Hoofdstuk 1: Materie, energie en leven

Natuurwetenschappen – context 1: Materie, energie en leven
Hoofdstuk 1: Materie, energie en leven
1. De brandstoftank van een auto
boek p.7-10
Materie, energie en leven kunnen niet zonder elkaar.
Elk organisme (bacterie, plant, dier, mens, …) is opgebouwd uit materie: stoffen zijn bouwstenen van het
leven.
Elk organisme heeft energie nodig voor het verrichten van allerlei levensfuncties.
Deze energie is opgestapeld in materie.
a) Energie in brandstoffen: biobrandstoffen
b) Voorbeeld 2: fossiele brandstoffen
Onder fossiele brandstoffen verstaan we: steenkool, aardolie en aardgas.
Fossiele brandstoffen zijn nog steeds de meest gebruikte energiebronnen, zowel in de industrie, in
huishoudens (verwarming, …) als voor het transport. Ook een groot deel van de
elektriciteitscentrales gebruiken steenkool om elektriciteit te produceren.
Fossiele brandstoffen zijn ontstaan uit organisch materiaal (=resten van dode planten en dieren) dat
gedurende miljoenen jaren omgevormd is tot fossielen in de aardkorst of op de bodem van de zee.
Zo zijn aardolie en aardgas ontstaan uit plankton (microscopisch kleine wezentjes van dierlijke of
plantaardige oorsprong, die in de zee voorkomen). Het plantaardig plankton stapelde zonneenergie op in energierijke verbindingen (zoals suiker). Dit gebeurde tijdens de fotosynthese.
Onder invloed van toenemende druk en temperatuur werd dit plankton gedurende miljoenen
jaren omgevormd tot aardolie en aardgas.
In feite is de energie die we halen uit fossiele brandstoffen zonne-energie die miljoenen jaren
geleden opgestapeld werd in het organisch materiaal.
c) Fotosynthese
Bij het ontstaan van biobrandstoffen en fossiele brandstoffen is fotosynthese een heel belangrijk
proces. Dit proces zorgt voor het opstapelen van energie in groene planten.
Tijdens de fotosynthese reageert CO2 (koolstofdioxide) met H2O (water) om C6H12O6 (een soort
suiker, glucose) en O2 (zuurstofgas) te vormen.
Voor dit proces zijn nodig:



CO2 en H2O
bladgroenkorrels of chlorofyl (fotosynthese komt enkel voor in groene planten)
zonlicht (= energie van de zon)
Het resultaat van de fotosynthese is:


zuurstofgas (wat mens en dier gebruikt bij de ademhaling)
glucose, een energierijke verbinding (in deze verbinding wordt zonne-energie opgestapeld)
Reactieschema:
1
Natuurwetenschappen – context 1: Materie, energie en leven
d) Energie in voedsel
Voorbeeld:
In voedsel (=materie) zit uiteraard ook energie opgeslagen. Onderstaande tekst laat dit duidelijk zien.
2
Natuurwetenschappen – context 1: Materie, energie en leven
2. Organische stoffen
boek p.11-13
2.0 Herhaling: indeling van de materie
Materie bestaat uit stoffen. Er bestaan vele honderdduizenden verschillende stoffen. Daarom worden deze
stoffen ingedeeld in een beperkt aantal stofklassen. Stoffen die tot een bepaalde stofklasse behoren
hebben eenzelfde structuur of dezelfde functionele groep (bij organische stoffen) en vertonen daardoor
overeenkomstige chemische eigenschappen.
De materie
Mengsel
Zuivere stof
Minerale verbindingen
Anorganische chemie
Koolstofverbindingen
Organische chemie
Enkelvoudige stoffen
Samengestelde stoffen
Je merkt dat we de zuivere stoffen op twee manieren indelen.
De verbindingen die voorkomen in de levende natuur (in planten en dieren) of afkomstig zijn van afgestorven
wezens of planten (in aardolie, steenkool en aardgas) noemen we organische verbindingen.
Organische verbindingen zijn verbindingen die altijd een C-atoom bevatten.
De stoffen die we vooral terugvinden in de dode natuur (als gesteente in de bodem, als gas, als stofdeeltjes
in de lucht, als zout opgelost in water, …) noemen we anorganische verbindingen.
Anorganische producten heb je vorig jaar al bestudeerd.
Opdracht: geef enkele voorbeelden van anorganische stoffen
3
Natuurwetenschappen – context 1: Materie, energie en leven
2.1 Koolwaterstoffen
Uit welke atomen zijn koolwaterstoffen opgebouwd?
a) Soorten koolwaterstoffen (KWS)


alifatische KWS:
cyclische KWS:
bevatten een C-keten die niet gesloten is
de C-atomen binden zich tot een gesloten structuur (koolstofring)

verzadigde KWS:
= de alkanen
bevatten alleen enkelvoudige C-C bindingen

bevatten minstens één meervoudige C-C binding
(dubbele binding of driedubbele binding)
= de alkenen (dubbele binding) of alkynen (driedubbele binding)

aromatische KWS:
onverzadigde KWS:
bevatten steeds een typische structuur namelijk een benzeenring
b) Voorbeelden van KWS
naam
structuurformule
H
soort KWS
H
C C
etheen
H
H
butaan
cyclohexaan
H2C
H2C
HC
benzeen
HC
H2
C
C
H2
H
C
C
H
CH2
CH2
CH
CH
Paraffine is een verzamelnaam voor verzadigde alifatische KWS. Paraffine die gebruikt wordt in kaarsen
zijn steeds opgebouwd uit lange C-ketens (C25 tot C40).
4
Natuurwetenschappen – context 1: Materie, energie en leven
c) Enkele toepassingen van KWS
Campinggas
Mengsel van
propaan
en
butaan
White spirit
Kaarsen
Mengsel van alifatische en
cyclische koolwaterstoffen (C7-C12)
en aromatische koolwaterstoffen
(C7-C12). White spirit kan ook een
kleine hoeveelheid benzeen
bevatten.
Kaarsen zijn vaak gemaakt van
paraffine of bijenwas of stearine
of een mengsel van deze
stoffen.
2.2 Derivaten van KWS
a) Functionele groep
Uit KWS kunnen heel wat andere organische verbindingen afgeleid worden, die ook andere atomen
bevatten dan C en H.
Al deze organische verbindingen zijn onderverdeeld in groepen. Een groep van organische
verbindingen bevat moleculen die allemaal een welbepaalde groep van atomen bevatten. Deze groep
noemen we de functionele groep.
Er zijn veel manieren om een organisch molecule voor te stellen in formulevorm. Bestudeer
onderstaande formules en vul de open cellen van de tabel in.
b) Voorbeelden
Stearinezuur (of stearine) is een verzadigd carbonzuur.
H H H H H H H H H H H H H H H H H
O
H C C C C C C C C C C C C C C C C C C
H H H H H H H H H H H H H H H H H
O H
of C17H35COOH
De -COOH-groep noemen we de functionele groep.
We kunnen deze formule algemeen voorstellen als R-COOH, waarbij de R-groep de lange
koolstofketen voorstelt.
Bijenwas is een voorbeeld van een ester.
Schrijf de algemene formule van een ester (stel de C-ketens voor door R1 en R2):
O
C15H31
C
O C31H63
5
Natuurwetenschappen – context 1: Materie, energie en leven
2.3 Determineertabel
Alle organische stoffen kunnen ingedeeld worden in stofklassen. Stoffen van eenzelfde stoklasse
hebben dezelfde functionele groep en vertonen hierdoor overeenkomstige eigenschappen.
algemene Formule
vereenvoudigde formule
functionele groep
naam stofklasse
structuurformule
R-H
Alkanen
R1-CH=CH- R2
Alkenen
R1-C≡C- R2
Alkynen
R-OH
OH-groep
R-X
X (halogeen)
R-NH2
-NH2 (aminogroep)
Alcoholen
Halogeniden
(Halogeenalkanen)
Aminen
R C H
R C H
R-CHO
O
R C R'
R1-CO- R2
R C
R C O R'
O
R C
R-CO-NH2
R1-O- R2
O
Ketonen
(carbonylgroep)
O H
R1-COO- R2
Aldehyden
R C R'
O
O
O
R-COOH
O
(eindstandig
carbonylgroep)
O
R C
O H
(carboxylgroep)
R C O R'
O
NH2
Carbonzuren
R C NH2
O
-O-
Esters
Amiden
Ethers
6
Natuurwetenschappen – context 1: Materie, energie en leven
a) Organische stoffen herkennen met behulp van de determineertabel
1. Volgende stof komt voor in het aroma van peren. Tot welke stofklasse behoort deze stof?
O
H3C C
O C3H7
2. Geef het nut van volgende stof in de huisapotheek? Tot welke stofklasse behoort deze stof?
C2H5
O C2H5
3. In dissolvant zit een stof die nagellak verwijdert.
H3C C CH3
Tot welke stofklasse behoort deze stof?
O
4. De typische geur in zweet wordt veroorzaakt door butaanzuur.
Schrijf de structuurformule van butaanzuur.
5. Welke stofklasse herken je in volgende formules?
NH2
O
Cl
Cl
6.
O
Cl
H
HC CH
C
O
OH
Sommige stoffen vertonen twee functionele groepen. In aspirine zit een actief bestanddeel:
acetylsalicylzuur genaamd. Duid in onderstaande figuur de twee functionele groepen aan en geef
ook de overeenkomstige stofklasse.
7
Natuurwetenschappen – context 1: Materie, energie en leven
b) Zelfstandige opdracht
1.
Triglyceriden zijn een belangrijke groep van lipiden (vetten). Triglyceriden vind je bijvoorbeeld in
zeep. Welke stofklasse herken je in onderstaande algemene voorstelling van lipiden?
O
O
C
O
O
C
O
O C
2.
Om een koffiezetapparaat te ontkalken kan je azijnzuur gebruiken. Azijnzuur = ethaanzuur. Schrijf
de structuurformule op van azijnzuur.
3.
Aardgas bestaat vooral uit methaan, maar ook een beetje propaan en butaan. Schrijf de
structuurformule op van deze verbindingen.
4.
Als je in een mierennest gaat zitten, krijg je vast en zeker rode pukkels. Deze worden veroorzaakt
door mierenzuur (=methaanzuur). Schrijf de structuurformule op van mierenzuur.
5.
Aminozuren vormen de basiseenheid van eiwitten. In het woord aminozuur herken je de naam
van twee stofklassen. Duid in onderstaande algemene voorstelling van een aminozuur deze twee
stofklassen aan en geef ook de bijhorende naam.
H
H2N C COOH
R
6.
Er is aangetoond dat langketenige onverzadigde vetzuren, essentiële nutriënten zijn voor de
mens en knaagdieren. Dit betekent dat de mens deze voedingsstoffen niet zelf aan kan maken.
Onder andere in olijfolie vind je zulke onverzadigde vetzuren. Welk van beide vetzuren is een
omega-3-vetzuur?
COOH
COOH
8
Natuurwetenschappen – context 1: Materie, energie en leven
2.4 Enkele toepassingen van organische verbindingen
alkanen
naam
formule
methaan
Voorkomen / toepassing
aardgas
Propaan
Campinggas
LPG (liquid petroleum gas)
butaan
lagere
alkanen
(C7-C12)
hogere
alkanen
C25-C40
White spirit (oplosmiddel)
Paraffine (in kaarsen)
alkenen
naam
formule
Voorkomen / toepassing
Kunststof: in verpakkingen van
voedingsmiddelen, ballen in een
ballenbad, boodschappentas, …
polyetheen
alkynen
naam
formule
Voorkomen / toepassing
De verbranding van ethyn is een exoenergetische reactie. De temperatuur
kan oplopen tot 3100 °C. Dit komt onder
meer voor bij snijbranders.
ethyn
alcoholen
naam
methanol
ethanol
formule
Voorkomen / toepassing
Brandalcohol in fonduetoestellen. Zeer
giftig! Kan leiden tot blindheid en zelfs tot
de dood.
In bier, wijn, jenever, …
Ontsmettingsmiddel, brandstof.
9
Natuurwetenschappen – context 1: Materie, energie en leven
halogeniden = halogeenalkanen
naam
formule
Voorkomen / toepassing
trichloormethaan
= chloroform: inademen van de gassen
leidt tot bewusteloosheid
chloorethaan
Snel verdovend middel bij
sportkwetsuren. Verdooft zenuwen en
doet de bloedvaten samentrekken
(zodat het bloeden stopt).
carbonzuren
naam
formule
Voorkomen / toepassing
In het gif van mieren (veroorzaakt
pijnlijke rode plekjes).
In brandnetels.
methaanzuur
= mierenzuur
ethaanzuur
= azijnzuur
Azijn is een 5%-oplossing van azijnzuur;
gebruikt om voedsel te bewaren.
butaanzuur
Vreselijk slechte geur: in ranzige boter,
in menselijk zweet (zweetvoeten).
stearine
in kaarsen
ethers
naam
formule
Voorkomen / toepassing
Ontvettingsmiddel (vetresten, lijmresten,
… verwijderen).
Geen ontsmettingsmiddel!
diëthylether
esters: aangename geuren in de natuur (fruit, groenten, bloemen, kruiden, …)
aldehyden
naam
ethanal
formule
Voorkomen / toepassing
witte aansteekblokjes (barbecue, open
haard, …)
10
Natuurwetenschappen – context 1: Materie, energie en leven
ketonen
naam
formule
propanon
(= aceton)
Voorkomen / toepassing
dissolvant (nagellak verwijderen);
oplosmiddel voor verven en vernissen
aminen: basis van kleurstoffen, kunststoffen, drugs, farmaceutische producten
naam
trimethylamine
amfetamine
formule
Voorkomen / toepassing
geur van rotte vis
pepmiddel
11
Natuurwetenschappen – context 1: Materie, energie en leven
3. Polariteit van stoffen
boek p.20-25
3.1 Dipoolmolecule, polaire en apolaire stoffen
3.1.1: water, een bijzondere molecule
proefje boek p.20
polaire bindingen
 Schrijf de structuur van water op:
 Welk atoom heeft de grootste elektronegativiteit? ………………………………
 Gevolg:
zuurstof heeft een ……………………………… deellading,
waterstof heeft een ……………………………… deellading,
 Besluit: de binding tussen het O-atoom en het H-atoom is een ………………………
…………………………… binding.
 Water is een polair molecule of een …………………………………………
3.1.2: polaire en apolaire stoffen

Zijn alle moleculen met polaire bindingen dipoolmoleculen?

Voorbeeld: schrijf de structuur op van CO2.

Heeft CO2 polaire bindingen? ……………

Toch is CO2 geen dipoolmolecule, want het zwaartepunt van de positieve deelladingen valt
samen met het zwaartepunt van de negatieve deelladingen.
Met andere woorden: de lading is symmetrisch verdeeld.
Besluit: stoffen waarvan de moleculen polaire bindingen hebben
maar waarbij de lading symmetrisch verdeeld is, zijn apolaire stoffen.
12
Natuurwetenschappen – context 1: Materie, energie en leven
Opdracht
Schrijf de structuurformule van volgende moleculen en vermeld of de moleculen dipolen zijn of niet:
1. NH3
dipoolmolecule: ja / neen
2. diëthylether
dipoolmolecule: ja / neen
3. hexaan
dipoolmolecule: ja / neen
4. ethaanzuur
dipoolmolecule: ja / neen
5. methanol
dipoolmolecule: ja / neen
3.2 Gevolgen en toepassingen van polariteit
3.2.1 Het geheim van mayonaise

opgelost?
Enkele stoffen worden in een beker water (polaire stof) en in een beker hexaan (apolaire stof)
gebracht. Vul in de tabel in welke stof of de verschillende stoffen oplosbaar zijn in water of hexaan.
polair oplosmiddel:
water
apolair oplosmiddel:
hexaan
keukenzout (NaCl) =
diëthylether =
dijood (I2) =
olie =
Besluit:
o
polaire stoffen lossen goed op in een polair / apolair oplosmiddel
o
apolaire stoffen lossen goed op in een polair / apolair oplosmiddel
13
Natuurwetenschappen – context 1: Materie, energie en leven

emulgator en micellen in mayonaise
Mayonaise bevat veel olie (75%) en ook water, die blijkbaar toch goed gemengd zijn tot een
stabiele, homogene massa. Hoe kan dit?
De verklaring ligt in de aanwezigheid van eigeel in mayonaise. Eigeel bevat een stof die een brug
vormt tussen de waterdruppels en de olie en ze bij elkaar houdt. Zo’n stof wordt een emulgator
genoemd.
Een emulgator is een stof met een polaire kop en een apolaire staart.
De polaire kop kan oplossen in een polaire stof zoals water.
 De polaire kop is waterminnend = hydrofiel.
De apolaire staart kan oplossen in een apolaire stof zoals olie.
 De apolaire staart is watervrezend = hydrofoob.
Voorbeeld van een emulgator:
O
-O
CH2
C
H2
Polair deel: COO-
C
H2
C
H2
C
H2
C
H2
Apolair deel: C17H35
H2
C
H2
C
H2
C
H2
C
H2
C
H2
C
H2
C
H2
C
C
C
H2
C
H2
CH3
polair deel
= hydrofiel
apolair deel
= hydrofoob
De hydrofiele kop gaat in een waterdruppel zitten en de hydrofobe staart steekt eruit, in de olie. Er
worden micellen gevormd:
hydrofobe
staart
water
= waterfase
= oliefase
Dankzij de lange hydrofobe staarten van de emulgator kunnen de waterdruppels niet bij elkaar
komen. De watermoleculen kunnen dus niet samenvloeien tot één waterlaag. Er ontstaat een
stabiel mengsel van kleine waterdruppeltjes in olie.
Een mengsel van twee stoffen die normaal niet mengbaar zijn, wordt een emulsie genoemd.
14
Natuurwetenschappen – context 1: Materie, energie en leven
Opmerking:
Er kunnen ook micellen gevormd worden waarbij de hydrofiele koppen uit de micellen steken:
Waar komen zulke micellen voor?
3.2.2 Drijven op het water
proefje:
Vul een schaaltje met water. Leg een paperclip of een duimspijker met de punt omhoog heel
voorzichtig op het wateroppervlak.
waarneming: De paperclip / de duimspijker blijft drijven.
verklaring:
Er is als het ware een vliesje op het water: de watermoleculen oefenen een aantrekkingskracht uit op
elkaar. Men noemt dit de oppervlaktespanning van het water (te vergelijken met de spanning van
het vlies op een trommel of een tamboerijn).
voorbeeld:
Een wesp in een glas limonade zal niet onmiddellijk door het wateroppervlakte zakken. Dit komt door
de oppervlaktespanning van het water, maar er is meer…
De poten van een wesp zijn bedekt met een laagje was. Was is een apolaire stof, die niet oplost in
water (water is een polaire stof) en water zelfs afstoot.
Ook muggen kunnen zo over het water lopen.
15
Natuurwetenschappen – context 1: Materie, energie en leven
3.2.3 Ademende stoffen
Vroeger was wandelen een eenvoudige zaak. Met een paar stevige
schoenen, een trui en een regenjas ging je op pad. Het gebeurde wel
eens dat een fikse regenbui je doorweekte en de wind je flink afkoelde.
Later trok je volkomen dichte regenkleding en de bekende rubberen
laarzen aan. Rubber ademt echter niet. Het transpiratievocht kan niet
naar buiten ontsnappen, met als gevolg natte, klamme voeten en na een
tijdje blaren.
Bij lederen schoen kan de transpiratie erdoor maar ook het regenwater
komt er relatief snel doorheen. Gevolg: natte voeten.
Sinds wandelen ‘trekking’ heet is er echter veel veranderd. Ademende
vezels houden buitensporters droog en warm.
Sportkledij, regenkledij, wandelschoenen,… kunnen nu gemaakt worden uit ademende stoffen:


het water wordt buiten gehouden
damp die ontstaat bij transpiratie kan wel naar buiten
Water wordt tegenhouden doordat de buitenkant van deze stoffen apolair, en dus hydrofoob is.
Maar er is meer…
Een bekend merk van sportkledij gemaakt uit ademende stoffen is GORE-TEX®. Per vierkante
centimeter (ongeveer zo groot als een duimnagel) heeft het membraan 1.400.000.000 (1,4 miljard!!)
poriën. Deze poriën zijn zeer klein en worden microporiën genoemd.
Omdat een waterdruppel ongeveer 20.000 keer groter is dan de porie, kan er geen vocht door naar
binnen dringen! De combinatie van een apolaire bovenlaag met de poriënstructuur zorgt ervoor dat
water niet door de kledij kan dringen.
Transpiratie kan echter moeiteloos ontsnappen, omdat een waterdampmolecuul ongeveer 700 maal
kleiner is dan een porie.
Het GORE-TEX® membraan wordt met een bovenstof en een voeringstof verbonden tot een laminaat.
Het zit als tussenlaagje tussen de voering en het bovenmateriaal.
16