Het opstellen van halfreacties voor redoxreacties en het rekenen met de constante van Faraday zijn belangrijke onderdelen van de scheikunde.
Halfreacties opstellen voor redoxreacties
Een redoxreactie bestaat uit twee halfreacties: een oxidatiereactie (waarbij elektronen worden afgestaan) en een reductiereactie (waarbij elektronen worden opgenomen). Het doel is om deze halfreacties kloppend te maken qua atomen en lading.
Stappenplan voor het opstellen van halfreacties in zuur milieu:
- Identificeer de belangrijkste atomen: Bepaal welke atomen van oxidatiegetal veranderen.
- Maak de belangrijkste atomen kloppend: Zorg dat er evenveel van deze atomen aan beide zijden van de reactie staan.
- Maak zuurstofatomen kloppend: Voeg H₂O-moleculen toe aan de kant waar zuurstofatomen ontbreken.
- Maak waterstofatomen kloppend: Voeg H⁺-ionen toe aan de kant waar waterstofatomen ontbreken.
- Maak de lading kloppend: Voeg elektronen (e⁻) toe aan de kant met de meest positieve lading om de totale lading aan beide zijden gelijk te maken.
Voorbeeld (zuur milieu):
Stel de halfreactie op voor de reductie van permanganaat (MnO₄⁻) naar mangaan(II) (Mn²⁺).
- Belangrijkste atomen: Mn. Er is 1 Mn aan beide kanten.
MnO₄⁻ → Mn²⁺
- Zuurstofatomen: Er zijn 4 O-atomen links, geen rechts. Voeg 4 H₂O toe aan de rechterkant.
MnO₄⁻ → Mn²⁺ + 4 H₂O
- Waterstofatomen: Er zijn 8 H-atomen rechts (van 4 H₂O), geen links. Voeg 8 H⁺ toe aan de linkerkant.
MnO₄⁻ + 8 H⁺ → Mn²⁺ + 4 H₂O
- Lading:
- Linkerkant: (-1) + (8 × +1) = +7
- Rechterkant: (+2) + (4 × 0) = +2
Het verschil is 7 - 2 = 5. Voeg 5 elektronen toe aan de linkerkant (de meest positieve kant) om de lading gelijk te maken.
MnO₄⁻ + 8 H⁺ + 5 e⁻ → Mn²⁺ + 4 H₂O
Stappenplan voor het opstellen van halfreacties in basisch milieu:
- Volg stappen 1 t/m 3 van zuur milieu.
- Maak waterstofatomen kloppend: Voeg H₂O-moleculen toe aan de kant waar waterstofatomen ontbreken en evenveel OH⁻-ionen aan de andere kant. (Elke H₂O aan de ene kant en OH⁻ aan de andere kant staat voor een H-atoom dat wordt toegevoegd).
- Maak de lading kloppend: Voeg elektronen (e⁻) toe aan de kant met de meest positieve lading om de totale lading aan beide zijden gelijk te maken.
Rekenen met de constante van Faraday
De constante van Faraday (F) is de lading van één mol elektronen. Deze constante wordt gebruikt om de relatie te leggen tussen de hoeveelheid elektriciteit die door een oplossing gaat en de hoeveelheid stof die daarbij reageert of wordt gevormd.
Hieruit volgt: I * t = n * F
Voorbeeld:
Hoeveel gram koper (Cu) wordt afgezet op een elektrode als een stroom van 0,50 A gedurende 30 minuten door een oplossing van Cu²⁺-ionen wordt geleid? (Molaire massa Cu = 63,55 g/mol)
- Halfreactie voor koper: Cu²⁺ + 2 e⁻ → Cu
Dit betekent dat voor elke mol Cu die wordt afgezet, 2 mol elektronen nodig zijn.
- Zet tijd om naar seconden: 30 minuten = 30 * 60 = 1800 s
- Bereken de totale lading (Q): Q = I * t = 0,50 A * 1800 s = 900 C
- Bereken het aantal mol elektronen (n): n = Q / F = 900 C / 96485 C/mol ≈ 0,009328 mol e⁻
- Bereken het aantal mol koper (Cu): Volgens de halfreactie is 1 mol Cu = 2 mol e⁻.
Dus, mol Cu = mol e⁻ / 2 = 0,009328 mol e⁻ / 2 ≈ 0,004664 mol Cu
- Bereken de massa koper (Cu): massa = mol * molaire massa = 0,004664 mol * 63,55 g/mol ≈ 0,296 g Cu
Dus, er wordt ongeveer 0,296 gram koper afgezet.
Scheikunde