Hoofdstuk 1 Scheikunde is overal PDF

Hoofdstuk 1 Scheikunde is overal J.A.W. Faes (2019) Hoofdstuk 1 – Scheikunde is overal Paragrafen §1.1 §1.2 §1.3 Stofeigenschap- Veiligheid Faseverandering- pen...

Hoofdstuk 1 Scheikunde is overal J.A.W. Faes (2019) Hoofdstuk 1 – Scheikunde is overal Paragrafen §1.1 §1.2 §1.3 Stofeigenschap- Veiligheid Faseverandering- pen en Practica Experiment 1 Experiment 2 Experiment 3 Experiment 6 Hoe werkt de Hoe kun je een Verbranden van Stolpunt of gasbrander? stof herkennen? magnesium stoltraject? §1.1 Stofeigenschappen Je leert: Wat scheikunde ofwel chemie is en wat je ermee kunt doen; Wat stoffen zijn en welke eigenschappen ze hebben; Rekenen met grootheden en eenheden. Als je gaat snowboarden heb je te maken met verschillende stoffen. Je boardt op sneeuw en je beweegt je voort in de lucht. De materialen die je gebruikt en de kleding die je draagt zijn gemaakt van stoffen. Allemaal scheikunde! §1.1 Stofeigenschappen Wat is scheikunde? Scheikunde houdt zich bezig met stoffen. Alles om je heen bestaat uit stoffen. Zo bestaat lucht voor het grootste gedeelte uit de stoffen stikstof en zuurstof, maar je bestaat zelf ook uit stoffen. Je haren zijn gemaakt van eiwitten en er zit veel van de stof water in je lichaam. Een stof is alles wat massa heeft. In de scheikunde kijk je niet alleen naar de eigenschappen van deze stoffen, maar ben je ook bezig met het omzetten van stoffen in andere stoffen. Met scheikunde worden in de industrie talloze stoffen geproduceerd, zoals een groot deel van de stoffen waar je kleding van is gemaakt. Ook je mobiele telefoon of tablet bestaat voor 100 % uit met scheikunde gemaakte stoffen. Het maken van de meeste medicijnen is alleen mogelijk met scheikunde. Je begrijpt dus wel hoe belangrijk het is dat je andere stoffen kunt maken. §1.1 Stofeigenschappen Wat is scheikunde? Maar ook als je thuis vlees braadt, ben je met scheikunde bezig omdat er tijdens het braden van het vlees stoffen veranderen. En voor het schoonmaken van je kamer gebruik je producten uit de scheikunde. Scheikunde of chemie speelt in ons leven op allerlei gebieden een belangrijke rol. §1.1 Stofeigenschappen Stofeigenschappen Als je stoffen voor een bepaald doel wilt gebruiken, kijk je naar de eigenschappen van de stof en als je nieuwe stoffen wilt maken, bedenk je van tevoren welke eigenschappen de stof moet hebben. Zo moet een snowboard sterk zijn, maar ook kunnen buigen. Je noemt deze eigenschappen stofeigenschappen. Denk bijvoorbeeld aan kleur, smaak, oplosbaarheid, brandbaarheid en de fase bij kamertemperatuur. Suiker heeft bijvoorbeeld als stof- eigenschappen dat het een witte, vaste stof is die goed in water oplosbaar is en zoet smaakt. Aan de stofeigenschappen kun je een stof herkennen. Als er bij twee stoffen één of meer eigenschappen verschillen, dan weet je dat de stoffen verschillend zijn. §1.1 Stofeigenschappen Stofconstanten Ook het smeltpunt en het kookpunt van een stof zijn stofeigenschappen. De temperatuur waarbij een stof smelt is het smeltpunt en de temperatuur waarbij een stof kookt is het kookpunt van die stof. Omdat je deze stofeigenschappen met een getal kunt weergeven, gevolgd door een eenheid, noem je ze wel stofconstanten. Zo heeft water een smeltpunt van 0 °C en een kookpunt van 100 °C. Een andere belangrijke stofconstante is de dichtheid. De massa en het volume zijn geen stofeigenschappen, maar de dichtheid is dat wel. De dichtheid van een stof is de massa van 1 m3 van die stof. Die is dus enkel afhankelijk van de stof, omdat je een vaste hoeveelheid neemt. In formulevorm is de dichtheid: dichtheid = massa : volume Als eenheid kun je bijvoorbeeld kg/m3 of g/cm3 gebruiken. §1.1 Stofeigenschappen Eenheden en grootheden Eigenschappen die je kunt meten zoals massa en volume, noem je grootheden. De eenheid is de maat waarmee je een grootheid meet, zoals kilogram voor massa of liter voor volume. De massa van een stof druk je vaak uit in kilogram (kg). Kilo (k) is een voorvoegsel en betekent duizend. Het is belangrijk dat je kunt rekenen met deze eenheden. §1.1 Stofeigenschappen Je kunt nu: Uitleggen wat scheikunde is; Uitleggen wat stoffen zijn; Vertellen dat elke stof een specifieke verzameling eigenschappen heeft; Werken met eenheden en grootheden. §1.2 Veiligheid Je leert: Hoe je veilig kunt werken; Hoe je een natuurwetenschappelijk onderzoek uitvoert. In 2011 was er een brand bij het bedrijf Chemie-Pack in Moerdijk. Hulpverleners en brandweermannen moeten bij zo’n brand inschatten hoe zij hun eigen veiligheid en die van anderen kunnen waarborgen. Denk aan beschermende kleding, het tegengaan van te veel rook inademen en het voorkomen van schade aan het milieu. §1.2 Veiligheid Veilig omgaan met stoffen Bij het vak scheikunde werk je met stoffen. Als je er niet op een goede manier mee omgaat, kunnen deze stoffen gevaarlijk zijn. Om te voorkomen dat het misgaat zijn er een aantal belangrijke regels over veiligheid, waar je je aan moet houden. Net als waarschuwingsborden in het verkeer, ken je ook 'waarschuwingsborden' voor gevaarlijke stoffen. De meest voorkomende gevarenpictogrammen zie je in de volgende afbeelding. Deze worden over de hele wereld gebruikt en staan op de verpakking waar de stoffen in zitten. §1.2 Veiligheid Veilig omgaan met stoffen §1.2 Veiligheid Veilig omgaan met stoffen Als je meer informatie over een stof zoekt en wilt nagaan hoe je er veilig mee om moet gaan, kun je gebruik maken van het boek Chemiekaarten. In dit boek is per stof aangegeven wat de gevaren zijn. Ook lees je in dit boek wat je moet doen als er iets fout gaat. Een belangrijk gegeven is de grenswaarde. Deze geeft aan hoeveel mg van een stof in 1 m3 lucht aanwezig mag zijn. Ga je voorbij deze grens, dan is het schadelijk voor de gezondheid. H-zinnen gaan over gezondheidsgevaren (H van hazard). P-zinnen gaan over preventie (P van prevention), het voorkomen van ongelukken. H-314 betekent bijvoorbeeld huidirritatie, veroorzaakt ernstige brandwonden. De betekenis van andere H- en P-zinnen kun je op internet vinden. §1.2 Veiligheid Veilig omgaan met stoffen §1.2 Veiligheid Voorschriften Bij experimenten in de scheikunde werk je met stoffen. Deze stoffen zitten vaak in een reageerbuis. Water voeg je toe met een spuitfles en je verwarmt met een gasbrander. Van alle hulpmiddelen die je bij proeven gebruikt, gaan we dieper in op de gasbrander en de spuitfles. §1.2 Veiligheid Voorschriften Gasbrander Als je bij een scheikundepracticum iets verwarmt, gebruik je vaak een gasbrander. Je kunt bij de brander naast de gastoevoer (a) ook de luchttoevoer (c) regelen. Als je de vlam goed zichtbaar wilt hebben, bijvoorbeeld omdat je deze even niet gebruikt, gebruik je de gele vlam. Deze vlam noem je ook wel de pauzevlam. Een vrijwel kleurloze vlam gebruik je meestal als je een kleine hoeveelheid stof voorzichtig moet verwarmen. De ruisende vlam gebruik je als je een grote hoeveelheid stof sterk moet verhitten. §1.2 Veiligheid Voorschriften Spuitfles met water Kraanwater bevat allerlei opgeloste stoffen. Die kunnen tijdens een experiment storend werken. Daarom is de spuitfles die je in het practicumlokaal ziet niet gevuld met kraanwater. Het water in de spuitfles is gedestilleerd water. Dat is kraanwater waaruit opgeloste stoffen zijn verwijderd. Als deze spuitfles (bijna) leeg is, mag je hem dus ook NIET vullen uit de kraan, maar hiervoor staat een speciaal vat in het practicumlokaal. §1.2 Veiligheid Experimenten Bij het vak scheikunde doe je regelmatig experimenten. Je kunt een theorie hebben en proberen om die met experimenten te onderbouwen. Je kunt ook een onderzoek doen waarbij je uit de experimenten een theorie opstelt. Bij een onderzoek stel je voor je een experiment doet eerst een onderzoeksvraag op. Je bedenkt een experiment om je onderzoeksvraag te beantwoorden. Voor dit experiment maak je een werkplan en daarna voer je het experiment uit. Je gebruikt je waarnemingen om in de conclusie de onderzoeksvraag te beantwoorden. §1.2 Veiligheid Experimenten Bij het doen van experimenten doorloop je een aantal stappen: handelingen, waarnemingen en conclusies. Als je bijvoorbeeld wilt weten of magnesium brandbaar is, dan zijn er een aantal handelingen die je uitvoert. Je steekt een brander aan, je pakt een stukje magnesium, enzovoort. Vervolgens doe je een aantal waarnemingen. Je ziet bijvoorbeeld dat er een fel wit licht ontstaat en er ontstaat wit poeder. Je conclusie is dan dat magnesium brandbaar is, omdat je kon zien dat het vlam vatte. Experimenten spelen een belangrijke rol in natuurwetenschappelijk onderzoek. Tijdens een experiment houd je vaak een logboek bij. Het doel van een logboek is dat je later kunt teruglezen wat er precies op een bepaald moment is gebeurd. Soms maak je een verslag van het experiment. §1.2 Veiligheid Je kunt nu: De meest voorkomende gevarenpictogrammen herkennen en uitleggen wat ze betekenen; Veilig werken met stoffen; Veilig werken met de brander; Veilig een practicum uitvoeren; Aangeven wat handelingen, waarnemingen en conclusies zijn bij het doen van experimenten. §1.3 Faseveranderingen Je leert: Dat stoffen in verschillende fasen voorkomen en van fase kunnen veranderen; Het verschil tussen een mengsel en een zuivere stof. Een pinguïn kan zwemmen in water, maar kan ook op ijs lopen. Zowel ijs als water bestaat uit dezelfde stof: water. IJs ziet er wel heel anders uit dan water, er is een duidelijk verschil tussen de vaste stof en de vloeistof. §1.3 Faseveranderingen Fasen IJs, water en waterdamp bestaan alle drie uit dezelfde stof: water. Toch ziet ijs er anders uit dan water. Dit komt doordat je hier hebt te maken met verschillende fasen van de stof water. Een stof kan in drie fasen voorkomen: de vaste, de vloeibare en de gasvormige fase. In paragraaf 1 heb je geleerd dat elke stof zijn eigen smeltpunt en kookpunt heeft. Dit zijn stofconstanten. De fase van een stof wordt bepaald door de temperatuur van de stof (en de druk): Een stof is vast bij een temperatuur die lager is dan het smeltpunt. Een stof is vloeibaar bij een temperatuur die tussen het smeltpunt en het kookpunt ligt. Een stof is gasvormig bij een temperatuur die hoger is dan het kookpunt. §1.3 Faseveranderingen Fasen §1.3 Faseveranderingen Toestandsaanduidingen De fase waarin een stof voorkomt, kun je aangeven door middel van een letter tussen haakjes. Als een stof vast is, schrijf je (s) erachter. De s is afgeleid van solid. Het ijs van de foto kun je weergeven met: water (s). Bevindt een stof zich in de vloeibare fase, dan geef je dat aan met (l). De letter l komt van liquid. Het vloeibare water van de foto geef je weer als: water (l). Als een stof gasvormig is, geef je dat aan met (g). De letter g komt van gas. Als een stof wordt opgelost in water, dan geef je dat aan met (aq) van aqua. Suiker die in water is opgelost noteer je als: suiker (aq). De notatie s, l, g en aq noem je toestandsaanduidingen. §1.3 Faseveranderingen Faseveranderingen Als je water verwarmt, wordt het waterdamp. Als je water afkoelt, wordt het ijs. Stoffen kunnen van de ene fase in de andere overgaan door de stof te verwarmen of af te koelen. In de fasedriehoek zie je dat elke faseverandering haar eigen naam heeft. Het is belangrijk dat je de namen van de faseveranderingen goed kent. Als water verdampt gaat het dus van de vloeibare fase naar de gasvormige fase. Dit kun je als volgt in een schema weergeven: water (l) → water (g). Je geeft dan aan dat vloeibaar water wordt omgezet in gasvormig water. De pijl houdt in dat er iets verandert. §1.3 Faseveranderingen Faseveranderingen §1.3 Faseveranderingen Temperatuurschalen (Celsius en kelvin) Je geeft een temperatuur soms aan in °C. Maar meestal gebruik je de eenheid kelvin, weergegeven met het symbool K. Je kunt de temperatuur in °C omrekenen in kelvin. Als je bij de temperatuur in graden Celsius (°C) 273 optelt, krijg je de temperatuur in kelvin. Trek je van de temperatuur in kelvin 273 af, dan krijg je de tempera- tuur in graden Celsius. Als het 20 °C is, dan is het 20 + 273 = 293 K. Als het 373 K is, dan is het 373 - 273 = 100 °C. §1.3 Faseveranderingen Temperatuurschalen (Celsius en kelvin) Om te bepalen in welke fase een stof zich bevindt, kun je gebruikmaken van een temperatuurlijn. Hiernaast zie je de temperatuurlijn van ethanol (alcohol). Als het bijvoorbeeld 60 °C is, dan is ethanol dus vloeibaar (in het blauwe gebied). §1.3 Faseveranderingen Zuivere stoffen en mengsels Een zuivere stof is één stof. Suiker is een voorbeeld van een zuivere stof. Als je suiker toevoegt aan water, ontstaat suikerwater. Dit is een mengsel. Een mengsel bestaat uit twee of meer stoffen. In het dagelijks leven komen er veel meer mengsels voor dan zuivere stoffen. Lucht, zeewater, sinaasappelsap en bloed zijn voorbeelden van mengsels. Ook melk is een mengsel. Op de verpakking van producten zoals melk staat de samenstelling vermeld. Hierdoor weet je of het product uit één stof bestaat, of uit een mengsel van twee of meer stoffen. §1.3 Faseveranderingen Zuivere stoffen en mengsels Staat de samenstelling van het product niet op de verpakking, dan kun je er met een proef achter komen of de stof zuiver is of een mengsel. Je laat de stof die je wilt onderzoeken, smelten of koken. Je meet de temperatuur tijdens het smelten of tijdens het koken. Als het gaat om een zuivere stof, blijft de temperatuur tijdens het smelten of koken hetzelfde. De stof heeft een smeltpunt en een kookpunt. Gaat het om een mengsel, dan loopt de temperatuur tijdens het smelten of koken langzaam op. Je spreekt dan van een smelttraject of een kooktraject. §1.3 Faseveranderingen Zuivere stoffen en mengsels Het temperatuurverloop tijdens het verwarmen van een zuivere stof (links) en van een mengsel (rechts). §1.3 Faseveranderingen Je kunt nu: De fasen en faseveranderingen benoemen; De temperatuur in °C omrekenen naar Kelvin en andersom; Het verschil aantonen tussen een mengsel en een zuivere stof.  Hoofdstuk 5 Reacties en energie J.A.W. Faes (2019) Hoofdstuk 5 – Reacties en energie Paragrafen §5.1 §5.2 §5.3 §5.4 Verbranding Ontleding van Overmaat en Energie en stoffen ondermaat reactiesnelheid Practica Exp. 15 Massaverhouding §5.1 Verbranding Je leert: Wat een verbrandingsreactie is; De voorwaarden voor verbranding en het blussen van een brand; Welke verbrandingsproducten ontstaan en hoe je die aantoont. Een gewenste verbrandingsreactie voor het wokken van vlees gaat hier over in een ongewenste verbrandingsreactie doordat de vlam in de pan slaat. §5.1 Verbranding Wat is een verbrandingsreactie? Bij verbrandingsreacties denk je al snel aan vuur-verschijnselen. Er zijn echter ook verbrandingsreacties die zonder vuurverschijnselen verlopen. Zo moet een wielrenner voedsel verbranden om een topprestatie te kunnen leveren en bij het verbranden van waterstof hoor je vaak alleen een luide knal. Ongeacht de verschijnselen zijn er drie voorwaarden voor het verlopen van een verbrandingsreactie: er moet een brandbare stof zijn; er moet voldoende zuurstof zijn; de ontbrandingstemperatuur moet bereikt zijn. §5.1 Verbranding Het bestrijden van een brand Verbrandingsreacties ken je van de grote bosbranden die regelmatig in het nieuws zijn. Het bestrijden van dit soort branden gebeurt vaak door te blussen met water. Het water verlaagt daarbij de temperatuur en doordat het water verdampt, verdrijft het ook nog eens de zuurstof. Bij veel branden is het blussen met water zeer effectief, maar niet bij alle branden is het mogelijk om deze te bestrijden met water. Bij een frituurbrand is het zelfs gevaarlijk om met water te blussen, omdat hierbij een steekvlam kan optreden. §5.1 Verbranding Het bestrijden van een brand https://www.youtube.com/watch?v=MCOuONfZbIg §5.1 Verbranding Het bestrijden van een brand Het is ook mogelijk een brand te bestrijden door de brandstof weg te nemen. In de afbeelding hieronder wordt aan brandpreventie gedaan doordat er in een bos een brandgang is gemaakt om een eventuele bosbrand in te perken. Je neemt dan de brandstof weg. Bij alle vormen van brandbestrijding is het belangrijk om een of meerdere van de drie voorwaarden voor het optreden van een brand weg te nemen. §5.1 Verbranding Verbranden van elementen Bij een verbrandingsreactie is altijd zuurstof nodig. De brandstof reageert met zuurstof en vormt met de zuurstof een verbinding. Als de brandstof bestaat uit één element ontstaat er altijd een oxide. Bij het verbranden van magnesium bijvoorbeeld ontstaat het witte poeder magnesiumoxide, dat door turners wordt gebruikt voor het verkrijgen van een betere grip. Een oxide is een verbinding die uit twee atoomsoorten bestaat: de atoomsoort zuurstof en de atoomsoort van het element dat is verbrand. §5.1 Verbranding Verbranden van elementen Als je een metaal verbrandt, ontstaat een metaaloxide. Bij de naam van een metaaloxide geef je de naam van het metaal gevolgd door het woord oxide. Van sommige metalen zijn meerdere oxiden bekend en dat geef je aan met een Romeins cijfer in de naam, zoals koper(I)oxide (Cu2O) en koper(II)oxide (CuO). Bij het verbranden van niet-metalen kun je ook meerdere oxiden krijgen. In de naamgeving geven voorvoegsels dan de verhouding tussen het element en zuurstof aan. Als het eerste element van een niet-metaaloxide maar één keer voorkomt, mag je voorvoegsel mono niet gebruiken. Als het element zuurstof maar één keer voorkomt, gebruik je wel het voorvoegsel mono. §5.1 Verbranding Verbranden van elementen §5.1 Verbranding Verbranden van verbindingen Een belangrijke brandstof voor verbrandingsreacties zijn koolstofverbindingen. De moleculen van een verbinding bestaan uit verschillende atoomsoorten. Bij de verbranding van een verbinding zal iedere atoomsoort van de verbinding zijn eigen oxide vormen. De reactieproducten van een verbranding zijn afhankelijk van de atoomsoorten in de brandstof en de hoeveelheid zuurstof die beschikbaar is bij de verbranding. §5.1 Verbranding Verbranden van verbindingen Bij een volledige verbranding, als er voldoende zuurstof aanwezig is, ontstaat uit het element koolstof de verbinding koolstofdioxide. Is er echter te weinig zuurstof voor de verbranding beschikbaar, dan treedt er een onvolledige verbranding op. Bij een onvolledige verbranding ontstaat roet (koolstof) en kan het giftige gas koolstofmono-oxide ontstaan. §5.1 Verbranding Reagentia Bij verbranding van koolstofverbindingen komt koolstofdioxide en ook meestal water vrij. Deze stoffen zijn aan te tonen met een reagens. Een reagens is een stof die zichtbaar verandert in aanwezigheid van de stof die je wilt aantonen. §5.1 Verbranding Explosieve verbrandingsreacties Tijdens oorlogen wordt er vaak gebruikgemaakt van explosieve verbrandingsreacties. Bij een explosie komen veel krachten vrij en deze zijn er de oorzaak van dat vele gebouwen worden vernietigd. Niet iedere stof is echter geschikt om een explosieve verbrandingsreactie te veroorzaken. Voor zo'n reactie zijn er twee extra voorwaarden. Brandstof en zuurstof moeten in de juiste verhouding zijn gemengd. Er moet een exotherme reactie optreden waarbij gasvormige reactieproducten ontstaan. Door de ontstane warmte zetten de gassen snel en sterk uit. Dit uitzetten van de gassen heet een explosie. §5.1 Verbranding Je kunt nu: Uitleggen wat een verbrandingsreacties is en de drie voorwaarden voor verbranden noemen; Uitleggen op welke manier je een brand kunt blussen; Uitleggen wat een oxide is; De reactievergelijking geven van de verbranding van een aantal elementen en verbindingen; Uitleggen wat een reagens is; Toelichten met welke reagentia je de verbrandingsproducten water, koolstofdioxide en zwaveldioxide kunt aantonen en welke waarnemingen je daarbij doet. §5.2 Ontleding van stoffen Je leert: Wat een ontledingsreactie is; Welke soorten ontledingsreacties er zijn; Wat voor soort producten er bij een ontledingsreactie kunnen ontstaan. Bij ontleding in het vak Nederlands worden zinnen uit elkaar gehaald en worden alle zinsdelen benoemd. In de scheikunde worden geen zinnen, maar stoffen ontleed, waarbij uit één beginstof meerdere nieuwe stoffen ontstaan. §5.2 Ontleding van stoffen Kenmerken van een ontledingsreactie De stof kopercarbonaat zorgt voor de mooie groene kleur van koperen daken. Een klein beetje van het groene kopercarbonaat kun je in een reageerbuisje voorzichtig verhitten. Verhitten is niet hetzelfde als verbranden. Er is sprake van verhitten als de stof wordt opgewarmd zonder dat daarbij zuurstof aan de beginstof wordt toegevoegd. Tijdens verhitten wordt het groene kopercarbonaat omgezet in het zwarte koperoxide en koolstofdioxide: CuCO3 (s) → CuO (s) + CO2 (g) §5.2 Ontleding van stoffen Kenmerken van een ontledingsreactie CuCO3 (s) → CuO (s) + CO2 (g) Dit type reactie noem je een ontledingsreactie. Bij een ontledingsreactie is er maar één beginstof. Deze beginstof is altijd een verbinding en die wordt ontleed in twee of meer reactieproducten. Deze reactieproducten kunnen elementen zijn, maar er kunnen ook andere verbindingen of een combinatie van beide ontstaan. §5.2 Ontleding van stoffen Energie-effecten van ontledingsreacties Voor de meeste ontledingsreacties is continu energie nodig. Zo worden in kalkovens in ontwikkelingslanden grote brokken kalksteen (CaCO3) omgezet in ongebluste kalk (CaO) en koolstofdioxide. Voor deze reactie moeten de brokken kalksteen voortdurend worden verhit tot ongeveer 900 °C. In deze kalkovens stookt men hiervoor van alles, van riet tot afgewerkte olie. Een reactie die continu energie nodig heeft om te verlopen is een endotherme reactie. Het reactieschema voor de ontleding van kalksteen met behulp van warmte is: kalksteen (s) → ongebluste kalk (s) + koolstofdioxide (g) §5.2 Ontleding van stoffen Energie-effecten van ontledingsreacties Een andere ontledingsreactie, de ontleding van ammoniumdichromaat, is een demoproef, die vroeger vaak op middelbare scholen werd gebruikt. Ammoniumdichromaat (NH4)2Cr2O7, is een oranje stof die na verhitting ontleedt in de groene stof chroomoxide (Cr2O3), stikstof en water. Tijdens de ontledingsreactie treden er vuurverschijnselen op, waardoor de reactie een beetje lijkt op een spuwende vulkaan. In eerste instantie moet het ammoniumdichromaat worden verhit om de reactie op gang te brengen. Na de eerste verhitting gaat de reactie spontaan verder. De vuurverschijnselen die optreden bij de reactie duiden er op dat er tijdens de reactie warmte vrijkomt. De ontleding van ammoniumdichromaat is dan ook een voorbeeld van een exotherme ontledingsreactie. §5.2 Ontleding van stoffen Energie-effecten van ontledingsreacties https://www.youtube.com/watch?v=nyjIPOkZ_1U §5.2 Ontleding van stoffen Typen ontledingsreacties Voor de meeste ontledingsreacties is energie nodig. Je hebt al het voorbeeld gezien van de kalkovens in ontwikkelingslanden waarbij warmte wordt gebruikt om de brokken kalksteen te ontleden. Een ontledingsreactie onder invloed van warmte noem je een thermolysereactie. §5.2 Ontleding van stoffen Typen ontledingsreacties Met behulp van het toestel van Hofmann is het mogelijk om water te ontleden. Aan de negatieve elektrode wordt het water omgezet in waterstof en aan de positieve elektrode wordt het water omgezet in zuurstof. Bij deze reactie heb je dus elektriciteit nodig om water in zuurstof en waterstof te ontleden. Een ontledingsreactie waarbij je elektriciteit gebruikt voor de ontleding noem je een elektrolysereactie. §5.2 Ontleding van stoffen Typen ontledingsreacties Het is ook mogelijk om met behulp van licht water in waterstof en zuurstof te ontleden. Onderzoekers van de Penn State universiteit zijn erin geslaagd 'zonnepanelen' te bouwen die water met behulp van zonlicht ontleden. Het zonlicht levert dus de energie om het water te ontleden. Ontleding door middel van licht noem je fotolyse. §5.2 Ontleding van stoffen Typen ontledingsreacties Je kunt nu drie soorten ontledingsreacties onderscheiden: Thermolyse: ontleding door middel van warmte Elektrolyse: ontleding door middel van elektriciteit Fotolyse: ontleding door middel van licht §5.2 Ontleding van stoffen Je kunt nu: Een ontledingsreactie herkennen; Een exotherme ontledingsreactie beschrijven; Vermelden dat de meeste ontledingsreacties endotherm zijn; Drie soorten ontledingsreacties benoemen en aangeven welke energievorm ervoor nodig is; Uitleggen dat de producten van een ontledingsreactie elementen kunnen zijn, maar soms ook verbindingen. §5.3 Overmaat en ondermaat Je leert: Wat er gebeurt als je stoffen niet in de juiste verhouding mengt; Het begrip overmaat en ondermaat gebruiken; Rekenen aan reacties waarvan een van de beginstoffen in overmaat aanwezig is. Tijdens een uitverkoop is er een overmaat aan kopers en vaak een ondermaat aan winkelpersoneel. Ook in de scheikunde kennen we het begrip overmaat en ondermaat. §5.3 Overmaat en ondermaat Overmaat en ondermaat We hebben gezien dat bij een volledige verbranding uit een koolstofverbinding met de atoomsoorten C en H de oxiden koolstofdioxide en water ontstaan. Bij een slechte ventilatie is er te weinig zuurstof en kan er bij de verbranding ook het giftige koolstofmono-oxide (CO) ontstaan. De hoeveelheid brandstof en zuurstof bepaalt in dit geval het verloop van de reactie. Bij een volledige verbranding is de zuurstof in overmaat, terwijl bij een onvolledige verbranding de zuurstof in ondermaat is. Een chemische reactie stopt altijd als één van de beginstoffen op is of wordt weggehaald, of als het reactiemengsel onder de reactietemperatuur daalt. Meng je de beginstoffen in de juiste verhouding, dan verloopt een reactie tot alle beginstoffen hebben gereageerd. §5.3 Overmaat en ondermaat Rekenen met overmaat en ondermaat Bij een chemische reactie waarbij de beginstoffen niet in de juiste verhouding zijn gemengd, blijft een deel van de beginstof, die in overmaat aanwezig was, na de reactie over. De beginstof, die in ondermaat aanwezig was, reageert volledig. Om uit te rekenen hoeveel reactieproduct er ontstaat, ga je uit van de beginstof die in ondermaat aanwezig is. In het volgende voorbeeld zie je hoe je rekent met overmaat en ondermaat. §5.3 Overmaat en ondermaat Voorbeeld: Omzetting van koperoxide in zuiver koper (blz. 153, maar dan met de ‘mol’) Bereken hoeveel gram zuiver koper er ontstaat bij de verhitting van 25 g koperoxide in aanwezigheid van 5,5 g methaan (CH4). De reactievergelijking is: 4 CuO (s) + CH4 (g) → 4 Cu (s) + CO2 (g) + 2 H2O (g) 1) Reken eerst de gegeven massa’s in gram om naar het aantal mol stof. m(CuO) = 25 g, M(CuO) = 79,6 g/mol m(CH4) = 5,5 g, M(CH4) = 16,0 g/mol m(CuO) 25 g n CuO = = = 0,314 mol CuO M(CuO) 79,6 g/mol m CH4 5,5 g n CH4 = = = 0,344 mol CH4 M CH4 16,0 g/mol §5.3 Overmaat en ondermaat Voorbeeld: Omzetting van koperoxide in zuiver koper (blz. 153, maar dan met de ‘mol’) Bereken hoeveel gram zuiver koper er ontstaat bij de verhitting van 25 g koperoxide in aanwezigheid van 5,5 g methaan (CH4). De reactievergelijking is: 4 CuO (s) + CH4 (g) → 4 Cu (s) + CO2 (g) + 2 H2O (g) n(CuO) = 0,314 mol; n(CH4) = 0,344 mol 2) Reken nu uit welke van deze twee stoffen in overmaat aanwezig is. Gebruik de molverhouding uit de reactievergelijking om te berekenen hoeveel mol methaan er nodig is om al het koperoxide te laten reageren. CuO CH4 0,314 mol ∙ 1 molverhouding 4 mol 1 mol x= = 0,0785 mol CH4 4 hoeveelheid mol 0,314 mol x mol Je hebt 0,0785 mol methaan nodig om het koperoxide volledig te laten reageren. Er is 0,344 mol methaan aanwezig, dus het methaan is in overmaat. §5.3 Overmaat en ondermaat Voorbeeld: Omzetting van koperoxide in zuiver koper (blz. 153, maar dan met de ‘mol’) Bereken hoeveel gram zuiver koper er ontstaat bij de verhitting van 25 g koperoxide in aanwezigheid van 5,5 g methaan (CH4). De reactievergelijking is: 4 CuO (s) + CH4 (g) → 4 Cu (s) + CO2 (g) + 2 H2O (g) n(CuO) = 0,314 mol; n(CH4) = 0,344 mol 2) Als je uitrekent hoeveel mol koperoxide je nodig hebt om al het methaan te laten reageren, concludeer je dat het koperoxide in ondermaat is. CuO CH4 0,344 mol ∙ 4 molverhouding 4 mol 1 mol y= = 1,375 mol CuO 1 hoeveelheid mol y mol 0,344 mol Je hebt dus 1,375 mol koperoxide nodig om het methaan volledig te laten reageren. Er is echter maar 0,314 mol koperoxide aanwezig, dus het koperoxide is in ondermaat. §5.3 Overmaat en ondermaat Voorbeeld: Omzetting van koperoxide in zuiver koper (blz. 153, maar dan met de ‘mol’) Bereken hoeveel gram zuiver koper er ontstaat bij de verhitting van 25 g koperoxide in aanwezigheid van 5,5 g methaan (CH4). De reactievergelijking is: 4 CuO (s) + CH4 (g) → 4 Cu (s) + CO2 (g) + 2 H2O (g) n(CuO) = 0,314 mol (= ondermaat); n(CH4) = 0,344 mol (=overmaat) 3) Om uit te rekenen hoeveel mol zuiver koper er bij deze reactie kan ontstaan, moet je uitgaan van de stof in ondermaat, dus koperoxide. CuO Cu 0,314 mol ∙ 4 molverhouding 4 mol 4 mol z= = 0,314 mol Cu 4 hoeveelheid mol 0,314 mol z mol 4) m(Cu) = n(Cu) x M(Cu) = 0,314 mol x 63,6 g/mol = 20,0 g. Er ontstaat 20,0 g koper bij deze reactie. §5.3 Overmaat en ondermaat Je kunt nu: Uitleggen wanneer een reactie stopt; Uitleggen wat onder overmaat en ondermaat wordt verstaan; Uitrekenen welke stof(fen) in overmaat en ondermaat bij een chemische reactie aanwezig zijn. §5.4 Energie en reactiesnelheid Je leert: Het energieverloop van een chemische reactie in een energiediagram weer te geven; Het botsende-deeltjesmodel gebruiken om reactiesnelheden te verklaren. In 2015 heeft een team van de Technische Universiteit Eindhoven de World Solar Challenge in Australië gewonnen. Zonne-energie wordt in deze auto omgezet in beweging. Bij chemische reacties is er ook een energie-effect. §5.4 Energie en reactiesnelheid Het energie-effect van een reactie Alle stoffen bevatten een bepaalde hoeveelheid chemische energie. Bij een exotherme reactie staan de beginstoffen een deel van hun chemische energie aan de omgeving af. De chemische energie wordt omgezet in een andere vorm van energie zoals warmte, licht of elektrische energie. De chemische energie die de reactieproducten hebben is dan ook lager dan de chemische energie van de beginstoffen. §5.4 Energie en reactiesnelheid Het energie-effect van een reactie Veel ontledingsreacties zijn endotherm, je moet voortdurend energie toevoeren. De energie die tijdens de reactie door het reactiemengsel wordt opgenomen, wordt omgezet in chemische energie. De chemische energie van de reactieproducten is bij een endotherme reactie hoger dan de chemische energie van de beginstoffen. Bij een chemische reactie gaat geen energie verloren. §5.4 Energie en reactiesnelheid Het energie-effect van een reactie Ook bij veel exotherme reacties verloopt de reactie pas na het toevoeren van energie aan het reactiemengsel. Het laten branden van een gasbrander is pas mogelijk nadat je er een brandende lucifer bij hebt gehouden. Deze warmte is nodig om de beginstoffen op reactietemperatuur te brengen. De energie die je moet toevoeren om de reactie op gang te brengen is de activeringsenergie. Zowel een endotherme als een exotherme reactie heeft altijd activeringsenergie. Bij een exotherme reactie komt genoeg energie vrij om de reactie verder spontaan te laten verlopen. Bij een endotherme reactie moet je continu energie blijven toevoeren. §5.4 Energie en reactiesnelheid Het energie-effect van een reactie Het energie-effect van een chemische reactie kun je weergeven in een energiediagram. In zo'n diagram gebruik je geen eenheid op de x-as. Op de y-as staat de energie aangegeven. In de volgende figuren staan de energie- diagrammen van een exotherme en een endotherme reactie. Hierin kun je zien dat de beginstoffen eerst energie moeten opnemen om in een geactiveerde toestand te geraken. De energie die hiervoor nodig is noem je de activeringsenergie. §5.4 Energie en reactiesnelheid Het energie-effect van een reactie Energiediagram van een exotherme reactie Energiediagram van een endotherme reactie §5.4 Energie en reactiesnelheid Botsende-deeltjesmodel We kennen al een aantal factoren die van invloed zijn op de reactiesnelheid. Drie van deze factoren kun je verklaren met het botsende-deeltjesmodel. De kleinste deeltjes van een stof bewegen. Ze kunnen dus ook tegen elkaar botsen. Als twee botsende deeltjes een reactie met elkaar kunnen aangaan, zal die reactie alleen optreden wanneer de botsing hard genoeg is en de juiste richting heeft. Zo'n botsing noem je een effectieve botsing. Hoe groter het aantal botsingen, des te groter is ook het aantal effectieve botsingen en des te sneller verloopt de reactie. §5.4 Energie en reactiesnelheid Botsende-deeltjesmodel §5.4 Energie en reactiesnelheid Botsende-deeltjesmodel Invloed van de concentratie Als je de concentratie van de reagerende deeltjes vergroot, zijn er meer deeltjes en zal het aantal botsingen van de reagerende deeltjes toenemen. Hierdoor neemt ook het aantal effectieve botsingen toe en neemt de reactiesnelheid dus toe. §5.4 Energie en reactiesnelheid Botsende-deeltjesmodel https://www.youtube.com/watch?v=X6sWzkFyjXY&t=1s §5.4 Energie en reactiesnelheid Botsende-deeltjesmodel Invloed van de verdelingsgraad Als een vaste stof met een opgeloste stof reageert, kan de opgeloste stof alleen maar aan de oppervlakte van de vaste stof reageren. Door een vaste stof te verdelen in kleinere deeltjes vergroot je de oppervlakte van de vaste stof. Hoe groter de oppervlakte van de vaste stof, hoe groter de kans op een botsing tussen de deeltjes van de opgeloste stof en de vaste stof. Hierdoor heb je ook meer kans op effectieve botsingen en neemt de reactiesnelheid toe. Dus hoe groter de verdelingsgraad, hoe sneller de reactie. §5.4 Energie en reactiesnelheid Botsende-deeltjesmodel https://www.youtube.com/watch?v=nd-LgmzZIas&t=3s §5.4 Energie en reactiesnelheid Botsende-deeltjesmodel Invloed van de temperatuur Bij verhoging van de temperatuur gaan deeltjes sneller bewegen. Hierdoor zal het aantal botsingen toenemen. Maar een botsing tussen sneller bewegende deeltjes is ook heftiger, waardoor de kans op een effectieve botsing groter wordt. Als deeltjes sneller bewegen, zullen er dus veel meer effectieve botsingen zijn en neemt de reactiesnelheid toe. Bij een temperatuursverhoging van 10 °C gaat een reactie tweemaal zo snel. §5.4 Energie en reactiesnelheid Botsende-deeltjesmodel https://www.youtube.com/watch?v=Fa_GXl6uaaQ&t=3s §5.4 Energie en reactiesnelheid Je kunt nu: Het energiediagram van een endotherme en een exotherme reactie schetsen; In een energiediagram aangeven wat de activeringsenergie is; Met het botsende-deeltjesmodel de invloed van de factoren concentratie, temperatuur en verdelingsgraad verklaren.