Zuurstof sensor

[blaft]

Kan iemand de werking van een volgende zuurstofsensor nader uitleggen?

Elektrochemische reactieformule

voor de DrägerSensor XS EC O2 LS:

O2 + 4 H+ + 4 e– → 2 H2O

2 H2O → O2 + 4 H+ + 4 e–

De sensor bevat drie elektroden. 1 is een referentie-elektrode.

Kan iemand uitleggen hoe bovenstaande reactie precies werkt?

gr,

JP

[robj]

O2 + 4 H+ + 4 e– → 2 H2O

2 H2O → O2 + 4 H+ + 4 e–

De sensor bevat drie elektroden. 1 is een referentie-elektrode.

Je hebt hier te maken met een zogenaamde redoxreactie.

De twee reacties zijn elkaars omgekeerden. Als je reactie 2 achterstevoren leest, krijg je de eerste.

Dit noemt men een evenwichtsreactie die men als volgt noteert:

O₂ + 4 H⁺ + 4 e^- 2 H₂O

De mate waarin zuurstof al dan niet graag 4 elektronen op neemt (reactie van links naar rechts) uit zich in een elektrische spanning (officieel heet het de elektrodepotentiaal).

Net zoals bij het meten van een hoogte, waarbij je altijd meet ten opzichte van een andere hoogte (al dan niet afgesproken bijv. zeeniveau), kun je een elektrische spanning alleen maar meten ten opzichte van een andere spanning, daarom is een referentie-elektrode nodig die een constante (en bekende) potentiaal heeft. De elektronica achter de sensor meet de spanning van de zuurstofelektrode ten opzichte van de referentie-elektrode. De derde elektrode is een zg tegenelektrode die nodig is omdat er geen stroom mag lopen door de referentie-elektrode (dan is diens potentiaal nl niet meer dezelfde), maar als een zuurstofmolecuul de 4 elektronen wil opnemen, dan moeten die wel ergens vandaan komen: uit de tegenelektrode dus.

[blaft]

Bedankt Rob voor je uitleg die voornamelijk handelt over de referentie-elektrode. Graag had ik meer geweten over de reactie zelf.

Vanwaar komen die waterstofionen en de elektronen?

[robj]

Vanwaar komen die waterstofionen en de elektronen?

Alle drie de elektroden staan in contact met de zg elektrolyt. In het eenvoudigste geval is zo een elektrolyt een oplossing (in water) die in dit geval in zekere mate zuur moet zijn vanwege de waterstofionen die voor de reactie nodig zijn. De waterstofionen bevinden zich dus in de elektrolyt. Om lekken te voorkomen kan de elektrolyt ook een gel zijn, maar ook die moet dan zuur zijn. De waterstofionen zijn dus van tevoren toegevoegd. Om preciezer te zijn: de elektrolyt is een bufferoplossing die een constante zuurgraad (pH-waarde) heeft.

De 4 elektronen die reactie 1 nodig heeft, komen uit de elektrode (het stukje metaal) waaraan de reactie plaats vindt. Die krijgt daardoor een elektronentekort dat kan worden aangevuld door - via de spanningsmeter - elektronen 'op te halen' uit de tegenelektrode. Aan de tegenelektrode moet dan een reactie verlopen die elektronen levert, dat is reactie 2.

Aangezien bij reactie 2 evenveel waterstofionen worden geproduceerd als er voor reactie 1 nodig zijn, zal het totaal aantal waterstofionen in de cel niet veranderen. Er vindt wel transport van waterstofionen plaats van de tegenelektrode naar de meetelektrode.

[blaft]

Bedankt Rob voor je deskundige uitleg. Heb nog een vraagje. Hoe komt het dat die elektrode elektronen afstaat?

[robj]

Hoe komt het dat die elektrode elektronen afstaat?

De elektrode bestaat uit een metaal. In een metaal bevinden zich zg vrije elektronen, dat wil zeggen elektronen die niet aan een bepaalde atoomkern in het metaal zijn gebonden. Deze elektronen kunnen zich vrij door het metaal bewegen (daarom geleidt een metaal ook altijd de elektrische stroom). De zuurstofatomen in het zuurstofmolecuul willen graag elektronen opnemen (dwz zuurstof is een oxidator). Zij begeven zich naar het oppervlak van de elektrode en halen daar de benodigde elektronen op. Er zijn ook stoffen die liever elektronen afstaan (zij zijn een reductor), die gaan dan ook naar het oppervlak van de elektrode en staan daar hun elektron(en) af.

Als je een oxidator en reductor in één oplossing bij elkaar voegt, dan heb je geen elektrode nodig, dan lossen deze deeltjes het onderling op.

Het leuke van een elektrochemische cel (zoals jouw zuurstofsensor) is, dat je de oxidator- en reductorreactie min of meer fysiek gescheiden van elkaar kunt laten verlopen. De elektronen die worden opgenomen aan de ene kant, resp. worden afgestaan aan de andere kant, lopen dan 'om' via de twee aansluitdraden van de cel. Zo krijg je dan een spanningsverschil en kun je een elektrische stroom opwekken, zoals in een batterij.

Het spanningsverschil tussen de meetelektrode en de referentie-elektrode in de sensor is afhankelijk van de zuurstofconcentratie (wet van Nernst) en daarom kan daar het zuurstofgehalte uit bepaald worden.

Uiteraard is de praktijk genuanceerder en gecompliceerder dan de eenvoudige beschrijving hierboven.

[blaft]

Van harte dank Rob voor je degelijke uitleg. Het plaatje is nu kompleet voor mij.

[blaft]

Hier ben ik weer. De vorige posts zijn niet voldoende voor mij. Ik pen mijn redenering gedeeltelijk neer en hoop op jullie bijwerking die zeker zal nodig zijn. Het gaat hier over een elektrochemische sensor die CO detecteert.

-CO diffundeert in de cel

-CO reageert met water en wordt omgezet tot CO2 en waterstofionen en er komen elektronen vrij. (reageert het CO zomaar met water of is dit onder invloed van iets)

-er moet hier op een of andere manier een stroom ontstaan die voor de aflezing op de meter zorgt.

Ik had dit graag met jullie hulp helemaal uitgeklaard. De kans is dus groot dat er nog heel wat vragen zullen komen totdat het voor mij glashelder is.

Alvast bedankt voor jullie inbreng.

[robj]

-CO reageert met water en wordt omgezet tot CO2 en waterstofionen en er komen elektronen vrij. (reageert het CO zomaar met water of is dit onder invloed van iets)

Het is hetzelfde principe als bij de detectie van zuurstof. Aan de ene elektrode reageert een stof die elektronen afstaat (de reductor), in dit geval CO, en aan de andere elektrode reageert een stof die elektronen opneemt (de oxidator), in dit geval zuurstof O₂. Als het geheel niet spontaan verloopt, kunnen de reacties worden afgedwongen door een spanningsbron.

De elektronen die aan de ene elektrode vrij komen (de CO-zijde), moeten via het meetcircuit om lopen naar de elektrode waar ze worden verbruikt (de O₂-zijde) en onderweg wordt de stroom gemeten, die een rechtevenredige maat is voor de hoeveelheid CO die heeft gereageerd en dat is weer afhankelijk van de CO-concentratie.

[blaft]

Ik zou je antwoord willen analyseren, stuk voor stuk om het voor mij begrijpelijk te maken. Ik ben helemaal geen scheikundige, vandaar.

Je zegt: aan de ene elektrode reageert een stof die elektronen afstaat, in dit geval CO. Waarom staat CO elektronen af?

[robj]

Waarom staat CO elektronen af?

Dat is een scheikundige eigenschap van deze stof. Het koolstofatoom in CO is eigenlijk onvolledig verbrand, het wil liever CO₂ vormen. Daarvoor moet het elektronen afstaan.

Ieder atoom of deeltje 'zoekt' een gunstigere toestand, voor de een is dat elektronen afstaan, voor de ander (bijv zuurstof) is dat elektronen opnemen. Dat kun je niet aan de formule van een stof zien.

Het is wat lastig uit te leggen als je - zoals je zelf zegt - "helemaal geen scheikundige" bent.

Ik vind het dan wel prijzenswaardig dat je het 'naadje van de kous' wilt weten maar vraag me ook af waar die interesse vandaan komt. Ben je soms met een uitvinding/idee bezig, of werk je misschien voor een bedrijf dat elektrochemische sensoren maakt en/of verkoopt? In het laatste geval kan ik je ook op een andere manier helpen.

[blaft]

Ik ben brandweerman en wil weten hoe zaken werken. Ik heb wel een basis kennis chemie. Tot nu toe ben ik dus nog mee met je uitleg.

Dus CO komt in het elektrolyt en wil elektronen afscheiden. Aan een elektrode wil CO elektronen afscheiden zeg je hier boven. Maar uit de reactievergelijking zie ik CO reageren met water. Is de afbeelding representatief voor de uitleg die je zal doen?

[robj]

Ja de afbeelding klopt wel.

CO verandert in CO₂ en dat extra zuurstofatoom moet ergens vandaan komen, anders klopt de reactievergelijking ook niet. Daarom is in een neutrale of zure oplossing een watermolecuul nodig, dus inderdaad reageert CO dan met een watermolecuul en is zo in staat om elektronen af te staan.

Zou je een basische oplossing hebben, dan kunnen de benodigde zuurstofatomen worden geleverd door OH^- en wordt de halfreactie voor CO als volgt:

CO + 2 OH^- --> CO₂ + H₂O + 2 e^-

Bij de halfreactie ontstaan elektronen, die duiken de elektrode in en lopen om naar de elektrode waar zuurstof reageert (elektronen opneemt). Je kunt nooit alleen een reactie hebben waarbij elektronen worden afgestaan of opgenomen. Als er ergens elektronen worden afgestaan, moeten ergens anders elektronen worden opgenomen. Daarom heten de reacties van CO en zuurstof ook 'halfreacties': zij geven slechts de helft van het verhaal.

[blaft]

de elektrode waar zuurstof reageert (elektronen opneemt).

Heb je het hier over de zuurstofsensor of de co-sensor?

[robj]

Heb je het hier over de zuurstofsensor of de co-sensor?

Ik bedoel de tegenelektrode in het plaatje van 11 feb.