Theorieblad 4

Theorieblad 4
Energiebronnen
Een energiebron is een systeem waaraan energie kan worden
ontleend, dit is bijvoorbeeld het geval bij een waterkrachtcentrale
waarbij je energie onttrekt aan de stroming van het water.
Er zijn verschillende energiebronnen:
Kernenergie

Kernenergie
Kernenergie is energie die vrijkomt door reacties met
atoomkernen. Bij een kernreactie verdwijnen de atoomkernen
van de beginstoffen, waarbij andere atoomkernen ontstaan. Bij
zo’n kernreactie komt vaak veel energie vrij. Deze energie wordt
in een kerncentrale omgezet n elektrische energie.
Voordeel: met weinig grondstoffen veel energie.
Nadeel: het levert radioactief afval.
Fossiele energie

Fossiele energie
Fossiele energie wordt opgewekt door het verbranden van
fossiele brandstoffen, bij deze verbranding wordt de brandstof
gebruikt om als warmtebron water in stoom om te zetten. De
stoom drijft op zijn beurt een turbine aan die met behulp van een
generator stroom opwekt.
Voordeel: grondstoffen gemakkelijk en goedkoop om te zetten in
energie.
Nadeel: bij verbranding komen schadelijke stoffen vrij,
waaronder broeikasgassen. Daarnaast is de voorraad fossiele
brandstoffen beperkt.

Duurzame energie of alternatieve energie
Waterkracht
Waterkracht
De kracht van stromend of vallend water, wordt met behulp
van een schroef omgezet in een draaiende beweging. Die
draaiende beweging drijft weer een generator aan, die
elektriciteit opwekt.
Voordeel: onuitputtelijk en duurzaam, geen afvalstoffen
Nadeel: beperkt toepasbaar, er moeten grote hoogteverschillen
zijn in de waterstand.
Zonne-energie
Zonne-energie
Door middel van licht, wordt er elektrische energie opgewekt in
een zonnecel. Het gebruik van zonne-energie staat nog in de
kinderschoenen.
Voordeel: grondstof gratis, op de meeste plaatsen beschikbaar,
geen afvalstoffen
Nadeel: is te duur voor de grote energie bedrijven om tot een
grootschalige productie te komen.
13
Windenergie
Bio-energie
Windenergie
Wind wordt gebruikt voor het opwekken van elektriciteit. Het
systeem is vergelijkbaar met een dynamo. De door de wind
veroorzaakte draaiende beweging van de windmolen wordt
door middel van een generator omgezet in elektriciteit.
Voordeel: grondstof gratis, op de meeste plaatsen beschikbaar,
geen afvalstoffen, al bijna net zo goedkoop als fossiele energie.
Nadeel: windmolenparken zien er niet erg fraai uit.
Bio-energie
Micro-organismen zijn in staat om suiker uit suikerbieten en
suikerriet om te zetten in ethanol. Dit bio-ethanol kan evenals
methanol gebruikt worden als duurzame autobrandstof.
Voordeel: minder CO2 uitstoot, geen zwavel- en minder
roetuitstoot.
Nadeel: veel hogere kostprijs dan benzine, productieproces nog
lang niet optimaal, daardoor veel grondstof nodig.
Energieomzettingen
Zonne-energie 
bewegingsenergie
Energie komt in verschillende vormen voor en kan van de ene vorm in
de andere worden omgezet.
Bovenstaand plaatje laat heel duidelijk zien hoe zonne-energie ervoor
zorgt dat een auto kan rijden.
Zonne-energie wordt in een zonnecel omgezet in elektrische energie.
De elektrische energie wordt gebruikt voor de ontleding van water in
waterstof en zuurstof. In de brandstofcel reageert waterstof weer met
zuurstof en de chemische energie wordt weer omgezet in elektrische
energie De elektrische energie drijft een elektromotor aan en de
elektromotor zorgt ervoor dat de auto gaat rijden, dus de elektrische
energie wordt omgezet in bewegingsenergie (mechanische arbeid).
14
Rendement
Rendement van
-verbrandingsmotor
-zonnecel
-windmolen
Bij energieomzettingen gaat vaak een deel van de beschikbare energie
‘nutteloos’ verloren. Zo wordt bijvoorbeeld bij de verbrandingsmotor
slechts 25% van de gebruikte chemische energie omgezet in
bewegingsenergie (mechanische arbeid). We spreken van een
rendement van 25%.
De overige energie komt voor een groot deel vrij als warmte.
Het rendement van zonnecellen is op dit moment 16% en ook al wordt
het ontwerp van de zonnecel verder verbeterd, het rendement zal niet
hoger worden dan 20 – 30%.
Het rendement van een windmolen is 30% en kan nog iets verbeterd
worden.
15
Theorieblad 5
Ontledingsreacties
Ontledingsreactie
Exotherm
Endotherm
Thermolyse
Fotolyse
Elektrolyse
Ontledingsreacties zijn reacties waarbij uit één beginstof twee of
meer andere stoffen ontstaan.
Sommige ontledingsreacties zijn exotherm d.w.z. er komt energie bij
vrij. Een voorbeeld hiervan is het exploderen van dynamiet. Na een
kleine energietoevoer via bijvoorbeeld een lont blijft de reactie verlopen
tot de beginstof verdwenen is.
De meeste ontledingsreacties zijn endotherm d.w.z. je moet
voortdurend energie toevoeren om de reactie te laten verlopen.
Het toevoeren van energie kan op verschillende manieren: door
warmte, door licht of door elektriciteit. De namen van de bijbehorende
ontledingsreacties zijn:
 Thermolyse: ontleding met behulp van warmte
 Fotolyse: ontleding met behulp van licht. Alleen lichtgevoelige
stoffen kunnen door licht ontleed worden. Hiervan wordt in de
fotografie gebruik gemaakt.
 Elektrolyse: ontleding met behulp van elektriciteit.
Deze laatste ontledingsreactie komen we tegen in de bron over
waterstof. Waterstof wordt gemaakt door de elektrolyse van water. De
volgende reactie verloopt dan:
2 H2O (l)  2 H2 (g) + O2 (g)
Industrieel wordt deze reactie gebruikt om de waterstof te maken voor
de brandstofcel. Op school kunnen we deze elektrolyse op kleine
schaal ook uitvoeren met het toestel van Hoffmann.
Toestel van
Hofmann
Aan de positieve pool ontstaat
zuurstofgas en aan de negatieve pool
ontstaat waterstofgas
stijgbuis
reageerbuis
zuurstofgas
waterstof gas
platina elektrode
aangezuurd water
16
Waterstofgas
aantonen
Zuurstofgas
aantonen
Het ontstane waterstofgas kun je aantonen door een kleine
hoeveelheid op te vangen in een omgekeerde droge reageerbuis. Als
je daarna de opening van de buis bij een vlam houdt verbrandt het
waterstofgas met een fluitend geluid. In de reageerbuis zie je na
afloop van de reactie condens.
Het ontstane zuurstofgas kun je aantonen met een gloeiende
houtspaander. De houtspaander vlamt fel op in de zuivere zuurstof.
17
Theorieblad 6
Werking brandstofcel
Brandstofcel
Knalgascel
In een brandstofcel ontstaat door een chemische reactie
elektrische energie.
Het bekendste voorbeeld van een brandstofcel is de zogenaamde
knalgascel. In deze cel reageren zuurstof en waterstofgas met elkaar.
De brandstofcel bevat twee koolstofelektrodes waarop een katalysator
(zie theorieblad 1) is aangebracht. Langs beide elektrodes wordt een
gasstroom van zuurstof en waterstof geleid. In de cel reageren
waterstof en zuurstof met elkaar. Bij deze reactie ontstaat in de
brandstofcel een elektrische stroom, die gebruikt wordt om een
elektromotor aan te drijven. Het eindproduct van deze reactie, water,
verlaat de brandstofcel in de vorm van stoom.
Een versie van dit type cel wordt gebruikt in de space shuttle.
De enige uitstoot van de brandstofcel is
dus waterdamp, de uitlaatgassen van de
auto bestaan dus niet meer uit
schadelijke gassen zoals koolstofdioxide
en stikstofoxiden, maar alleen uit
waterdamp.
Werking batterij/accu
Batterij
Accu
Batterijen en accu's leveren elektriciteit door een chemische reactie
van de in de batterij of accu opgeslagen stoffen. Batterijen leveren
meestal maar voor een bepaalde tijd energie. Daarna zijn de batterijen
uitgewerkt en niet meer bruikbaar, omdat de chemische samenstelling
van de stoffen zodanig is veranderd dat er geen energie meer uitkomt.
Bij oplaadbare batterijen kan echter, door toevoeging van nieuwe
energie, de samenstelling van de stoffen weer zo veranderen, dat deze
weer bruikbaar zijn.
18
Chemische energie
 elektrische
energie
In een accu en een batterij wordt dus chemische energie omgezet
in elektrische energie.
Van dit proces waarbij chemische energie wordt omgezet in elektrische
energie wordt in de volgende gevallen gebruik gemaakt:
Loodaccu

Droge batterij

Nikkelcadmium
batterij

De loodaccu: alle auto’s zijn uitgerust met een accu. Deze zorgt
ervoor dat de auto start. Tijdens het rijden wordt de accu
opgeladen.
Droge batterij: Dit is een klassieke batterij die veel gebruikt
wordt in zaklantaarns, radio's en dergelijke.
Nikkel-cadmiumbatterij: Deze batterij heeft het voordeel boven
de klassieke batterij, dat hij oplaadbaar is.
19
Theorieblad 7
Zure regen
Bij de verbranding van fossiele brandstoffen, zoals steenkool en
aardolie, ontstaan er onder andere zwaveldioxide en stikstofoxiden.
Zure regen
Zwaveldioxide en stikstofoxiden veroorzaken zure regen.
Steenkool en aardolie zijn veel gebruikte producten. Niet alleen de
industrie en de elektriciteitscentrales zijn grote verbruikers. Ook de
gewone mens die zijn woning verwarmt en die er met de auto op uit
trekt verbrandt fossiele brandstoffen.
Iedereen is dus mede verantwoordelijk voor de uitstoting van
zwaveldioxide en stikstofoxiden via schoorstenen en uitlaatpijpen van
auto´s.
Eerste oorzaak: zwavelzuur
Zwaveldioxide 
zwavelzuur
Hoog in de lucht vermengt de zwaveldioxide zich met de waterdamp
die zich daar bevindt. Er wordt dan zwavelzuur gevormd. Als het
regent, maar ook als het sneeuwt, hagelt en mist, valt het zwavelzuur
op aarde neer.
Tweede oorzaak: salpeterzuur
Stikstofoxiden 
salpeterzuur
Gewone lucht bestaat voor 4/5 uit stikstof en voor 1/5 uit zuurstof.
Bij normale temperaturen blijven de 2 nuttige stoffen netjes gescheiden
samen in de lucht. Ze zijn dan helemaal niet schadelijk voor ons milieu.
Bij heel hoge temperaturen (boven 1100 0C), in ovens en motoren
bijvoorbeeld, vormen ze beide een nieuwe stof: stikstofoxide.
Wanneer die stikstofoxiden zich in de lucht met water verbinden,
wordt een gevaarlijke stof gevormd, namelijk salpeterzuur.
Gevolgen
Planten sterven
Planten
Bomen die hun bladeren lang behouden, zoals de naaldbomen,
hebben het meest van zure regen te lijden. Ze gaan reeds na enkele
jaren dood. Het zure regenwater komt natuurlijk ook in de bodem
terecht.
Wat gebeurt er nu precies in de bodem? Er vindt een belangrijke
toename plaats van aluminium in het bodemwater. Dit bodemwater
wordt door de wortels opgenomen en wordt naar alle delen van de
boom getransporteerd. Aluminium is een belangrijk element in de
bodem, dat stevig vast zit aan andere elementen, niet oplosbaar is en
dus ook niet door planten wordt opgenomen. De zure regen verandert
het aluminium, dat nu oplosbaar wordt in water, en in planten en
bomen terecht komt met alle gevolgen van dien. Deze substantie is
20
uiterst giftig: de wortelharen en schimmeldraden van de boom sterven
af. De giftige stof tast de stam aan die gaat rotten.
Aantasting
gebouwen
Bouwwerken
Meestal gaat het om gebouwen die al vele eeuwen oud zijn. Het zijn
kunstwerken met een onschatbare waarde. Die kunstwerken zijn niet
tegen de zure regen bestand. Meestal zijn het gebouwen die geheel of
gedeeltelijk zijn opgetrokken uit stenen waarin behoorlijk wat kalk zit
verwerkt. Een zuur lost die kalk beetje bij beetje op. Het gevolg is
dat er na enkele jaren van de uitspringende versieringen, beelden en
fijne ornamenten niets meer over is.
Schade
Zure regen wordt door de wind over de hele wereld verspreid. In
Centraal-Europa zijn reeds duizenden hectaren bos doodziek en klaar
om af te sterven (als dat al niet gebeurd is!).
In Noord-Europa zijn er duizenden meren waar door de verzuring
geen visje meer in leven kan blijven.
In West-Europa verdwijnen planten- en diersoorten uit kalkarme
gebieden, omdat juist in die gebieden de gevolgen van zure regen het
eerst te merken zijn.
En alsof dat nog niet erg genoeg is, zorgt het zuur in de bodem ervoor
dat giftige metalen, aluminium, cadmium, lood en koper niet langer aan
andere stoffen gebonden blijven en dus in het water terechtkomen. In
het water dat door planten en dieren gebruikt wordt.
21
pH waarde
pH
pH < 7  zuur
pH = 7  neutraal
pH > 7 basisch
pH papier
Om aan te geven hoe zuur of hoe basisch een vloeistof is geven
we ze een cijfer. Dat cijfer noemen we de pH.
De pH-schaal loopt van –1 tot +15, maar in de praktijk liggen de pHwaarden gewoonlijk tussen de 0 en de 14. Een pH-waarde onder de 7
geeft aan dat de oplossing zuur is, een pH waarde boven 7 geeft aan
dat de vloeistof basisch is. Een neutrale oplossing, zoals water, is
noch zuur noch basisch en heeft een pH waarde van 7. Menselijk bloed
heeft een pH waarde van ongeveer 7,4.
De pH wordt meestal gemeten met een elektronische pH meter of met
speciaal pH-papier. Universeel pH papier bevat verschillende stoffen
die van kleur veranderen bij verschillende pH's. Wanneer je een
druppel van een oplossing met een roerstaafje op het pH-papiertje
doet, geeft de kleur van het papier ongeveer de pH waarde van de
oplossing aan. Om te weten wat die pH-waarde is vergelijk je de kleur
van het pH-papiertje met de kleur op een kleurenwaaier.
22
Theorieblad 8
Metalen
Een metaal is een scheikundig element uit een van de volgende
reeksen in het Periodiek Systeem der elementen:
Metalen



Alkalimetalen: deze staan in groep 1 van het Periodiek Systeem
Aardalkalimetalen: deze staan in groep 2 van het Periodiek
Systeem
Overgangsmetalen: dit zijn alle andere metalen
Enkele algemeen bekende metaalsoorten zijn:ijzer, aluminium, koper,
chroom, nikkel, lood, zink, tin, goud, en zilver.
Fysische eigenschappen
Eigenschappen
metalen
Metalen hebben een aantal kenmerkende fysische eigenschappen:





ze hebben meestal een glimmend uiterlijk
ze zijn hebben een hoge dichtheid
ze hebben een hoge taaiheid en zijn pletbaar.
ze hebben meestal een hoog smeltpunt (met uitzondering van
kwik (Hg) zijn alle metalen vaste stoffen bij kamertemperatuur)
ook zijn ze goede geleiders van warmte en elektriciteit.
Legeringen
Legering
Een legering (legéring) is een mengsel van metalen.
Veel metalen zijn in gesmolten toestand volledig met elkaar mengbaar.
Zelfs in vaste vorm zijn sommige metalen zeer goed mengbaar zoals
bij legeringen van zilver met goud.
Bij afkoelen ontstaan materialen die andere eigenschappen kunnen
hebben dan de afzonderlijke metalen. Legeringen kunnen b.v.
Eigenschappen
legeringen
Voorbeelden
legeringen




harder zijn,
een lager smeltpunt hebben,
gemakkelijker bewerkbaar zijn
minder gemakkelijk corroderen dan zuivere metalen.
Bekende legeringen zijn o.a.: soldeertin (tin en lood); messing (koper
en zink); sieradengoud (goud en zilver); wit goud (goud en platina);
brons (koper en tin); staal (ijzer en koolstof); roestvrij staal (ijzer en
chroom, nikkel en/of mangaan); tandartsamalgaam (zilver en kwik);
23
Corrosie
Vrijwel alle metalen worden in de lucht langzaam aangetast. Ze
reageren met zuurstof en water uit de lucht. Deze langzame aantasting
noemt men corrosie. Bij ijzer spreekt men van roesten.
Corrosie
Edele metalen
Half-edele metalen
Onedele metalen
Zeer onedele
metalen
Corrosie is een langzame reactie van metalen met zuurstof en
vaak ook met water. Corrosie behoort tot de oxidatiereacties
Afhankelijk van de aantasting door zuurstof en water kunnen we de
metalen indelen in vier groepen:
1. de edele metalen: deze reageren niet met zuurstof en water en
ook bijna niet met andere stoffen. Edele metalen zijn goud, zilver
en platina.
2. de half-edele metalen: deze reageren bij kamertemperatuur niet
met zuurstof en water, maar bij hoge temperatuur wel met
zuurstof. Half-edele metalen zijn kwik en koper.
3. de onedele metalen: deze reageren bij kamertemperatuur niet
met water maar wel met zuurstof uit de lucht. Onedele metalen
zijn bijvoorbeeld tin, lood, ijzer, zink en alle overige metalen die
niet in de groepen 1, 2 en 4 genoemd worden. De meeste
metalen behoren tot de groep van de onedele metalen.
4. de zeer onedele metalen: deze reageren bij kamertemperatuur
met zuurstof en met water. Soms verloopt deze reactie zo snel
dat deze metalen op speciale manier bewaard moeten worden.
Zeer onedele metalen zijn natrium, kalium, magnesium, calcium,
barium en aluminium. Natrium en kalium worden bijvoorbeeld
onder olie bewaard.
Edelheid is dus een maat voor het bestand zijn tegen corrosie.
Beschermen tegen corrosie
Beschermen tegen
corrosie
Er zijn verschillende mogelijkheden om de corrosie van metalen tegen
te gaan:
1. Aanbrengen van een beschermende laag over het metaal.
 Sommige metalen vormen aan de lucht snel een goed
dekkend en beschermend laagje oxide. Zo vormt
aluminium een laagje aluminiumoxide. Het metaal zal niet
verder worden aangetast. IJzer vormt een korrelige, niet
afsluitende ijzeroxidelaag, en kan niet op deze wijze
worden beschermd.
 Een laagje van een ander metaal aanbrengen. Processen
als verzinken, vertinnen en verchromen brengen op
bijvoorbeeld ijzer een dun laagje Zn, Sn of Cr aan.
 Een laagje van een ander materiaal aanbrengen. Een
voorbeeld is verf (lak in de auto-industrie).
2. Maken van een roestvrije legering.
Door ijzer met chroom, nikkel en koolstof te mengen ontstaat
een nieuwe legering: roestvrij staal.
24
Theorieblad 9
Kunststoffen
Talrijke materialen die we elke dag gebruiken bestaan uit polymeren.
Polymeer
Monomeer
Polymeren zijn grote, lange moleculen die ontstaan door het
koppelen van heel veel kleine moleculen, de monomeren.
Er bestaan natuurlijke en
kunstmatige (synthetische)
polymeren.
De natuurlijke polymeren
komen veel voor bij dieren en
planten. Voorbeelden van
natuurlijke polymeren zijn:
dierlijke eiwitten,
koolhydraten, vezels, granen,
wol, katoen en zijde.
Natuurlijke
polymeren
Synthetische
polymeren
Thermoplasten
Synthetische polymeren
worden hoofdzakelijk uit
aardolie gewonnen. De
aardolie wordt in een
olieraffinaderij verwerkt tot
stoffen met kleine moleculen:
de monomeren. Heel veel van
deze kleine moleculen worden vervolgens aan elkaar gekoppeld tot
polymeren. Voorbeelden van synthetische polymeren zijn: polyester,
nylon, PVC, teflon en rubber voor autobanden.
Kunststoffen die zacht worden bij verwarmen en vervolgens weer
hard worden bij het afkoelen noemen we thermoplasten
De moleculen van deze
polymeren bestaan uit lange
ketens, die onderling slechts
verbonden zijn via zwakke
verbindingen. Deze verbindingen
zijn zelfs zo zwak dat ze kunnen
worden verbroken wanneer het
plastic verhit wordt. De ketens
kunnen dan ten opzichte van elkaar bewegen en een nieuwe vorm
aannemen. De zwakke verbindingen komen weer tot stand na
afkoeling en de thermoplast behoudt zijn nieuwe vorm.
25
Thermoharder
Kunststoffen die bij verwarmen niet zacht worden en dus hun
vorm behouden noemen we thermoharders.
De moleculen van deze polymeren
bestaan uit lange ketens, die
onderling een groot aantal sterke
verbindingen hebben. Deze verbindingen zijn zo sterk dat ze niet
kunnen worden verbroken wanneer
het plastic verhit wordt.De thermoharder behoudt dus altijd zijn vorm.
Eigenschappen van kunststoffen
Eigenschappen van
kunststoffen
Kunststoffen worden veelvuldig gebruikt vanwege hun goede
eigenschappen, want ze zijn bijvoorbeeld:






risicovrij en hygiënisch
gaan lang mee
licht, rendabel en handig
isolerend
makkelijk aanpasbaar
herbruikbaar
Kunststoffen hebben voor hun fabricage en verwerking een minimum
hoeveelheid aan grondstoffen en energie nodig.
Ze verbruiken slechts een klein gedeelte – 4 procent – van de
wereldolieproductie. Dit betekent dat in verhouding per product minder
van de wereldolie- en energiebronnen wordt gebruikt.
Energie uit kunststofafval en hergebruik
Energie produceren uit
afval
Hergebruik en recycling kunnen niet voorkomen dat er altijd afval zal
zijn. Plastic afval bevat ongeveer evenveel energie als bijvoorbeeld
kolen of olie. Bij verbranding kan deze energie veilig en schoon worden
vrijgemaakt om warmte en/of elektriciteit te produceren.
De kunststofindustrie verricht heel wat onderzoek naar de mogelijkheden van nieuwe recyclingtechnologieën, om het afvalprobleem zo klein
mogelijk te houden.
26
Theorieblad 10
“Duurzaam”
Door de commissie Brundtlandt is duurzame ontwikkeling in 1987
gedefinieerd als:
Duurzame
ontwikkeling
Drie pijlers duurzame ontwikkeling
‘een ontwikkeling waarin tegemoet gekomen kan worden aan de
behoeften van huidige generaties zonder de mogelijkheden weg te
nemen dat toekomstige generaties in hun behoeften kunnen
voorzien’.
Bij duurzame ontwikkeling wordt gestreefd naar een evenwichtige
ontwikkeling die: 1) economisch haalbaar is, 2) goed is voor het milieu
(ecologie) en 3) goed is voor de mens (sociaal/cultureel).
“Duurzame chemie”
Duurzame chemie betekent onder andere schonere processen en verlaging van energie- en grondstofverbruik.
Maatregelen
schoner produceren
Chemische processen moeten schoner worden, minder energie en
grondstof gebruiken en zuiverdere en minder gevaarlijke stoffen op
leveren. Hierbij wordt gedacht aan maatregelen als;









Productie van een meer zuiver eindproduct (katalysator)
Gebruik van hernieuwbare grondstoffen (dus grondstoffen die
via recycling teruggewonnen worden)
Voorkomen van uitstoot en afvalstromen door gesloten
kringlopen
Voorkomen van transport van gevaarlijke chemicaliën over de
weg en via de spoorlijn (ondergrondse pijplijnen, plaatselijke
productie van gevaarlijke stoffen)
Inventarisatie van de gevaren van bepaalde onderdelen in de
eindproducten (stoffenbeleid)
Recycling van gebruikte producten in het productieproces
Risicoanalyse van processen en ontwikkeling van
veiligheidsmaatregelen
Efficiënter gebruik maken van de energie die in processen
vrijkomt (procesintegratie)
Gebruik van duurzame energiebronnen
27