nask 2 - Malmberg

4
vmbo - GT
AUTEURS:
EINDREDACTIE:
MET MEDEWERKING VAN:
J. Geer tzen
C. Schatorjé
R. Verwijst
T. de Valk
Stichting C3
4
vmbo - GT
handboek
NASK 2
9 789034 595874
559349
HANDBOEK
ISBN 978 90 345 9587 4
n a sk 2
Inhoudsopgave
Voorwoord
1 Stoffen en deeltjes
3
1 De indeling van stoffen
8
2 Het periodiek systeem
3 Het atoommodel
1 De fasen van een stof 94
14
2 Onderverdeling van stoffen 97
19
3 Mengsels 101
4 Scheiden van mengsels 105
23
5 Samenstelling van mengsels 111
28
5 Zouten
4 Ontleedbare stoffen:
enkelvoudige ionen 5 Ontleedbare stoffen:
samengestelde ionen 6 Moleculaire stoffen, molecuulmassa
en massapercentage 7 Chemisch rekenen 2 Chemische reacties
1 Oplossen en indampen van zouten 116
33
2 Zoutoplossingen bij elkaar brengen 121
37
3 Een slecht oplosbaar zout maken 125
4 Ongewenste ionen verwijderen 128
5 Een zout herkennen 132
1 Stoffen verhitten 46
2 Ontledingsreacties 50
3 Reactievergelijkingen opstellen 55
4 Massa’s en massaverhoudingen 59
3 Verbrandingen
4 Mengen en scheiden
6 Zuren en basen
1 Zure, neutrale en basische
oplossingen 138
2 De eigenschappen van zuren 141
3 De eigenschappen van basen 146
1 Verbrandingsreacties 66
4 Zuur–basereacties 149
2 Brand blussen 69
5 Zuren en basen in het milieu 153
3 Rekenen aan verbrandingsreacties 72
6 Titraties 156
4 Volledige en onvolledige verbranding 77
5 Brandstoffen en milieuvervuiling 82
6 Reactiesnelheid 88
Nova © Uitgeverij Malmberg
H8 Stoffen en hun eigenschappen
7 Water en reinigen
Vaardigheden
1 Water 162
2 Water winnen en gebruiken 166
3 Hard water 171
2 Het centraal schriftelijk
4 Schoonmaakmiddelen 175
8 Materialen
1 Een proefwerk of schoolexamen
voorbereiden 216
eindexamen voorbereiden 217
3 Algemene veiligheidsvoorschriften 218
4 Werken met de brander 219
1 De indeling van metalen 182
5 Spatels gebruiken 220
2 Reacties van metalen 185
6 Werken met stoffen 220
3 Ertsen en de winning van ijzer 189
7 Filtreren 221
8 Omgaan met glaswerk 221
9 Een onderzoeksverslag schrijven 224
4 De winning van aluminium
en recycling 9 Koolstofchemie
193
10 Werken met grootheden
en eenheden 225
1 Aardolie 198
11 Werken met voorvoegsels 227
2 Alkanen en alkenen 203
12 Eenheden omrekenen 228
3 Maken van kunststoffen 206
13 Een poster maken 229
4 Toepassing van kunststoffen 209
14 Grafieken tekenen 230
15 Blokschema’s maken 231
Trefwoordenregister
Colofon
232
236
Nova © Uitgeverij Malmberg
H2 Chemische reacties
44
Nova © Uitgeverij Malmberg
H2 Chemische reacties
2
Chemische
reacties
Chemische reacties in de
praktijk
Met het slim toepassen van chemische reacties kan veel geld
verdiend worden. Alfred Nobel bedacht een manier om de
explosieve ontledingsreactie van nitroglycerine, de werkzame stof
in dynamiet, op een gecontroleerde manier te starten. Van het
geld dat hij hiermee verdiend heeft, wordt een forse geldprijs
(de Nobelprijs) uitgereikt aan wetenschappers die iets bijzonders
ontdekt of uitgevonden hebben.
1 Stoffen verhitten
46
2Ontledingsreacties
50
3 Reactievergelijkingen opstellen
55
4 Massa’s en massaverhoudingen
59
45
Nova © Uitgeverij Malmberg
H2 Chemische reacties
1
Stoffen verhitten
Stoffen kunnen veranderen als je ze verhit. Het braden van vlees, het
koken van water en de schroeiplekken die ontstaan bij het strijken
van wasgoed zijn voorbeelden hiervan.
Als je een stof verhit, kun je verschillende verschijnselen waarnemen, zoals:
− chemische reacties
−gloeien
− een faseverandering
Chemische reacties
▲ afbeelding 1
Bij barbecueën verdwijnen er
stoffen en ontstaan er nieuwe. Er
heeft dan een chemische reactie
plaatsgevonden.
Veel stoffen veranderen wanneer je ze verhit. De stof die je verhit,
verdwijnt. Uit de stof die verdwijnt ontstaan nieuwe stoffen. De nieuwe
stoffen hebben andere stofeigenschappen dan de stoffen die vóór de
reactie aanwezig waren. Dat kun je bijvoorbeeld zien als je op een lange
zomeravond buiten lekker zit te barbecueën. Het gaar worden van het
vlees is een chemische reactie (afbeelding 1). Er vindt ook een chemische
reactie plaats als het vlees aanbrandt en zwart wordt. De zwarte stof
bestaat voor het grootste gedeelte uit koolstof. Koolstof is een nieuwe
stof die tijdens het barbecueën is ontstaan.
Een aangebrand stukje vlees haal je snel van de barbecue. Als je het toch
langer laat liggen, zal het vlees na enige tijd bijna geheel uit de zwarte
stof bestaan. Van de oorspronkelijke stoffen waaruit het vlees bestond,
is niets meer over. Deze zijn allemaal verdwenen en zijn veranderd in
koolstof.
Bij een chemische reactie verdwijnen stoffen en ontstaan er nieuwe
stoffen.
De stoffen die bij een chemische reactie ontstaan, noem je de reactieproducten. De stoffen waarmee je begint, zijn de beginstoffen. Een
chemische reactie noteer je met behulp van een reactieschema:
beginstof(fen) g reactieproduct(en)
Verbrandingsreacties
Wanneer je papier verbrandt, zie je verbrandingsverschijnselen zoals
vuur en rook. Voor een dergelijke chemische reactie heb je behalve een
brandstof ook altijd zuurstof nodig.
46
Nova © Uitgeverij Malmberg
H2 Chemische reacties
§1 Stoffen verhitten
Het reactieschema voor een verbrandingsreactie kun je als volgt weergeven:
brandstof + zuurstof g verbrandingsproduct(en)
Bij een verbrandingsreactie ontstaan de oxiden van de elementen waaruit
de brandstof is opgebouwd. Bij veel verbrandingsreacties, bijvoorbeeld
bij de verbranding van benzine, ontstaan koolstofdioxide en water. Het
reactieschema voor de verbranding van benzine is dus:
benzine + zuurstof g koolstofdioxide + water
Verbrandingsreacties worden in hoofdstuk 3 verder behandeld.
Ontledingsreacties
Als je een paar stukjes hout in een reageerbuis sterk verhit zonder dat
er zuurstof bij kan komen, zie je geen vuur (afbeelding 2). Het hout
kan door gebrek aan zuurstof immers niet branden. Toch zie je allerlei
nieuwe stoffen ontstaan: een vaste zwarte stof (koolstof), een heldere en
kleurloze vloeistof (water) en een sterk ruikende, brandbare walm.
Het reactieschema kun je als volgt noteren:
hout(s) g koolstof(s) + water(l) + brandbare walm(g)
brandbaar gas
hout
bekerglas met
koud water
▶ afbeelding 2
opstelling voor de ontleding
van hout
water
Bij deze reactie worden uit één beginstof meerdere reactieproducten
gevormd. Een dergelijke reactie noem je een ontledingsreactie.
Een ontledingsreactie is een reactie waarbij uit één beginstof
meerdere reactieproducten worden gevormd.
47
Nova © Uitgeverij Malmberg
H2 Chemische reacties
§1 Stoffen verhitten
Ontledingsreacties vinden plaats als je een stof verhit zonder dat er
zuurstof aanwezig is. Bij verbrandingsreacties moet er juist wél zuurstof
aanwezig zijn. Er is nog een verschil: een verbrandingsreactie houdt zich
aan de gang met de warmte die vrijkomt. De verbranding stopt pas als de
brandstof (of de zuurstof) op is. Bij een ontleding komt geen warmte vrij,
maar is er juist warmte (energie) nodig. De ontleding stopt als je ophoudt
met energie (warmte) toevoeren.
▶ afbeelding 3
een smid aan het werk
Gloeien
Als je een stof sterk verhit, kan deze gaan gloeien. Dat zie je als je
een ijzeren staaf in een gasvlam houdt of als een smid bezig is met
het smeden van ijzer. Het werkstuk van de smid wordt zo heet dat het
licht gaat uitzenden (afbeelding 3). Hierbij verdwijnen er geen stoffen;
ook ontstaan er géén nieuwe stoffen. Als de smid met een ijzeren staaf
begonnen is, bestaat na het bewerken de staaf nog steeds uit de stof
ijzer. Gloeien is dus géén chemische reactie.
Faseverandering
▲ afbeelding 4
Bij het smelten van ijs ontstaan
geen nieuwe stoffen.
Als je water voldoende afkoelt, verandert het in ijs. Het vloeibare water
is vast geworden, maar het water is niet in een andere stof veranderd.
IJs bestaat uit de stof water. Als je het ijs gaat verhitten, smelt het en
ontstaat er weer vloeibaar water. Bij dit proces verdwijnen er geen stoffen
en ontstaan er geen nieuwe stoffen.
Fase-overgangen zijn dus geen chemische reacties.
WB MAAK NU DE OPGAVEN IN JE WERKBOEK.
48
Nova © Uitgeverij Malmberg
H2 Chemische reacties
§1 Stoffen verhitten
Plus Brandt de zon?
Aan de buitenkant van de zon is de temperatuur ongeveer 6000 °C. In
het binnenste is de temperatuur zo’n 15 miljoen °C. Toch heeft de hoge
temperatuur van de zon niets met brand te maken. Voor brand is namelijk
zuurstof nodig en er is helemaal geen zuurstof in de ruimte.
De energie die de zon verlaat, wordt geproduceerd door kernfusiereacties. Elke seconde wordt zo’n 700 000 000 ton waterstof omgezet in
ongeveer 695 000 000 ton helium. De resterende 5 000 000 ton wordt
omgezet in energie in de vorm van gammastraling.
De zon is ongeveer 4,5 miljard jaar oud. Sinds haar geboorte heeft ze
ongeveer de helft van haar waterstof omgezet. Ze zal nog 5 miljard
jaar op een ‘vreedzame’ manier blijven stralen. Dan zal al de waterstof
opgebruikt zijn.
▶ afbeelding 5
Zonne-energie ontstaat niet
door verbrandingsreacties, maar
door kernfusie.
49
Nova © Uitgeverij Malmberg
H2 Chemische reacties
2
Ontledingsreacties
Veel stoffen ontleden als je ze voldoende verhit. Maar ook met licht of
elektrische stroom kun je stoffen ontleden.
Voor het ontleden van stoffen is energie nodig. Deze energie kun je op
verschillende manieren aan een stof toevoeren. Er zijn drie manieren om
een stof te ontleden:
− door warmte
− door licht
− door elektrische stroom
Thermolyse
Thermolyse is een ontledingsreactie door middel van warmte. Vaak
ontstaan er bij thermolysereacties gassen die je kunt ruiken (een schroeilucht of een brandlucht).
In de vorige paragraaf heb je gezien dat je hout kunt ontleden door
middel van warmte. Bij de thermolysereactie van hout ontstaat er onder
meer koolstof.
Ook suiker kun je thermolyseren (afbeelding 6). Daarbij wordt de suiker
geelbruin en ruik je een karamelgeur. Wanneer je doorgaat met verhitten,
ontstaat er naast water ook een brandbare walm. Uiteindelijk blijft er in
de reageerbuis vrijwel alleen koolstof over.
Het reactieschema van de thermolyse van suiker is:
▼ afbeelding 6
de thermolyse van suiker
suiker(s) g koolstof(s) + water(g) + brandbare walm(g)
50
Nova © Uitgeverij Malmberg
H2 Chemische reacties
§2 Ontledingsreacties
Fotolyse
Een woonhuis moet regelmatig geschilderd worden. Na verloop van tijd
wordt de verf flets van kleur en hij kan uiteindelijk zelfs gaan bladderen (afbeelding 7). Dit proces wordt in gang gezet door wind, regen en
zonlicht. De kleurstoffen in verf ontleden door het zonlicht en verliezen zo
hun kleur. Een ontleding door middel van licht wordt fotolyse genoemd.
Elektrolyse
Sommige stoffen kunnen onder invloed van elektrische energie worden
ontleed. Zo’n ontledingsreactie heet elektrolyse. Elektrolyse is een
ontledingsreactie door middel van elektrische energie.
▲ afbeelding 7
Verf ontleedt onder invloed van
zonlicht.
Water kan door middel van elektrolyse ontleed worden. Tijdens de elektrolyse van water ontstaan de gassen waterstof en zuurstof.
Het reactieschema van de elektrolyse is:
water(l) g waterstof(g) + zuurstof(g)
elektrische
energie
H
H
H
O
O
+
H
H
O
H
O
H
H
▲ afbeelding 8
de elektrolyse van water
Met het toestel van Hofmann kun je water ontleden door elektrolyse
(afbeelding 9). In het elektrolysetoestel zijn twee elektroden in het
(aangezuurde) water geplaatst. De elektroden zorgen voor het contact van
de spanningsbron met het water. De elektroden zijn verbonden met
de plus- en minpool van een gelijkspanningsbron.
◀ afbeelding 9
de elektrolyse van water met het
toestel van Hofmann
51
Nova © Uitgeverij Malmberg
H2 Chemische reacties
§2 Ontledingsreacties
De negatieve elektrode is de elektrode die met de minpool is verbonden.
De positieve elektrode is de elektrode die met de pluspool is verbonden.
Bij de positieve elektrode wordt zuurstof gevormd. Bij de negatieve
elektrode ontstaat waterstof. Bij de elektrolyse is het volume van de
ontstane waterstof 2× zo groot als het volume van de ontstane zuurstof.
Zuurstof en waterstof aantonen
Je kunt de gassen waterstof en zuurstof via typerende reacties aantonen.
Elke verbrandingsreactie vereist zuurstof. In zuivere zuurstof gaan
verbrandingen veel sneller. Je kunt zuurstof aantonen door een gloeiende
houtspaander in een reageerbuis met zuurstof te houden. In zuivere
zuurstof gaat de houtspaander feller gloeien of zelfs branden (afbeelding
10). Dit is de aantoningsreactie van zuurstof.
▲ afbeelding 10
In zuivere zuurstof gaat een
gloeiende houtspaander fel branden.
Wanneer je waterstof wilt aantonen, vang je de waterstof op in een
reageerbuis. Houd vervolgens de opening van de reageerbuis bij een
vlammetje. Je hoort dan een typerend ‘blafgeluid’. Wanneer je dit
specifieke geluid hoort, weet je zeker dat het gas in de reageerbuis
waterstof is. Dit is de aantoningsreactie van waterstof.
Waterstof is een uitstekende brandstof. Als een auto op waterstof zou
kunnen rijden, zou er puur water uit de uitlaat komen! Dat lost veel
milieuproblemen op. Voor het ontleden van water is echter veel elektrische energie nodig. Het heeft weinig nut om een wagen op een schone
brandstof te laten rijden als het milieu vervuild wordt bij het maken van
die brandstof. Dat is bijvoorbeeld het geval als de benodigde energie voor
de elektrolyse opgewekt wordt in een elektriciteitscentrale die je met
kolen stookt.
▶ afbeelding 11
Toyota is bezig met het ontwikkelen
van een auto die op waterstof rijdt.
52
Nova © Uitgeverij Malmberg
H2 Chemische reacties
§2 Ontledingsreacties
Alleen groene stroom (elektrische energie) wordt op een milieuvriendelijke
manier opgewekt (afbeelding 12). Waterstoffabrieken kun je dus het beste
bouwen in de buurt van windmolenparken, waterkrachtcentrales of in
gebieden waar de zon veel schijnt. De kennis en technologie om waterstof
te produceren in dergelijke fabrieken is al ontwikkeld.
▲ afbeelding 12
Met zonnecellen, windmolens en
waterkrachtcentrales kun je groene
stroom opwekken.
Ontleedbare en niet-ontleedbare stoffen
Bij de ontleding van suiker ontstaat water. Water is een stof die je nog
verder kunt ontleden in waterstof en zuurstof. Waterstof en zuurstof kun
je, met behulp van een chemische reactie, niet meer verder ontleden.
Zuivere stoffen kunnen worden verdeeld in ontleedbare stoffen en
niet-ontleedbare stoffen (afbeelding 13). Een ontleedbare stof, ook
wel verbinding genoemd, is een zuivere stof die je nog kunt ontleden.
Verbindingen bestaan uit meerdere atoomsoorten en kunnen onderverdeeld
worden in moleculaire verbindingen en ionaire verbindingen. Een moleculaire verbinding bestaat uit één soort moleculen. Een ionaire verbinding
(zout) bestaat uit ionen die in een bepaalde verhouding in een vast
patroon zijn gerangschikt.
Een niet-ontleedbare stof bestaat uit één atoomsoort en zo’n stof kun je
niet meer verder ontleden. De elementen in het periodiek systeem zijn
allemaal stoffen die je niet verder kunt ontleden door een chemische
reactie. Lees eventueel hoofdstuk 1 nog eens na. Daar is deze theorie
uitgebreid behandeld.
WB MAAK NU DE OPGAVEN IN JE WERKBOEK.
zuivere
stoffen
ontleedbare
stoffen/verbindingen
▶ afbeelding 13
overzicht van de onderverdeling
van stoffen
ionaire
verbindingen
53
ontleden
moleculaire
verbindingen
niet-ontleedbare
stoffen/elementen
Nova © Uitgeverij Malmberg
H2 Chemische reacties
§2 Ontledingsreacties
Plus Meekleurende brillenglazen Proef 1
Het bijzondere van meekleurende brillenglazen is dat ze zich aanpassen
aan de hoeveelheid licht. Het geheim daarvan schuilt in een stof die al
heel lang in de fotografie wordt toegepast: zilverchloride. Zilverchloride
is een verbinding die ontleedt onder invloed van licht.
Zilverchloride wordt opgelost in het gesmolten (en dus vloeibare) brillenglas. Na afkoelen stolt het glas en kristalliseert het zilverchloride uit;
het zit dan gelijkmatig verdeeld door het glas in de vorm van kleine
kristallen. Als het glas wordt blootgesteld aan zonlicht, wordt dit glas
donker. In zonlicht gaan de zilver-ionen over in zilveratomen. Deze
klonteren samen tot kleine zilverdeeltjes. Deze zilverdeeltjes maken het
glas donker en houden een deel van het licht tegen.
Als een wolk voor de zon verschijnt, worden de zilveratomen wederom
zilver-ionen die, met de chloride-ionen, weer zilverchloridekristallen
vormen. Het glas wordt opnieuw helder.
zilverchloridekristallen
metallisch
zilver
▶ afbeelding 14
Zilveratomen veranderen in zilverionen en weer terug.
licht
54
Nova © Uitgeverij Malmberg
H2 Chemische reacties
3
Reactievergelijkingen opstellen
Bij ontledingsreacties ontstaan nieuwe stoffen. Bij het ontleden van
nitroglycerine, de werkzame stof in dynamiet, ontstaat zo veel gas
dat er een explosie optreedt. Hoeveel gas er precies ontstaat, kun je
nagaan door een kloppende reactievergelijking op te stellen.
Het kloppend maken van een reactievergelijking
Een verbinding is opgebouwd uit verschillende atomen. Bij een
ontledingsreactie valt de verbinding uit elkaar in een aantal nieuwe
stoffen. Als je lang genoeg doorgaat met ontleden, blijven de atomen over
waar de verbinding uit is opgebouwd. Atomen kun je niet verder ontleden
en ze kunnen dus ook niet verdwijnen bij een chemische reactie.
Hiervan maak je gebruik bij het kloppend maken van reactievergelijkingen,
bijvoorbeeld bij de ontleding van de vaste stof kaliumchloraat (KClO3).
Hierbij ontstaan de vaste stof kaliumchloride en zuurstofgas.
Het kloppend maken begint met het opstellen van het reactieschema.
Hierbij noteer je ook de fase (vast, vloeibaar, gasvormig) van alle stoffen.
kaliumchloraat(s) g kaliumchloride(s) + zuurstof(g)
Wanneer je in een reactieschema de naam van elke stof vervangt door zijn
formule, krijg je een reactievergelijking. Hierbij gebruik je de molecuulformules van de stoffen:
KClO3(s) g KCl(s) + O2(g)
Zuurstof noteer je niet als O, maar als O2. In hoofdstuk 1 heb je namelijk
geleerd dat sommige stoffen, zoals zuurstof, alleen als twee-atomig
molecuul voorkomen. In de reactievergelijking moet je zuurstof dan ook
als O2 noteren.
Je controleert of deze reactievergelijking klopt, door van iedere atoomsoort na te gaan of er voor de pijl net zo veel atomen genoteerd staan
als na de pijl. In 1 molecuul kaliumchloraat zijn 1 atoom kalium, 1 atoom
chloor en 3 atomen zuurstof aanwezig. De reactievergelijking klopt dus al
voor de chloor- en kaliumatomen, maar niet voor de zuurstofatomen. Voor
de pijl staan 3 zuurstofatomen; na de pijl slechts 2. Je mag niets veranderen aan de indexgetallen in de molecuulformules. Wel mag je het aantal
moleculen veranderen. Hierbij mag je, als tussenstap, met breuken werken.
Je kunt de vergelijking kloppend maken door het getal 1½ in te vullen
voor zuurstof.
55
Nova © Uitgeverij Malmberg
H2 Chemische reacties
§3 Reactievergelijkingen opstellen
KClO3(s) g KCl(s) + 1½ O2(g)
Het getal 1½ voor zuurstof noem je het coëfficiëntgetal. Een coëfficiëntgetal geeft het aantal deeltjes in een reactievergelijking weer. Het coëfficiëntgetal 1 wordt altijd weggelaten.
Door het plaatsen van het coëfficiëntgetal 1½ klopt de reactievergelijking. Maar halve moleculen bestaan niet en kunnen dus ook niet in een
reactievergelijking voorkomen. Dat los je op door de hele reactievergelijking met 2 te vermenigvuldigen. Je moet dus alle coëfficiëntgetallen
met 2 vermenigvuldigen. Houd er rekening mee dat voor KClO3 en KCl het
coëfficiëntgetal 1 staat. De reactievergelijking wordt dan:
2 KClO3(s) g 2 KCl(s) + 3 O2(g)
Nu klopt de reactievergelijking voor alle aanwezige atoomsoorten. Een
reactievergelijking is kloppend wanneer het aantal atomen van elke
atoomsoort voor en na de reactie aan elkaar gelijk is. Let er op dat coëfficiëntgetallen altijd zo klein mogelijke, gehele getallen moeten zijn.
De ontledingsreactie in dynamiet
▲ afbeelding 15
Alfred Nobel als jonge man
O2NO
H2C
ONO2
H2C
ONO2
CH
▲ afbeelding 16
nitroglycerine, C3H5N3O9
Alfred Nobel staat bekend als de uitvinder van het dynamiet. Toch heeft
hij niet zozeer het werkzame ingrediënt van dynamiet – nitroglycerine –
uitgevonden, als wel een manier om deze stof hanteerbaar te maken als
springstof.
Nitroglycerine (afbeelding 16) is van zichzelf uiterst brandbaar. Het
bestaat uit grote moleculen die gemakkelijk in kleinere stukjes uiteenvallen. Een kleine slag of stoot is al voldoende om de ontledingsreactie in
gang te zetten. Als een vrachtwagen geladen met nitroglycerine door een
gat in de weg rijdt, kan de lading al tot ontploffing gebracht worden. Dat
maakt nitroglycerine een onvoorspelbare en dus uiterst onbetrouwbare
stof.
Bij de explosie ontleedt nitroglycerine, C3H5N3O9, in koolstofdioxide,
waterdamp, stikstof en zuurstof.
Het reactieschema van deze ontledingsreactie is:
nitroglycerine(l) g koolstofdioxide(g) + water(g) + stikstof(g) + zuurstof(g)
… C3H5N3O9(l) g … CO2(g) + … H2O(g) + … N2(g) + … O2(g)
Deze reactievergelijking kun je kloppend maken met breuken:
(1) C3H5N3O9(l) g 3 CO2(g) + 2½ H2O(g) + 1½ N2(g) + ¼ O2(g)
56
Nova © Uitgeverij Malmberg
H2 Chemische reacties
§3 Reactievergelijkingen opstellen
Wanneer je breuken als coëfficiënt hebt gebruikt, moet je deze wegwerken. Halve en kwart moleculen bestaan namelijk niet. De breuken werk
je weg door alle coëfficiënten te vermenigvuldigen met het grootste getal
onder de breukstreep (de noemer). In dit geval moet je alle coëfficiënten
met 4 vermenigvuldigen. De coëfficiëntgetallen moeten altijd zo klein
mogelijke, gehele getallen zijn.
De reactievergelijking wordt dan:
4 C3H5N3O9(l) g 12 CO2(g) + 10 H2O(g) + 6 N2(g) + O2(g)
De reactievergelijking is nu kloppend. Het aantal atomen van elke
atoomsoort voor en na de pijl is aan elkaar gelijk.
Zoals je kunt zien in de reactievergelijking ontstaan er alleen maar
gassen. Het volume van de gassen is ongeveer 7000× zo groot als het
volume van de vloeistof. Dit is een van de redenen waarom nitroglycerine
een krachtige springstof is. Er ontstaat zuurstof bij de reactie. Omdat
er geen zuurstof nodig is voor deze explosie, wordt nitroglycerine ook
gebruikt als springstof onder water.
Alfred Nobel ontdekte dat de gevoeligheid van het materiaal aanzienlijk
kon worden verminderd door de nitroglycerine te laten opzuigen in een
poreuze stof, zoals zaagsel of kiezelgoer (een soort poreuze klei). Deze
ontdekking maakte hem rijk.
▲ afbeelding 17
Dynamiet heeft een enorme explosiekracht.
57
Nova © Uitgeverij Malmberg
H2 Chemische reacties
§3 Reactievergelijkingen opstellen
Reactievergelijking Proef 2
Je stelt een reactievergelijking als volgt op:
1 Stel het reactieschema op in woorden.
2 Zet de toestandsaanduiding, (s), (l), (g) of (aq), achter de naam van
de stof.
3 Vervang de namen van de stoffen door hun eigen formules. Ook
hierachter noteer je de toestandsaanduidingen. Controleer of links en
rechts van de pijl dezelfde atoomsoorten voorkomen.
4 Maak de reactievergelijking kloppend door vóór de formules de juiste
coëfficiëntgetallen te plaatsen. Voor en na de pijl moet het aantal
atomen van elke atoomsoort aan elkaar gelijk zijn. De coëfficiëntgetallen moeten zo klein mogelijke, gehele, getallen zijn.
WB MAAK NU DE OPGAVEN IN JE WERKBOEK.
Plus Slaghoedje
Het mengsel van drie delen nitroglycerine plus één deel kiezelgoer
noemde Alfred Nobel dynamiet. Door de combinatie met een uitvinding van een jaar eerder, het slaghoedje, maakte hij van dynamiet een
zeer hanteerbaar explosief. Het slaghoedje bestaat uit een hoeveelheid
knalkwik (formule: HgN3) in een capsule. Als de capsule kapotgeslagen
wordt, ontstaat een kleine explosie door het ontleden van het knalkwik.
Het zuivere metaal kwik en stikstofgas worden gevormd. Die explosie
is voldoende om vervolgens het dynamiet te laten ontploffen. Door het
gebruik van knalkwik kon een grote hoeveelheid dynamiet, op een van
tevoren bepaalde tijd en plaats, tot ontploffing gebracht worden.
58
Nova © Uitgeverij Malmberg
H2 Chemische reacties
4
Massa’s en
massaverhoudingen
In de hoofdmotor van een raket wordt waterstof verbrand. Voor iedere
kilogram waterstof die wordt verbrand, is precies acht kilogram
zuurstof nodig. Dat kun je uitrekenen, omdat waterstof en zuurstof
altijd in dezelfde verhouding met elkaar reageren.
Massaverhouding in een reactie
Bij een chemische reactie verdwijnen de beginstoffen. Uit de beginstoffen
ontstaan reactieproducten. In een raketmotor wordt waterstof verbrand
(afbeelding 18). Hierbij ontstaat water.
De kloppende reactievergelijking ziet er als volgt uit:
2 H2(g) + O2(g) g 2 H2O(g)
Zoals je ziet, reageren 2 moleculen waterstof met 1 molecuul zuurstof. De
reactievergelijking geeft de verhouding van het aantal deeltjes dat bij
een reactie betrokken is. Waterstof- en zuurstofmoleculen reageren altijd
in deze verhouding met elkaar. Als je een andere verhouding zou nemen,
klopt de reactievergelijking niet meer.
Uit de reactievergelijking kun je afleiden hoeveel gram zuurstof nodig is
om, bijvoorbeeld, 4 gram waterstof te verbranden. Dan moet je eerst de
molecuulmassa, uitgedrukt in atomaire massa-eenheden (u), uitrekenen
(zie hoofdstuk 1). Omdat er 2 moleculen waterstof reageren met 1 molecuul
zuurstof, reken je eerst de atoommassa uit van 2 moleculen waterstof en
1 molecuul zuurstof. 2 moleculen waterstof hebben een massa van 4 u;
1 molecuul zuurstof heeft een massa van 32 u.
▲ afbeelding 18
In een raketmotor wordt waterstof
verbrand.
Je kunt nu de verhouding ook in massa-eenheden uitdrukken. Om 4 u
waterstof te verbranden is 32 u zuurstof nodig. De verhouding waarin de
moleculen reageren is vast, daarom mag je de eenheid u vervangen door
een andere eenheid, bijvoorbeeld gram. Om 4 gram waterstof te verbranden, is dus 32 gram zuurstof nodig. Deze verhouding is vast. Om 2× zo
veel waterstof te verbranden, is ook 2× zo veel zuurstof nodig. Om 8 gram
waterstof te verbranden, is dus 64 gram zuurstof nodig.
Net als bij een ontledingsreactie kunnen er ook hier geen atomen verdwijnen.
In dit geval zijn de atomen niet uit elkaar gevallen, maar anders gerangschikt. Zo is de nieuwe stof (water) ontstaan. Atomen kunnen niet verdwijnen, dus in deze nieuwe stof vind je alle atomen terug die oorspronkelijk in
waterstof en zuurstof aanwezig waren. Niet meer, maar ook niet minder.
59
Nova © Uitgeverij Malmberg
H2 Chemische reacties
§4 Massa's en massaverhoudingen
Voorbeeld 1 Proef 3
Bereken hoeveel zuurstof nodig is om 5 gram waterstof te verbranden.
Uitwerking
Om 4 gram waterstof te verbranden, is 32 gram zuurstof nodig. Met
behulp van een verhoudingstabel kun je nu uitrekenen hoeveel zuurstof
nodig is om 5 gram waterstof te verbranden. In de verhoudingstabel zet
je de stof waarvan je de hoeveelheid weet (in dit geval waterstof) op
de bovenste regel. De stof waarvan je de hoeveelheid moet uitrekenen
(in dit geval zuurstof), zet je op de onderste regel. De verhoudingstabel
wordt dan:
H2(g) |
4
|
...
|
...
|
- -----------------------------------------------------O2(g) |
32
|
...
|
...
|
Je wilt uitrekenen hoeveel zuurstof nodig is om 5 gram waterstof te
verbranden. Als je dat invult, wordt de verhoudingstabel:
H2(g) |
4
|
1
|
5
|
- - ----------------------------------------------------O2(g) |
32
|
...
|
...
|
Nu kun je de hoeveelheid zuurstof uitrekenen:
: 0,0004
:4
×5
H2(g) |
4
|
1
|
5
|
- - ----------------------------------------------------O2(g) |
32
|
8
|
40
|
:4
×5
: 0,0004
Om 5 gram waterstof te verbranden, is dus 40 gram zuurstof nodig.
: 49
× 60
Je weet nu hoe je kunt uitrekenen in welke verhouding stoffen met elkaar
reageren. Op een vergelijkbare manier kun je ook de hoeveelheid stof
uitrekenen die gevormd wordt.
Berekening hoeveelheid
gevormde
stof
: 49
× 60
▲ afbeelding 19
Aluminium wordt gebruikt om lichte
fietsen te maken.
Als je stroom door gesmolten aluminiumoxide leidt, krijg je vloeibaar
aluminium en zuurstof. Het reactieschema en de bijbehorende reactievergelijking van de elektrolyse van aluminiumoxide is:
aluminiumoxide(l) g aluminium(l) + zuurstof(g)
: 32
× 20
60
Nova © Uitgeverij Malmberg
H2 Chemische reacties
§4 Massa's en massaverhoudingen
De reactievergelijking is:
2 Al2O3(l) g 4 Al(l) + 3 O2(g)
De molecuulmassa van Al2O3 is:
54,0 u (2 × 27,0 u) + 48,0 u (3 × 16,0 u) = 102,0 u
De atoommassa van Al = 27,0 u
De molecuulmassa van O2 = 2 × 16,0 u = 32,0 u
Als je de totale massa van de deeltjes onder de reactievergelijking noteert,
krijg je:
2 Al2O3(l) g 4 Al(l)
+ 3 O2(g)
2 × 102,0 u g 4 × 27,0 u + 3 × 32,0 u
204,0 u
g 108,0 u + 96,0 u
Uit 204 gram aluminiumoxide kun je dus 108 gram aluminium en 96 gram
zuurstof maken. De verhouding is vast en die noem je massaverhouding.
De massaverhouding van deze reactievergelijking geeft de verhouding van
de massa’s van de stoffen die bij de reactie betrokken zijn.
De massa van de beginstof aluminiumoxide is 204,0 gram. De totale
massa van de reactieproducten aluminium en zuurstof is ook 204,0 gram.
Wanneer je de massa van de beginstoffen bij elkaar optelt en je doet
hetzelfde voor de reactieproducten, dan geldt: de totale massa van alle
stoffen voor de reactie is gelijk aan de totale massa van alle stoffen na de
reactie. Dit noemen we de wet van behoud van massa (afbeelding 20).
02 (g)
aluminiumoxide
aluminium +
zuurstof
▲ afbeelding 20
de wet van behoud van massa
De wet van behoud van massa geldt altijd en voor alle chemische reacties.
De opsteller van deze wet was de Fransman Lavoisier. Daarom wordt de
wet van behoud van massa ook wel de wet van Lavoisier genoemd.
Voorbeeld 2
Uit aluminiumoxide kan door elektrolyse aluminium gewonnen worden.
Bereken hoeveel kg aluminium uit 30,0 kg aluminiumoxide gewonnen
kan worden.
Uitwerking
1 Stel eerst de reactievergelijking (RV) op:
RV: 2 Al2O3(l) g 4 Al(l) + 3 O2(g)
2 Noteer onder de reactievergelijking de massaverhouding (MV):
MV: 204,0 u g 108,0 u + 96,0 u
3 Vervang de massa-eenheid u door de massa-eenheid die in de vraag wordt genoemd.
In dit rekenvoorbeeld vervang je de u dus door kg.
MV: 204,0 kg g 108,0 kg + 96,0 kg
4 Plaats onder de massaverhouding de gegeven en de gevraagde
stof (GG):
GG: 30,0 kg g A kg
61
Nova © Uitgeverij Malmberg
H2 Chemische reacties
§4 Massa's en massaverhoudingen
5 Bereken de massa van de gevraagde stof.
Al2O3(l)
Al(l)
MV
204,0 kg
108,0 kg
GG
30,0 kg
A kg
kruislings vermenigvuldigen:
204,0 × A = 30,0 × 108,0
A =
30,0 × 108,0
204,0
= 15,9 kg Al(l)
Let op!
Hier is de hoeveelheid aluminium uitgerekend door kruislings te
vermenigvuldigen. Je kunt ook de methode hiervoor (met de verhoudingstabel) gebruiken. Bij de uitwerking van de opgaven mag je zelf
kiezen welke methode je het handigst vindt. In alle gevallen moet je de
vijf hiervoor genoemde stappen doorlopen.
Voorbeeld 3
Tijdens de elektrolyse van 10,0 g water ontstaat er waterstof en
zuurstof (afbeelding 21).
Bereken hoeveel gram waterstof er wordt gevormd.
▶ afbeelding 21
elektrolyse van water
watermoleculen
Uitwerking
RV: 2 H2O(l)
MV: 36,0 u
36,0 g
GG: 10,0 g
waterstofmoleculen
g
g
g
g
2 H2(g) + O2(g)
4,0 u + 32,0 u
4,0 g + 32,0 g
Ag
H2O(l)
H2(g)
MV
36,0 g
4,0 g
GG
10,0 g
Ag
62
zuurstofmoleculen
Nova © Uitgeverij Malmberg
H2 Chemische reacties
§4 Massa's en massaverhoudingen
kruislings vermenigvuldigen:
10,0 × 4,0
A =
= 1,1 g H2(g)
36,0
BEROEPENORIËNTATIE
Procesoperator, een afwisselend beroep!
Bij chemische reacties reageren de stoffen in een vaste verhouding met
elkaar. In een chemische fabriek is het dus van belang dat de stoffen
in de juiste hoeveelheden gedoseerd worden. Dat is een van de taken
waar je als procesoperator verantwoordelijk voor bent. Daarnaast verhelp
je storingen en zorg je ervoor dat de apparatuur op de juiste manier
is afgesteld. Hierdoor zorg je voor de juiste producten met de vereiste
kwaliteit.
De situatie in een chemisch proces kan van uur tot uur verschillen.
Iedere keer opnieuw zorg je er als procesoperator voor dat het proces
blijft lopen. Wanneer je werkt als procesoperator is geen dag hetzelfde:
het is een afwisselend en boeiend beroep.
◀ afbeelding 22
De procesoperator zorgt voor de juiste producten met een goede kwaliteit.
WB MAAK NU DE OPGAVEN IN JE WERKBOEK.
Plus Houtvergassen
▼ afbeelding 23
auto op houtgas
Bij het ontleden van hout ontstaan brandbare gassen. Op deze gassen
kun je een auto laten rijden. In de Tweede Wereldoorlog gebeurde dat
heel vaak, omdat er een gebrek aan benzine was. Er is nu voldoende
benzine, dus er rijden niet veel auto’s rond met een houtvergasser. Daarnaast is de installatie om hout te vergassen
nogal opvallend. Niet iedereen wil gezien worden in zo een
opvallende auto (afbeelding 23).
De brandbare gassen kun je echter ook gebruiken in de
centrale verwarming. De cv-ketel wordt dan niet meer
gestookt met aardgas, maar met gas afkomstig uit een
houtvergassingsinstallatie. De belangstelling voor houtvergassingsinstallaties neemt toe, omdat de aardgasprijs
maar blijft stijgen.
63