Hulp bij leren Oefentoetsen

Elektrochemische cel en batterij

oefentoets Alle oefentoetsen

Oefentoets

Elektrochemische cel en batterij

Vak

Scheikunde

Niveau

Havo

Onderwerp

Redox, Zuur-base

Leerjaar

5

Deze oefentoets bestaat uit vijf vragen.

De uitwerking vind je na het openen van alle hints. Let op, als er geen ‘Controleer antwoord’ knop staat, moet je zelf je antwoord controleren met behulp van de hints en uitwerking.

Vraag 1

Met de melkzuursensor wordt de concentratie van melkzuur in het zweet bepaald. De elektrochemische cel van de melkzuursensor is hieronder vergroot en schematisch weergegeven:

Elektrode A is gemaakt van grafiet (koolstof) en is bedekt met het enzym lactaatoxidase (verder afgekort als LOx). Zweet fungeert als elektrolyt. Onder invloed van LOx wordt melkzuur (C₃H₆O₃) omgezet tot pyrodruivenzuur (C₃H₄O₃). Melkzuur treedt in deze reactie op als reductor.

Zweet is een oplossing waarin verschillende stoffen zijn opgelost. Doordat in zweet een bepaald soort deeltjes voorkomt, kan zweet als elektrolyt dienen.

Vraag 2

In 2019 kregen de ontdekkers van de lithiumbatterij de Nobelprijs voor de scheikunde.

Hieronder is een schematische voorstelling van een soort lithiumbatterij tijdens stroomlevering te zien. Eén pool is gemaakt van lithium, de andere van koolstof. Tussen de polen bevindt zich papier dat doordrenkt is met een geleidende vloeistof.

Aan elektrode A vindt de volgende halfreactie plaats:

Li 🡪 Li⁺ + e^–

De koolstofelektrode kan Li atomen binden. De binding van de Li atomen aan koolstof is zelfs sterker dan de binding tussen de Li atomen onderling in de lithiumelektrode. Bij stroomlevering komen de Li+ ionen los uit de lithiumelektrode, bewegen naar de koolstofelektrode en worden uiteindelijk als Li atomen aan de koolstof gebonden.Er worden twee Li atomen per zes koolstofatomen gebonden volgens de volgende halfreactie:

2 Li⁺ + 6 C + 2 e- 🡪 C₂Li₆

De stroomlevering stopt als voor de koolstofelektrode geldt dat per zes koolstofatomen twee Li atomen zijn gebonden. Aan de andere elektrode is dan nog steeds lithium aanwezig. De capaciteit van een batterij kan worden gedefinieerd als de hoeveelheid elektronen die deze batterij kan leveren. Voor deze lithiumbatterij wordt de capaciteit bepaald door het aantal koolstofatomen in de koolstofelektrode.

b)

Bereken hoeveel mol elektronen een papieren lithiumbatterij met een koolstofelektrode van 210 mg maximaal kan leveren.

Schrijf je antwoord in het format 6,10*10^-3 ⇒ 6,10*10^-3

Je kunt je antwoord checken met de ‘Controleer antwoord’ knop.
Let op: op een toets verwacht een docent de hele berekening zoals in de uitwerking staat.

Vul een antwoord in.

Helaas. Het antwoord is niet juist. Probeer het nog een keer!

Klopt! Het gegeven antwoord is juist.

Reken eerst uit hoeveel mol C je hebt en beredeneer met de vergelijking van de halfreactie hoeveel mol elektronen je dan hebt.
0,210 gram / 12,01 = 0,0175 mol C.
3 mol C : 1 mol elektronen
Dus 0,0175 / 3 = 5,83 * 10^-3 mol elektronen.

Vraag 3

Rijden onder invloed van alcohol (ethanol) is gevaarlijk en verboden. Daarom voert de politie controles uit en meet daarbij het alcoholgehalte in de adem van de bestuurder. Als een bestuurder een overtreding heeft begaan, kan een rechter oordelen dat een ‘alcoholslot’ in de auto van deze bestuurder moet worden aangebracht. Een alcoholslot is een startonderbreker in de auto. Voor het wegrijden moet de bestuurder in het pijpje van het alcoholslot blazen. Wanneer de bestuurder te veel alcohol heeft gedronken, start de auto niet.

Het alcoholslot bevat een soort brandstofcel. Als de uitgeademde lucht alcohol bevat, reageert de alcohol als reductor aan de ‘actieve’ elektrode van de cel. De vergelijking van deze halfreactie is:

C₂H₆O + 3 H₂O 🡪 2 CO₂ + 12 H⁺ + 12 e^–

Aan de andere elektrode reageert zuurstof als oxidator in zuur milieu.

De stroom die door de brandstofcel loopt is een maat voor het alcoholgehalte in de uitgeademde lucht. Het alcoholgehalte in lucht en het alcoholgehalte in vocht zijn met een vaste omrekeningsfactor aan elkaar gerelateerd. Een gehalte van 0,44 mg per L lucht komt overeen met 1,0 g per L lichaamsvocht. Als het alcoholgehalte in het lichaamsvocht van de bestuurder hoger is dan 0,02 massaprocent, start de auto niet.

Bij een bepaalde bestuurder passeren 50·10^–6 mol elektronen per L uitgeademde lucht de actieve elektrode.

b)

Bereken het aantal gram alcohol in 1,0 L uitgeademde lucht, wanneer het alcoholpercentage in lichaamsvocht 0,02 massaprocent is. Neem aan dat de dichtheid van het lichaamsvocht 1,1 kg per L is. Geef je antwoord in het juiste aantal significante cijfers.

Noteer je antwoord in het format 8*10^-4 ⇒ 8*10^-4

Je kunt je antwoord checken met de ‘Controleer antwoord’ knop.
Let op: op een toets verwacht een docent de hele berekening zoals in de uitwerking staat.

Vul een antwoord in.

Helaas. Het antwoord is niet juist. Probeer het nog een keer!

Klopt! Het gegeven antwoord is juist.

Bereken eerst hoeveel gram alcohol in 1 liter lichaamsvocht zit.
1,0 L lichaamsvocht heeft een massa van 1,1 kg = 1,1 * 10³ gram.
Hiervan is 0,02/100 * 1,1 * 10³ gram = 0,22 gram alcohol.
In de tekst staat “Een gehalte van 0,44 mg per L uitgeademde lucht komt overeen met 1,0 g per L lichaamsvocht”.
E is 0,22 gram alcohol per liter lichaamsvocht.

mg alcohol/L lucht 0,44

gram alcohol/L lichaamsvocht 1 0,22

Dus is er 0,22 * 0,44 =0,097 mg alcohol per liter uitgeademde lucht.
Antwoord 1*10^-4 gram (1 significant cijfer in verband met 0,02 massa %).

c)

Laat met een berekening zien of de auto zal starten. Ga ervan uit dat er geen elektronenstroom is als de adem geen alcohol bevat.

Bereken eerst met het antwoord op b hoeveel mol alcohol in 1 L uitgeademde lucht voorkomt.
Eerst kijken we hoeveel mol elektronen je zou meten bij de maximale hoeveelheid alcohol die is toegestaan.
1*10^-4 gram / 46,068 g/mol = 2,1*10^-6 mol alcohol per L uitgeademde lucht.
Uit de gegeven halfreactie volgt: 1 mol alcohol : 12 mol e^–.
Dus 12 x 2,1*10^-6 mol = 25*10^-6 mol elektronen is de grens.
Ze hebben 50*10^-6 mol elektronen gemeten. Dat is meer dan de grens. Dus de auto zal niet starten.

Vraag 4

In de Toyota Prius is de batterij een nikkel-metaalhydride-batterij, afgekort NiMH-batterij. De ene elektrode (A) van de NiMH-batterij is gemaakt van nikkel-oxyhydroxide, NiO(OH). De andere elektrode (B) bestaat uit een metaalhydride. Het metaalhydride wordt weergegeven met MH. De elektrolyt in een NiMH-batterij is een KOH-oplossing.
Wanneer de batterij stroom levert, vinden in de NiMH-batterij de volgende halfreacties plaats:

elektrode A: NiO(OH) + H₂O + e^– 🡪 Ni(OH)² + OH^–
elektrode B: MH + OH^– 🡪 H₂O + M + e^–

a)

Leid af wat de lading is van de nikkelionen in NiO(OH).Neem aan dat NiO(OH) bestaat uit nikkelionen en twee soorten negatieve ionen.

Je kunt je antwoord checken met de ‘Controleer antwoord’ knop.
Let op: op een toets verwacht een docent de hele uitleg zoals in de uitwerking staat.

Vul een antwoord in.

Helaas. Het antwoord is niet juist. Probeer het nog een keer!

Klopt! Het gegeven antwoord is juist.

De totale lading van dit zout moet 0 zijn.
Je hebt hier O^2- en OH^–. Dus in totaal 3-. Omdat de totale lading 0 moet zijn, heb je hier Ni³⁺.

b)

Is elektrode B de positieve of de negatieve elektrode van de NiMH-batterij?

Motiveer je antwoord.

Je kunt je antwoord checken met de ‘Controleer antwoord’ knop.
Let op: op een toets verwacht een docent de hele uitleg zoals in de uitwerking staat.

Positieve

Negatieve

Helaas. Het antwoord is niet juist. Probeer het nog een keer!

Klopt! Het gegeven antwoord is juist.

Bij stroom leveren (elektrochemische cel) reageert de oxidator aan de positieve elektrode en de reductor aan de negatieve elektrode.
Bij elektrode B staat e^– na de pijl. Dit is dus de halfreactie van de reductor. De reductor reageert aan de negatieve elektrode.

In een handleiding van de Toyota Prius staat onder andere de volgende informatie: Bij afnemende snelheid, zoals bij afremmen, zet de auto bewegingsenergie om in elektrische energie waarmee de batterij wordt opgeladen.