[scheikunde] Elektrolyse

[Olezgus]

Beste lezer,

Ik stuitte op de volgende vraag in een oefentoets:

Men wil Bi , Cu en Ag kwantitatief en gescheiden neerslaan uit een oplossing, door middel van electrolyse. Dit betekent dat de eindconcentratie van de ionen in de oplossing niet hoger mag zijn dan 10-6 M.

Een oplossing bevat 0,02 M aan BiO+ ; 0,200 M aan Cu2+ ; 0,100 M aan Ag+ en 0,800 M aan HClO4.

Ga na of dit mogelijk is en zoja bij welke kathode potentialen.

(M = mol / liter).

Gegeven: E0 –waarden:

BiO+ + 2H+ + 3e → Bi(s) + H2O + 0,320

Cu2+ + 2e → Cu(s)

+0,337

Ag+ + e → Ag(s)

+0,799

Je mag aannemen dat deze waarden geldig zijn in het genoemde electrolyt en dat dit elektrolyt verder geen reacties vertoont.

1) Begrijp ik het goed dat de elektronen die nodig zijn voor de neerslagreacties afgedragen moeten worden door ofwel het water, ofwel door HClO4?

2) Er is niets gegeven van HClO4, hoe moet ik weten wat het kost om daar een elektron uit te krijgen?

Het antwoord luidt:

Nernstvergelijking invullen:

Begin neerslaan Ag: +0,849 V

Alle Ag neergeslagen: +0,444 V

Begin neerslaan Cu: +0,317 V

Alle Cu neergeslagen: +0,161 V

Begin neerslaan Bi: +0,283 V

Alle Bi neergeslagen: +0,230 V

Conclusie: gescheiden neerslaan Bi en Cu lukt niet.

3) Je berekent met Nernst toch de spanning die nodig is de reactie op te starten onder de geldende omstandigheden (concentratie, temperatuur, aantal elektronen dat overgedragen wordt..)?

Hoezo kom je dan aan een 'begin' spanning en een 'alles neergeslagen' spanning ?

Kortom: ik snap er blijkbaar niets van..!

Alvast bedankt

[Jan van de Velde]

Deze topic kreeg in Huiswerk en Practica niet voldoede aandacht en is daarom naar het vakforum verplaatst.

[DrBob]

Volgens mij zou het helpen als je de Nernst spanning zou zien als een evenwichtsspanning. Het is de spanning waarbij de reactie op de electrode in evenwicht is (i.e. niet plaatsvindt). Deze spanning is sterk afhankelijk van de concentratie van de opgeloste stoffen. Als je metalen op je electrode laat neerslaan, dan verandert natuurlijk ook de concentatie van je zouten in de oplossing, wat op zijn beurt een invloed heeft op de evenwichtspotentiaal. Vandaar een begin- en een eindspanning.

[Olezgus]

Hmm... dus als de reactie verloopt, verandert de benodigde spanning om de reactie te laten lopen? dat klinkt ergens wel logisch...

Maar ik zou dan verwachten dat als de concentratie van de reactant omlaag gaat en er meer product ontstaat, dat het steeds moeilijker wordt om de reactie door te laten lopen, en dat de aangelegde spanning dus omhoog zou moeten voor verdere electrolyse!?

Dat is blijkbaar niet zo , maar waar gaat mijn redenatie dan mis?

[hzeil]

Ik denk dat in deze oefentoets een potentiaalscanning van (bijv.) +1.0 Volt naar 0.0 Volt is beschreven.

In deze scan worden de drie metalen achtereenvolgens kathodisch gereduceerd en vermoedelijk wordt de kathodische stroom daarbij continu gemeten. Het doet denken aan cyclovoltammetrie of polarografie. Maar het is allemaal erg onduidelijk beschreven.

Je kunt tijdens deze potentiaalscanning de potentiaal en de stroom continu registreren. De vorm van de geregistreerde

E - i relatie is echter afhankelijk van de scansnelheid. De gemeten stroom tijdens deze scanning is deels kinetisch ( via de potentiaal) en deels convectie (via de roering) gelimiteerd.

Bij het rekenen met de wet van Nernst heb je met potentialen te maken. Bij dit scanning-experiment heb je echter met potentiaaltrajecten te maken.

Dit allemaal tamelijk moeilijk. Je kunt dit beter tijdens een prakticum leren dan uit een boekje. Sterkte ermee.

[Olezgus]

Als ik dat zo lees gaat dat ver boven mijn niveau... Het vak is fysische chemie, en dat zou meer een introductie moeten zijn in wat belangrijke chemische zaken, zoals dus elektrolyse. Dan ga ik er maar vanuit dat deze vraag niet bij ons (mijn klas) terecht had moeten komen...

Case Closed! dan maar en bedankt voor de reactie!

[robj]

Ofschoon 'case closed' wil ik toch nog reageren, omdat het volgens mij niet zo moeilijk is als het lijkt.

In het kader van de opgave moet je de zaken zo eenvoudig mogelijk voorstellen.

1) Begrijp ik het goed dat de elektronen die nodig zijn voor de neerslagreacties afgedragen moeten worden door ofwel het water, ofwel door HClO4?

De elektronen die nodig zijn worden door de kathode geleverd. Water is een te zwakke reductor en HClO₄ doet volgens de opgave ook niet mee. HClO₄ is een sterk zuur (BINAS 49) en je kunt hieruit de [H⁺] afleiden, die heb je nl nodig als je met Nernst de potentiaal voor BiO⁺ berekent.

2) Er is niets gegeven van HClO4, hoe moet ik weten wat het kost om daar een elektron uit te krijgen?

Zie boven. HClO₄ doet niet mee aan de redox.

3) Je berekent met Nernst toch de spanning die nodig is de reactie op te starten onder de geldende omstandigheden (concentratie, temperatuur, aantal elektronen dat overgedragen wordt..)?

Hoezo kom je dan aan een 'begin' spanning en een 'alles neergeslagen' spanning ?

De redoxpotentiaal (niet spanning) kan voor elk redoxkoppel (BiO⁺ , Cu²⁺ , Ag⁺) met Nernst worden uitgerekend. Vergeet bij BiO⁺ de [H⁺] niet. De beginpotentialen krijg je bij de beginconcentraties, die gegeven zijn.

De eindpotentialen reken je uit met de eindconcentraties en die zijn ook gegeven, nl 10^-6 M.

Bij +0.161V is de Cu²⁺ concentratie gelijk aan 10^-6 en wordt deze als volledig neergeslagen beschouwd. In feite zijn alle andere deeltjes dan meer dan volledig neergeslagen, dwz hun concentraties zijn dan lager dan 10^-6.

Ik krijg voor de beginpotentialen voor Cu²⁺ en Ag⁺ overigens andere waarden, bijvoorbeeld voor 0.1 M Ag⁺ krijg ik met Nernst:

E_(begin) = 0.799 + 0.059 * log [Ag⁺] = 0.799 - 0.059 = 0.740 V

De eindpotentialen kloppen ook niet allemaal.

Mijn berekeningen geven:

Begin neerslaan Ag: +0,740 V

Alle Ag neergeslagen: +0,445 V

Begin neerslaan Cu: +0,316 V

Alle Cu neergeslagen: +0,160 V

Begin neerslaan Bi: +0,283 V

Alle Bi neergeslagen: +0,198 V

Konklusie blijft dat Cu en Bi niet gescheiden kunnen worden neergeslagen.