschikbaar is, zal deze electrode dan positief of negatief worden?
Leg je antwoord uit; geef de half reactie; wat kun je waarnemen?

Indirecte redoxreacties vinden alleen plaats als er tussen de electroden een omgeving is, een milieu, dat geleidend is voor electrische stroom (d.w.z.: er moeten geladen deeltjes aanwezig zijn die vrij kunnen bewegen, zoals ionen van opgeloste of gesmolten zouten).
Je ziet dus dat de stroomkring bij de opstelling van een indirecte redoxreactie gesloten moetzijn en dat een deel wordt gevormd door geleidende metaaldraden en electroden, met vrije electronen en het andere deel wordt gevormd door een oplossing of gesmolten stof met vrije ionen.
Die vrije ionen kunnen bewegen tussen de positieve en negatieve electrode.

Om deze beweging mogelijk te maken moeten de electroderuimtes contact hebben. Dat kan met een halfdoorlatende wand (semipermeabel), of anders - als de twee electroderuimten niet tegen elkaar aan staan - moeten die ruimten verbonden worden met een ionenbrug of beter: een zoutbrug. Dat is een soort buisje gevuld met zoutige gel.

Opdracht 27
Bestudeer het volgende schema en leg alle processen uit die daar plaats vinden.


Een electrode kan gebrek hebben aan electronen; dan is die electrode positief:

anode


Een electrode kan overschot hebben aan electronen; dan is die electrode negatief:

kathode



Kathode-Negatief // Anodo-Positief (KNAP)

Opdracht 28
Anionen en cationen
  1. Wat zijn dat?
  2. Hoe zijn ze geladen? Leg je antwoord uit.
Electroden zijn gemaakt van geleidend materiaal: meestal een metaal, soms grafiet. Deze stoffen bevatten vrije electronen in een metaalrooster. Deze vrije electronen kunnen vrij bewegen binnen de electroden, van de negatieve naar de positieve kant = éénrichtingsverkeer).



Opdracht 29
Heel bijzonder is de vloeibare electrode. Hoe werkt die?
Kijk naar de figuur en
  1. Leg de werking uit.
  2. Welke voordelen kan deze electrode hebben?

Opdracht 30
  1. Leg uit waarom metalen en grafiet electriciteit geleiden
  2. Leg uit waarom koper- of ijzerelectroden reageren als reductoren
  3. Geen een voorbeeld van een gesmolten stof die electrische stroom kan geleiden
  4. Leg uit of gedestilleerd water ook electrische stroom geleidt

Inerte en deelnemende electroden:

Als het electrodemateriaal van het type "zeer zwak" is, dan zal deze electrode INERT zijn. Het enige dat ie doet is electronen transporteren, maar hij neemt niet deel aan de eigenlijke redoxreactie.
Voorbeelden zijn: goud, platina en grafiet.

Anderzijds gebruikt men vele electroden die gemaakt zijn van materiaal dat echt meedoet aan de redoxreactie, bijvoorbeeld in het geval van een ijzeren of zinken electrode. Een ijzerstaaf kan prima als electrode dienen, maar kan dan ijzer-ionen in de oplossing sturen terwijl de electronen in de staaf achterblijven. Het is echt zo dat een electrode die zo gebruikt wordt, langzaamaan dunner wordt en verdwijnt.

Het ijzer ondergaat de volgende halfreactie: Fe Fe2++2e- Waarbij:
  1. Fe het ijzer is van de electrode
  2. De Fe2+ -ionen de oplossing ingaan en zich vrij gaan bewegen in de richting van de negatieve electrode
  3. De electronen blijven achter in de ijzerelectrode om mee te doen aan de electronenoverdracht en het electronentransport.

Een deelnemende electrode is altijd gemaakt van neutrale, niet-edele metalen; ze dienen als reductoren, oftewel, ze kunnen electronen afstaan.

Opdracht 31
  1. Leg uit waarom niet-metalen en electrolyten niet kunnen dienen als electrodemateriaal en waarom metalen en grafiet dat wel doen.
  2. Waarom zal het metaal Natrium nooit als electrode dienst doen in een zoutoplossing?
Opdracht 32
Leg uit waarom een deelnemende electrode alleen kan optreden als anode en nooit als kathode.

Het woord is al een paar keer gebruikt: "electrode-ruimte"; dat is de ruimte direct rondom een anode of kathode, het oppervlak incluis. Daar vinden de halfreacties plaats bij indirecte redoxreacties.
Het kan zijn dat de kathode- en anoderuimte niet fisisch gescheiden zijn, dus dat alles plaats vindt in één oplossing of vloeistof. Om het overal gelijk te houden wordt er soms zelf continu geroerd in de oplossing.
Maar vaak is het anders: de twee processen verlopen gescheiden en de twee electroderuimten worden zoveel mogelij apart gehouden, door semipermeabele wanden of met zoutbruggen. Het moet semipermeabel zijn of er moet een zoutbrug zijn; zonder dat is er geen gesloten circuit en is stroomdoorgang onmogelijk (dus ook electronenoverdracht). In geval van een zoutbrug moet wel gezorgd worden dat de ionen van die zoutbrug zelf niet aan de redoxreactie meedoen.
De keuze voor of tegen gescheiden electroderuimten heeft alles te maken met wat men wil van de betreffende redoxreactie. Apart houden heeft meestal tot doel om de produkten niet bij elkaar te brengen, als die producten samen reageren, bijvoorbeeld, een neerslag vormen of een gas.
Het kan ook zijn dat iemand dat juist wel wil.

Een oplossing (of een gesmolten stof) geleidt electriciteit alleen onder voorwaarde van de aanwezigheid van geladen beweeglijke deeltjes (ionen in dit geval). De geleidbaarheid heeft alles te maken met de beweeglijkheid van die ionen: hoe beweeglijker, des te beter de geleidbaarheid. Die beweeglijkheid, op haar beurt, hangt weer af van andere factoren: hoeveel ionen zijn aanwezig? En: zijn ze groot of klein of erg gehydrateerd? Soms heeft een ion (zeker het H+-ion in water-omgeving) nog speciale technieken om de beweeglijkheid extra te vergroten.

Opdracht 33
Leg uit waarom een metaal of grafiet niet kunnen dienen als zoutbrug.