De werking van een lampje in een reddingsvest

Reddingsvesten zijn vaak uitgerust met een lampje. Bij bepaalde uitvoeringen is dat lampje via stroomdraadjes verbonden met een magnesiumstrip en een koperstrip waarop wat slecht oplosbaar koperchloride is aangebracht. Deze koper-magnesiumstructuur vormt de batterij voor het lampje. Pas zodra het reddingsvest in het water belandt, gaat het lampje branden. De stroom voor het lampje wordt geleverd door het optreden van een redoxreactie tussen magnesium en koper(I)-ionen.

• Redoxreacties
• Sterkte van oxidatoren en reductoren
• Een galvanische cel (batterij)
• Betrokken redoxkoppels in het lampje
• De werking van het lampje

Redoxreacties

Een redoxreactie is een reactie tussen een oxidator (Stel: Ox₁) en een reductor (Stel: Red₂). De reductor geeft hierbij elektronen (e^-) af aan de oxidator. Je kan een redoxreactie opsplitsen in twee deelreacties: de oxidatie (afgave van elektronen) en de reductie (opname van elektronen).

• Reductie: Ox₁ + ne^- ↔ Red₁ De oxidator (Ox₁) wordt hierbij omgezet in een reductor (Red₁).
• Oxidatie: Red₂ ↔ Ox₂ + ne^- De reductor (Red₂) wordt hierbij omgezet in een oxidator (Ox₂).

De globale reactie is hier: Ox₁ + Red₂ ↔ Red₁ + Ox₂

Sterkte van oxidatoren en reductoren

Hoe goed bovenstaande redoxreactie opgaat, hangt af van het oxiderend vermogen van Ox₁ en het reducerend vermogen van Red₂. Hoe groter het oxiderend vermogen van Ox₁ in vergelijking met dat van Ox₂ en hoe grotere het reducerend vermogen van Red₂ in vergelijking met dat van Red₁, hoe beter bovenstaande redoxreactie zal opgaan.

De sterkte van het oxiderend vermogen van een oxidator en het reducerend vermogen van een reductor van een redoxkoppel kan worden afgeleid uit de normpotentiaal van dat redoxkoppel. Een hoge normpotentiaal wijst op een sterke oxidator en een lage normpotentiaal wijst op een sterke reductor.

Een galvanische cel (batterij)

Bij een galvanische cel gaan de oxidatie en de reductie door aan twee elektroden die met elkaar zijn verbonden door een geleidende draad. Aan de negatieve elektrode (anode) gaat de oxidatie door en aan de positieve elektrode (kathode) treedt de reductie op. De elektronen die worden afgegeven tijdens de oxidatie bewegen vanaf de anode via de geleidende draad naar de kathode waar ze tijdens de reductie worden opgenomen. Er ontstaat dus een elektrische stroom in de geleidende draad. Als er dus bijvoorbeeld een lampje wordt geschakeld binnen deze geleidende draad krijgt dit elektrische energie en kan het dus branden.

Betrokken redoxkoppels in het lampje

De redoxkoppels welke betrokken zijn in het lampje zijn Mg²⁺/Mg en Cu⁺/Cu waarbij
Mg²⁺ en Cu⁺ beiden oxidatoren en Mg en Cu beiden reductoren zijn. Op basis van de normpotentialen van deze koppels kan worden afgeleid welk koppel de sterkste oxidator en welk koppel de sterkste reductor kan leveren.

• E°(Mg²⁺/Mg) = -2.380V
• E°(Cu⁺/Cu) = 0.521V

Het magnesiumkoppel heeft een veel lagere normpotentiaal dan het koperkoppel. Mg is dus een veel sterkere reductor dan Cu en Cu⁺ is dus een veel sterkere oxidator dan Mg²⁺.

• Mg zal dus gemakkelijker elektronen afgeven in vergelijking met Cu en omgezet worden in Mg²⁺: Mg → Mg²⁺ + 2e^-
• Cu⁺ zal dus gemakkelijker elektronen opnemen dan Mg²⁺ en worden omgezet in Cu: Cu⁺ + 1e^- → Cu

Wanneer Mg in contact komt met een Cu⁺-oplossing zal het dus elektronen afgeven aan Cu⁺. Een Mg atoom reageert met 2Cu⁺ ionen omdat het aantal afgegeven en het aantal opgenomen elektronen gelijk moet zijn: Mg + 2Cu⁺ → Mg²⁺ + 2Cu.

De werking van het lampje

Indien het reddingsvest droog blijft, zal het lampje niet branden. Er is immers geen contact tussen de magnesium- en de koperstrip. De lucht tussen beide strips is immers te weinig geleidend voor elektrische stroom. Indien het reddingsvest in het water terecht komt, zal het kokertje, waarin de metaalstrips zich bevinden, zich vullen met water. Hierdoor wordt er elektrisch contact gemaakt tussen beide strips. De opgeloste ionen in het water zorgen er immers voor dat de stroomkring wordt gesloten.

Aan de magnesiumstrip zal magnesium worden omgezet in Mg²⁺. De elektronen die hierbij vrijkomen zullen zich door het lampje naar de koperstrip bewegen waar Cu⁺-ionen deze elektronen opnemen om Cu te vorm. Door deze beweging van elektronen, elektrische stroom dus, zal het lampje branden. De vrijgekomen Cl^--ionen zullen zich van de koperstrip naar de magnesiumstrip bewegen. Aan de magnesiumstrip ontstaan er immer positieve lading (Mg²⁺) en aan de koperstrip verdwijnen er positieve ladingen (Cu⁺). De negatief geladen chloorionen houden de oplossing dus elektrisch neutraal en zo wordt de elektrische kring dus gesloten.