Hoofdstuk 7 Energie, reactiesnelheid en evenwicht

Curie havo 1 • Antwoorden Hoofdstuk 7
Hoofdstuk 7
51
Energie, reactiesnelheid en evenwicht
Inleiding
7.1
Enkele voorbeelden:
I snel en gewenst: het branden van aardgas of benzine.
II langzaam en gewenst: het groeien van planten, het drogen van verf.
III snel en ongewenst: een brand, aanbranden van voedsel.
IV langzaam en ongewenst: roesten/corrosie, uiteenvallen van papier, verbleken van
kleding.
7.2
Als je nat wasgoed uithangt, heeft het een groter contactoppervlak dan wanneer het
wasgoed op een stapel ligt. Door het grotere oppervlak droogt het wasgoed sneller.
7.3
7.4
Gasmengsels zijn moleculair verdeeld. Vaste stoffen zijn niet moleculair verdeeld.
7.5
a
b
c
d
7.6
a
b
c
Een oplossing is helder, een emulsie troebel. Een oplossing is nooit wit, veel
oplossingen zijn wel kleurloos.
In een oplossing zijn de deeltjes moleculair verdeeld, in een emulsie niet.
Een emulsie is een vloeistof waarin een andere fijn verdeelde vloeistof zweeft. Het gaat
dus om twee vloeistoffen die niet met elkaar mengbaar zijn.
Mayonaise, crèmes en halvarine zijn voorbeelden van emulsies.
Per twee mol waterstof reageert één mol koolstofmono-oxide. Er is 25,0 kmol waterstof.
Er is 25,0 kmol / 2 = 12,5 kmol koolstofmono-oxide nodig. Er is echter 15,0 kmol
koolstofmono-oxide aanwezig. Het koolstofmono-oxide is dus in overmaat aanwezig.
Volgens BINAS tabel 98 (41) is de molaire massa van koolstofmono-oxide gelijk aan
28,01 g mol1 Er is dus 15,0 • 103 mol • 28,01 g mol1 = 420 • 103 g = 420 kg
koolstofmono-oxide aanwezig. De molaire massa van waterstof bedraagt 2,106 g mol–1.
Er is dus 25,0 • 103 mol • 2,016 g mol1 = 50,4 • 103 g = 50,4 kg waterstof aanwezig.
Uit 25,0 kmol H2 (de beperkende factor) kan 1/2 • 25,0 kmol = 12,5 kmol methanol
worden gevormd. De molaire massa van methanol is 32,04 g/mol (= 32,04 kg/kmol). Er
wordt maximaal gevormd 12,5 kmol • 32,04 kg kmol-1 = 401 kg methanol.
Curie havo 1 • Antwoorden Hoofdstuk 7
7.1
52
Energie-effecten
7.7
Verdampen, smelten en vervluchtigen (sublimeren). Zie ook opdracht 7.3.
7.8
Bij exotherme reacties komt tijdens de reactie meer energie vrij dan aan het begin nodig
was om de reactie te starten. Netto komt er dus energie vrij.
Bij endotherme reacties is er continu energie nodig, de reactieproducten bevatten meer
chemische energie dan de uitgangsstoffen.
Bij een exotherme reactie hoef je dus niet te blijven verwarmen (bijvoorbeeld met een
gasvlam) om de reactie in stand te houden. Bij een endotherme reactie moet je wel
voortdurend warmte of een andere vorm van energie toevoeren.
7.9
De oorzaak van een ontledingsreactie kan zijn: warmte (thermolyse), elektriciteit
(elektrolyse) en licht (fotolyse).
7.10
De vorming van wolken in de atmosfeer is een exotherm proces. Als waterdamp opstijgt en
hoog in de atmosfeer komt, koelt het af en condenseert. Condenseren is een proces waarbij
warmte vrijkomt.
7.11
Bij verbrandingsreacties komt na het aansteken (op gang brengen) altijd energie vrij. Het
verbranden van hout is dus een exotherme reactie.
7.12
Bij de omzetting van suiker in karamel moet voortdurend energie worden toegevoerd. Dit is
dus een endotherm proces.
7.13
Natspuiten van een boomgaard bij dreigende nachtvorst werkt beschermend doordat bij het
bevriezen (stollen) van dit water warmte wordt afgegeven aan het fruit. De temperatuur van
het fruit zal hierdoor minder snel dalen dus het fruit zelf bevriest niet.
7.14
Voor het oplossen van natriumthiosulfaat is energie nodig. Deze energie wordt gehaald uit
het water dat hierdoor zal afkoelen. De reactie is dus endotherm.
7.2
7.15
Reactiesnelheid
a/b
Factor die de
reactiesnelheid beïnvloedt
Soort stof
Temperatuur
Verdelingsgraad
Concentratie reagerende
stoffen
c
7.16
Voorbeeld
Goud roest niet en ijzer wel.
Eten gaar koken in kokend water.
Hout van een haardvuur klein hakken zodat het
sneller brandt.
Zuivere zuurstof toevoeren bij een verbranding.
Eigen antwoord.
Effectieve botsingen zijn botsingen waarbij de met elkaar botsende moleculen reageren. Ze
vormen dan de reactieproducten.
Curie havo 1 • Antwoorden Hoofdstuk 7
7.17
a
b
7.18
Een hogere temperatuur verhoogt de snelheid van de deeltjes.
(1) Hierdoor ontstaan er meer botsingen per tijdseenheid, waardoor de reactiesnelheid
toeneemt.
(2) Hierdoor worden de botsingen tussen de deeltjes harder en daardoor effectiever. Dit
verhoogt de reactiesnelheid.
De belangrijkste factor is de hardere botsing tussen de deeltjes.
Concentratie
4 M zoutzuur is agressiever
dan 1 M zoutzuur
Een smeulend houtvuur kun
je ‘aanblazen’
7.19
a
b
c
7.20
53
Verdelingsgraad
Benzine wordt in een
carburateur van een auto
‘verneveld’
Het graanstof in een silo kan
onder bepaalde
omstandigheden explosief
snel verbranden
Temperatuur
Een suikerklontje lost in
warm water sneller op dan in
koud water
Bij koorts verlopen bepaalde
reacties in het lichaam
sneller
Doordat het oppervlak van een dun ijzerdraadje groter is dan het oppervlak van een
stukje ijzer zal er bij een ijzerdraadje meer ijzer in contact komen met de vochtige lucht.
Daardoor kunnen meer deeltjes botsen per tijdseenheid. De reactie zal sneller verlopen.
In warm water bewegen de watermoleculen sneller dan in koud water. De botsingen
tussen de watermoleculen en de zoutionen in het kristalrooster zijn in warm water
harder en effectiever dan in koud water. Bovendien zijn er per tijdseenheid meer
botsingen in warm water. De reactiesnelheid (oplossnelheid) is dus hoger in warm
water.
In zuivere zuurstof is de zuurstofconcentratie hoger, en zijn er dus meer botsingen met
de gloeiende houtspaander, die daardoor ontvlamt.
a/b Fase
vast
Temperatuur
brood bakken
vloeibaar de reactie tussen thio
en zoutzuur
gas
LPG verbranden in een
LPG-motor
Verdelingsgraad
klein gehakt hout;
gemalen koffie
vernevelen van benzine
door de carburateur in
een auto
n.v.t.
Concentratie
n.v.t.
hoge concentratie zuur
zorgt voor snellere
reactie tussen zuur en
metaal
hoge concentratie O2
laat een verbrandingsreactie sneller verlopen
7.21
Een reactie verloopt sneller als de stoffen beter met elkaar in contact komen. Bij een vaste
stof spreek je over de verdelingsgraad. De verdelingsgraad is hoger naarmate de stof fijner
verdeeld is. Hoe hoger de verdelingsgraad is, des te groter is het contactoppervlak en des
te sneller verlopen de reacties van die stof.
7.22
a
b
7.23
Schoonmaakazijn (8%) verwijdert kalk sneller dan tafelazijn (4%). De concentratie zuur is
immers hoger. Schoonmaakazijn bevat per volume meer zure deeltjes bevat dan tafelazijn.
Deze deeltjes botsen vaker op de kalk.
7.24
a
b
c
Bij 30 °C verloopt de reactie in ½ • 12 s = 6 seconden.
Bij 50 °C verloopt de reactie in ½ • ½ • ½ • 12 s = 1,5 seconde.
Een reactie kan tot een explosie leiden, als de stappen waaruit de reactie bestaat zeer
snel verlopen en exotherm zijn, en als bovendien de beginstoffen voor de reactie al
goed vermengd zijn.
In een raket is het gewenst dat de brandstof snel verbrandt, zodat hij de zwaartekracht
kan overwinnen.
Een ballon met knalgas knalt veel harder dan een ballon met waterstofgas doordat bij
de ballon met knalgas de waterstof en zuurstof in de juiste verhouding vermengd zijn.
De reactie kan dus sneller verlopen.
Curie havo 1 • Antwoorden Hoofdstuk 7
7.3
54
De katalysator
7.25
a
b
7.26
Bij fotosynthese levert licht de energie die nodig is voor de reactie. Licht is dus geen
katalysator. Bovendien zijn katalysatoren altijd stoffen en licht is geen stof.
7.27
Metalen toegepast als katalysator in het uitlaatsysteem van een auto zijn rhodium, lanthaan,
zirkonium, cerium, kobalt, platina en palladium. Van de onedele metalen worden meest de
oxiden gebruikt; de edele metalen worden ongebonden toegepast.
7.28
Pd
 N2 + 4 CO2
2 NO2 + 4 CO 
7.29
Een katalysator is een systeem met heel kleine kanaaltjes, om het contactoppervlak te
vergroten. Hierdoor zullen meer deeltjes botsen, en zullen de reacties sneller verlopen.
7.30
Deze katalysator kan onbruikbaar worden door een ongewenste reactie met een andere
stof. Ook kunnen de kleine kanaaltjes verstopt raken met koolstof. Bovendien kan de
katalysator langzaam verdampen en met de uitlaatgassen in het milieu verdwijnen.
7.31
a
b
c
Een ander woord voor enzym is biokatalysator.
Enzymen worden bijvoorbeeld gebruikt in wasmiddelen.
De volgende eigenschappen worden beïnvloed:
– de lengte van de polypropeenketens.
– de oriëntatie van de methylgroepen (deze moeten allemaal dezelfde kant opwijzen).
Bart Ruisch maakt katalysatoren, waarna hij ze test. Zijn ze veelbelovend, dan worden
ze in het groot getest. Zijn ze dat niet, dan worden ze verworpen.
Voordeel: Je hebt meer kennis van Nederlands en wiskunde.
Nadeel: je bent minder aan het systeem gewend van twee keer per jaar tentamens, dan
wanneer je via het mlo naar het hlo gaat.
7.32
Fe
 2 NH3
N2 + 3 H2 
7.33
Stikstofbinding door planten gebeurt door bacteriën in hun wortelknolletjes.
Vlinderbloemigen zoals erwt, wikke, honingklaver en soja bevatten deze wortelknolletjes.
Ook de els kan stikstof binden, maar met een andere bacteriesoort.
7.35
a
b
c
d
e
7.36
De hoeveelheid MnO2 voor en na de reactie is gelijk, er is geen geen MnO2 verbruikt. MnO2
is hier dus een katalysator: reactie A en B zijn niet mogelijk. Alleen H2O2 heeft dus
gereageerd.
O3 is erg instabiel en wordt onder normale omstandigheden niet gevormd. Reactie C vervalt
dus.
Reactie D heeft dus plaatsgevonden.
Deze reactievergelijking heeft geen betrekking op de tekst.
‘ammoniak is door verbranding (...) om te zetten tot stikstofoxiden’
‘nitraten vormen met ammoniumzouten prima kunstmesten’
‘stikstofoxiden zijn om te zetten in nitraten’
Deze reactievergelijking heeft geen betrekking op de tekst.
Curie havo 1 • Antwoorden Hoofdstuk 7
7.4
7.37
Omkeerbare reacties
a
b
I
II
III
I
II
III
7.38
a
b
c
7.39
55
a
b
c
Dit is de verbranding van glucose. Deze reactie speelt een rol bij de verbranding van
voedsel.
Dit is de vorming van zilverchloride uit de elementen.
Dit is de splitsing van natriumchloride in ionen bij het oplossen in water.
Dit is fotosynthese. Deze vindt plaats onder invloed van zonlicht in een groene plant.
Dit is de ontleding van zilverchloride. Die vindt plaats onder invloed van licht; het is
dus een fotolyse. De reactie wordt toegepast in de fotografie.
Dit is het indampen van een oplossing van natriumchloride (keukenzout).
want het mengsel is geel van kleur, de mengkleur van bruin (NO 2) en kleurloos (N2O4).
Hypothese II is juist. Omdat van beide stoffen de concentraties groter dan nul zijn,
zullen reacties (heen- en terugreactie) optreden.
Dit is een opdracht.
Omdat er steeds leden bedanken en nieuwe zich aanmelden, is dit een dynamisch
evenwicht.
Is het aantal nieuwe leden ongelijk aan het aantal leden dat lid-af wordt, dan verandert
het ledenaantal van de sportclub . Dit is zichtbaar op de ledenlijst. Is er bijvoorbeeld
sprake van een voetbalclub dan neemt het aantal elftallen toe of af.
Is het aantal nieuwe leden gelijk aan het aantal leden dat lid-af wordt, dan blijft het
ledenaantal gelijk. Er verandert niks zichtbaar. Dit is net zoals bij een chemisch
evenwicht. Bij een chemisch evenwicht worden ook voortdurend stoffen in elkaar
omgezet terwijl de totale hoeveelheid van elke stof gelijk blijft.
7.40
Eiwitten in ons voedsel worden bij de stofwisseling door enzymen gesplitst in kleine
moleculen, aminozuren. Uit de aminozuren worden in de cellen weer nieuwe, voor ons
geschikte, eiwitten gemaakt. Dit is geen goed voorbeeld van een omkeerbare reactie. De
eiwitten worden eerst afgebroken maar er worden later weer andere eiwitten van gemaakt.
7.41
a
Xe
+
2 F2

XeF4
b
Xe
+
2 F2
XeF4
(b)
2
6
0
(mmol)
(r) 2
4
+2
(mmol)
–––––––––––––––––––––––––––
(e)
0
2
2
(mmol)
Het blijkt dat alle Xe heeft gereageerd, dus is het een aflopende reactie.
c
Xe
+
3 F2 
XeF6
(b) 10
15
0
(mmol)
(r) 5
15
+5
(mmol)
–––––––––––––––––––––––––––
(e) 5
0
5
(mmol)
Het blijkt dat deze reactie aflopend is, want [F2] = 0 M.
d
Er is 5,0 • 103 mol Xe aanwezig in 0,50 dm3.
[Xe] = 5,0 • 103 mol / 0,50 dm3 = 1,0 • 102 mol dm3.
Curie havo 1 • Antwoorden Hoofdstuk 7
7.42
a
b
c
7.43
a
b
7.5
56
Zie de grafiek.Toelichting: Uit de gegevens in
de grafiek bij 293 K volgt dat er bij die
temperatuur 0,76 mmol N2O4 en 0,24 mmol
NO2 is.
Stel 1: alles wordt omgezet in N2O4. Er is dan
0,76 mmol + ½ • 0,24 mmol = 0,88 mmol
N2O4.
Stel 2: alles wordt omgezet in NO2. Er is dan
2 • 0,76 mmol + 0,24 mmol = 1,76 mmol NO2.
De getallen van de N2O4 grafiek zijn te
berekenen door de hoeveelheid NO2 af te
lezen, die hoeveelheid af te trekken van
1,76 mmol (de maximale hoeveelheid NO2) en
het antwoord door 2 te delen.
Het evenwicht ligt bij 273 K aan de kant van
N2O4(g).
Bij een temperatuur van 325 K is er evenveel
NO2(g) als N2O4(g).
Vanaf t2 blijft de concentratie Hb en HbO2
gelijk (niet gelijk aan nul). Van zowel Hb als HbO2 komt er evenveel bij als er verdwijnt.
t2 is de insteltijd: vanaf dat moment verandert de concentratie van beide stoffen niet
meer.
De evenwichtsvoorwaarde
Opmerking: Bij berekeningen met de evenwichtsconstante zijn eenheden weggelaten.
7.44
De complete zin is:
De evenwichtsvoorwaarde is een voorwaarde, omdat ALS de concentratiebreuk onder
bepaalde omstandigheden (nog) niet gelijk is aan het getal dat de evenwichtsconstante
wordt genoemd, er DAN nog geen evenwicht is bereikt. Er zullen net zolang reacties
optreden totdat de concentratiebreuk gelijk is aan de evenwichtsconstante.
7.45
a
[CCl 4 ][H2 S] 2
b
[O3 ] 2
a
De formule van de evenwichtsvoorwaarde is: K 
[NO] 2
[N2 ][O2 ]
b
De formule van de evenwichtsvoorwaarde is: K 
[CO][H 2 ] 3
[CH 4 ][H2 O]
a
Er zit 2,0 mmol N2O4 in 20 cm3.
[N2O4] = 2,0 • 103 mol / 20 • 103 L = 0,10 mol L1
Er zit 2,4 mmol NO2 in 20 cm3.
[NO2] = 2,4 • 103 mol / 20 • 103 L = 0,12 mol L1
b
K
7.46
7.47
[CS 2 ][HCl] 4
[O 2 ] 3
[NO2 ]2 (0,12) 2 0,14 (mol L1)


[N2O4 ]
0,10
Curie havo 1 • Antwoorden Hoofdstuk 7
7.48
57
Voor het evenwicht geldt de evenwichtsvoorwaarde: K 
[B][C]
[A]
Vul je de concentraties gemeten in situatie 1 in dan vind je voor de
concentratiebreuk: [B][C]  0,020  0,020  0,020  K
[A]
0,020
In situatie 1 heerst dus geen evenwicht. Vul je de concentraties gemeten in situatie 2 in, dan
vind je voor de concentratiebreuk: Q = [B][C]  0,014  0,016  0,0064 (molL1)
[A]
0,035
In situatie 2 heerst dus wel een evenwicht.
7.49
a
b
Omdat een oplossing niet geladen is (er zijn evenveel positieve als negatieve deeltjes)
moet er gelden [K+(aq)] = [I(aq)] + [I3(aq)].
De evenwichtsconstante wordt berekend met:
K
7.50
K
7.51
a
b
7.6

[I3 ]
[I2 ][I ]
[SO3 ]2
[SO2 ]2 [O2 ]


0,029
 6,6  10 2 (L mol 1)
0,0020  0,022
(2,6) 2
(0,022) 2 (0,18)
 7,8  10 4 (L mol 1)
N2 + 3 H2 2 NH3
De reactie naar rechts (vorming van NH3) is exotherm (levert energie). Door de
temperatuur te verhogen wordt extra energie toegevoegd. Dit werkt de vorming van NH3
tegen. Het evenwicht zal dus naar links verschuiven.
Homogene en heterogene evenwichten
7.52
a
b
Bij heterogene mengsels spreek je van grensvlakken.
Deze grensvlakken treden op tussen de verschillende fasen.
7.53
In een homogeen evenwicht zijn de stoffen moleculair verdeeld. In een heterogeen
evenwicht niet.
7.54
Het is een heterogeen chemisch evenwicht.
7.55
Je kunt een evenwichtsreactie naar één kant af
laten lopen, door één of meer van de reagerende
stoffen aan die kant van het evenwicht uit het
evenwichtsmengsel weg te nemen.
7.56
Er is binnen het evenwicht sprake van een vaste
stof, CaCO3, en een oplossing met Ca2+, HCO3–
en CO2.
7.57
Zie de figuur.
7.58
a
b
MgSO3(s) Mg2+(aq) + SO32(aq)
Je kunt dit evenwicht aflopend maken naar
rechts door óf Mg2+ óf SO32 uit het
evenwichtsmengsel weg te nemen. Dat kan
bijvoorbeeld door carbonaationen of loodionen
toe te voegen. In beide gevallen ontstaat een
neerslag van een nieuw zout.
benzine
I2
w ater
Curie havo 1 • Antwoorden Hoofdstuk 7
7.59
a
b
c
7.60
a
b
c
d
7.61
a
b
58
De molaire massa van zilver is volgens BINAS tabel 99 (104) gelijk aan 107,9 g mol1.
1,08 g zilverpoeder is dus gelijk aan 1,08 g / 107,9 g mol1 = 0,0100 mol zilver.
Voor het evenwicht zich heeft ingesteld is er in de 10 mL 1,0 M ijzer(III)nitraatoplossing
10 • 103 L • 1,0 mol L1 = 0,010 mol Fe3+ aanwezig.
Voordat het evenwicht zich heeft ingesteld waren er geen Ag + of Fe2+ ionen in de
oplossing aanwezig. Kun je dus één van deze ionen aantonen, dan heb je bewezen dat
er een reactie heeft plaatsgevonden. Het zilverion is met een neerslagreactie het
makkelijkst aantoonbaar. Bij een evenwicht moeten er nog Fe 3+ ionen in de oplossing
zijn. Je moet dus Ag+ of Fe2+ en Fe3+ kunnen aantonen om te bewijzen dat het
evenwicht zich heeft ingesteld.
Voeg je een natriumchlorideoplossing toe, dan zal het Cl ion neerslaan met Ag+. Er
wordt nu Ag+ weggenomen. Het evenwicht zal dan naar rechts aflopen.
CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g)
Dit is een heterogeen evenwicht, er is sprake van twee fasen, een vaste en een
gasfase.
Dit moet je in een open oven doen. Uit een open oven ontsnapt het CO 2(g), waardoor
het evenwicht naar rechts afloopt en uiteindelijk al het CaCO 3(s) wordt omgezet.
Carbonatatie in verwerkte kalkspecie is het proces waarbij calciumoxide met
koolstofdioxide uit de lucht in calciumcarbonaat wordt omgezet.
CoCl2(s) + 6 H2O CoCl2.6H2O (s)
blauw
rood
Op droge dagen verdampt water en wordt daardoor onttrokken aan de linkerkant van
het evenwicht. Dan loopt het evenwicht naar links af.
Afsluiting
7.62
Open opdracht.
7.63
De verbranding naar vloeibaar water levert meer energie op dan 242 kJ. Condenseren is
een exotherm proces.
De vrijgekomen warmte is dus 242 kJ plus de condensatiewarmte.
7.64
a
b
7.65
a
b
c
d
De reactie van Dennis verloopt sneller: de maximale hoeveelheid waterstofgas wordt bij
hem eerder bereikt.
Mogelijke oorzaken zijn: grotere reactiviteit van Zn dan van Sn, hogere temperatuur bij
Dennis, grotere zuurconcentratie bij Dennis, grotere verdelingsgraad van Zn.
CO2(g) + C(s) 2 CO(g)
Uit het diagram blijkt dat het volumepercentage CO(g) toeneemt als de temperatuur
toeneemt. Bij temperatuurverhoging verschuift het evenwicht dus naar rechts.
De vorm of plaats van de kromme zal niet veranderen als er een katalysator wordt
toegevoegd. Een katalysator versnelt beide reacties, hij verandert niet de ligging van het
evenwicht.
60 volume% CO en 40 volume% CO2 (aflezen in de grafiek).
Curie havo 1 • Antwoorden Hoofdstuk 7
7.66
a
b
c
7.67
a
b
c
59
Beide reacties vinden nog steeds plaats. Er lost per seconde evenveel stof op als er
neerslaat. Je kunt dus spreken van een dynamisch evenwicht.
Er is sprake van een heterogeen evenwicht; er zijn twee fasen: oplossing en een vaste
fase.
Door het toevoegen van extra water is de oplossing niet meer verzadigd. Er zal dus
meer PbCl2 in oplossing gaan.
2 SO2 + O2 2 SO3
V2O5 is een katalysator en versnelt dus de reacties.
2 SO2
+
O2
2 SO3
(b)
1,0
0,8
0
(mol)
(r) 0,8
0,4
+0,8 (mol)
––––––––––––––––––––––––––––––
(e)
0,2
0,4
0,8 (mol)
1
mol SO 3
0,5
mol O 2
mol SO 2
0
0
1
2
tijd (s)
d
[O2] = 0,4 mol in 5,0 dm3 = 0,08 mol dm3 = 8 • 102 mol dm3
[SO2] = 0,2 mol in 5,0 dm3 = 0,04 mol dm3 = 4 • 102 mol dm3
[SO3] = 0,8 mol in 5,0 dm3 = 0,16 mol dm3 = 2 • 101 mol dm3
e
K
[SO3 ]2
2
[SO2 ] [O2 ]

0,16 2
(0,04) 2 (0,08)
= 2 • 102 (dm3 mol1)