Thema 6: chemische reacties Auteurs Steven Boot; Petra van Leeuwen Laatst gewijzigd 23 march 2018 Licentie CC Naamsvermelding 3.0 Nederland licentie Webadres https://maken.wikiwijs.nl/88926 Dit lesmateriaal is gemaakt met Wikiwijs van Kennisnet. Wikiwijs is hét onderwijsplatform waar je leermiddelen zoekt, maakt en deelt. Inhoudsopgave Wat zijn chemische reacties? Reagentia Kalkwater-opstelling onderzoek pH: zuurtegraad Onderzoek: Neutraliseren van maagzuur Intermezzo: Dichtheid berekenen Reactieschema's Soorten reacties Verbrandingsreacties Onvolledige verbrandingen Biodiesel onderzoek Onderzoek: Invloed van licht op fotosynthese Wet van behoud van massa Wet van behoud van massa toepassen Onderzoek massaverhouding staalwol met zuurstof Eindonderzoek: De bruisbal Leerdoelen en oefentoets Over dit lesmateriaal Pagina 1 Thema 6: chemische reacties Wat zijn chemische reacties? Het beeld dat de meeste mensen hebben van een chemische reactie, zal er ongeveer zo uit zien: Chemische reacties kn.nu/ww.e3c0c76 (youtube.com) Het bovenstaande filmpje zijn voorbeelden van verschillende reacties. Deze reacties zijn vaak spectaculair om te zien. Maar er zijn genoeg reacties die ‘saaier’ zijn om na te kijken. Je lichaam is bijvoorbeeld een groot laboratorium waar de hele dag door reacties plaats vinden, anders kun je niet leven. Niet alle stoffen reageren even snel of überhaupt met elkaar. Denk maar eens aan het toevoegen van suiker aan water. Suiker lost dan op in water, er vindt geen reactie plaats. Stofeigenschappen De reactiviteit van een stof is een stofeigenschap. Weten jullie nog wat stofeigenschappen zijn? Stofeigenschappen Typ in de hokjes Waar of Niet waar Kleur is een stofeigenschap:_______________ Kookpunt is een stofeigenschap:_______________ Vorm is een stofeigenschap:_______________ Massa is een stofeigenschap:_______________ Fase bij 25 gradenCelcius is een stofeigenschap:_______________ Dichtheid is een stofeigenschap:_______________ Geur is een stofeigenschap:_______________ Reactiviteit is een stofeigenschap: _______________ Smaak is een stofeigenschap:_______________ Volume is een stofeigenschap:_______________ Heb je hierin fouten gemaakt? Kijk dan nog een keer naar: de WikiWijs van thema 1 (onderaan de pagina). In dit thema In dit thema komen drie nieuwe stofeigenschappen aan bod: Dichtheid, pH en reactiviteit, Aan het einde van dit thema weet je wat chemische reacties zijn, en ken je ook een paar belangrijke reacties, z oals verbrandingsreacties e n fotosynthese. Van bekende en onbekende reacties leer je een reactieschema te maken. Reagentia Een reagens (meervoud is reagentia) is een stof dat wordt gebruikt tijdens chemische experimenten Pagina 2 Thema 6: chemische reacties om een stof aan te tonen. Een reagens is een stof die op een herkenbare manier reageert met een andere stof, bijvoorbeeld door van kleur te veranderen. Zo kan een onderzoeker heel snel testen of een bepaalde onbekende vloeistof bijvoorbeeld water zou kunnen zijn. Maar wanneer is een reagens een goed reagens? Een reagens moet dan selectief zijn. Dat betekent dat het maar met één stof reageert. En een reagens moet ook gevoelig zijn. Een klein beetje aan te tonen stof, moet voldoende zijn om een waarneembaar effect te krijgen, bijvoorbeeld diezelfde kleuromslag. Er zijn ontzettend veel reagentia, maar voor nu doen we er drie. Reagens Kleur van Toont aan reagens Wit Wit kopersulfaat Water Kleurverandering Afbeelding Wordt blauw Kalkwater Heldere Koolstofdioxide Wordt troebel oplossing (gas) Joodoplossing Geel Zetmeel https://youtu.be/R_8BvnivyA Wordt bruin/zwart Kalkwater-opstelling onderzoek In dit ontwerp/onderzoek moet je een kalkwater opstelling ontwerpen waarbij je kunt onderzoeken of het koolstofdioxidegehalte verschilt tussen: Ingeademde lucht Uitgeademde lucht (zonder je lucht in te houden) Uitgeademde lucht (waarbij je een minuut je adem inhoudt) Bij dit onderzoek maak je natuurlijk wel schetsen en probeer je alvast dingen op te zoeken en te ontwerpen - maar het onderzoeksdocument schrijf je pas achteraf. Hierin schrijf je dan niet wat je denkt te gaan doen, maar wat je hebt gedaan. Materialen en werkwijze laten dus precies zien wat je ontwerp is (denk aan tekeningen, foto's, etc). Je krijgt voor het ontwerpen, maken en uitvoeren 45 minuten de tijd. Het inleveren van het onderzoeksdocument kan later, zodat je tijdens KWT of elders op een eigen moment kunt werken aan dit document. pH: zuurtegraad Pagina 3 Thema 6: chemische reacties Zuur kijken... pH (de zuurtegraad) zegt iets over hoe zuur een oplossing is. De pH van een stof is een getal, hoe lager dit getal, hoe zuurder de oplossing is. De smaak van zuur herken je wel, en hoe zuurder het is hoe grappiger je gezicht wordt. Deze smaak wordt bij vruchten toch vaak niet opgemerkt. Dit komt niet omdat de pH niet laag is, maar vooral omdat er erg veel suiker de smaak van het zuur opheft. de pH veranderd hier echter niet door. Wanneer het de sterkte van de zuur toeneemt, is het gevaarlijk voor de mens en brandt het overal doorheen. Denk maar eens aan gevaarlijke accuzuur. De zuurgraad is een schaal met getallen tussen de 0 en de 14. Raar genoeg is niet 14, maar 0 het zuurst en is een pH van 14 is het tegenovergestelde van zuur: Basisch. In het midden, bij pH = 7 is de stof noch zuur noch basis en dan noemen we de de oplossing neutraal. Zuiver water heeft een pH van precies 7. pH Zet de volgende stoffen op de juiste volgorde van zuurgraad. Heel erg zuur - _______ - _______ - _______ - _______ -_______- _______ - _______ - niet zuur (of Pagina 4 Thema 6: chemische reacties basisch) Beschikbare keuzes: citroenzuur, accuzuur, banaan , water, cola, melk, sinasappelsap Hoe ontstaat een zure oplosssing? Er zijn bepaalde stoffen die als stofeigenschap hebben, dat ze in een oplossing makkelijk een geladen waterstofatoom (een geladen deeltje noem je een ion, dus eigenlijk moet hier staan waterstof-ion) afstaan. Hoe meer geladen waterstofionen ze afstaan vanuit hun molecuul, hoe zuurder de oplossing is en des te lager de pH. Je meet met de pH dus eigenlijk het aantal vrije waterstofatomen. Bij pH 1 zijn er dus veel meer waterstof-ionen aanwezig in de oplossing dan bij een pH van 4. Welke pH hebben de volgende stoffen? Bekijk de vorige vraag en bepaal vervolgens welke pH bij de stoffen hoort. pH 0 _______ pH 2 _______ pH 2,5 _______ pH 3 _______ pH 5 _______ pH 6 _______ pH 7 _______ Beschikbare keuzes: cola, accuzuur , sinasappelsap, melk, banaan , water, citroenzuur Pagina 5 Thema 6: chemische reacties De pH schaal Hoe ontstaat een basische stof? Het tegenovergestelde van een zuur noemen we een base. Basische stoffen hebben een pH boven de 7. Hoe hoger de pH hoe basischer de stof is. De smaak van een base wordt vaak vergeleken met een zeepachtige smaak. Basische stoffen hebben de stofeigenschap dat ze gemakkelijk een geladen hydroxy-deeltje loslaten(dit zijn OH-ionen, die bestaat uit een zuurstofatoom en een waterstofatoom) . Hoe meer hydroxy-ionen de moleculen loslaten, hoe basischer de oplossing is en des te hoger de pH wordt. Basische stoffen met een hele hoge pH is een gevaarlijk en bijtende stoffen. Denk maar eens aan natronloog, dit stop je in een verstopte gootsteen en bijt de afvoer weer schoon. Neutrale stof en neutraliseren Een neutrale stof is niet zuur en niet basisch, zuiver water is een neutrale stof. Een neutrale stof heeft een pH van 7. Water toevoegen Wat gebeurt er met de pH van citroenzuur als je water toevoegd aan de oplossing? Pagina 6 Thema 6: chemische reacties a. de pH zal tussen de 2 en de 7 in komen zitten. a. de pH zal 2 blijven, omdat water neutraal is. a. de pH zal 7 worden, omdat water een pH van 7 heeft. a. de pH zal boven de 7 uit komen. Het goede antwoord hierboven is: de pH zal tussen de 2 en de 7 in komen zitten. Dit komt omdat citroenzuur een pH van 2 heeft en water een pH van 7. Je verdunt de zure oplossing, hierdoor komt de pH hoger te liggen. Maar de pH kan nooit hoger worden dan 7, omdat water een pH van 7 heeft. Bepalen van pH Je kunt op verschillende manieren de pH van een oplossing meten: 1. Met pH papier. Je voegt een druppel van de oplossing op het papier, het papier verandert van kleur. De overeenkomstige kleur op de verpakking laat zien welke pH het is. 2. Indicatoren. Dit zijn stoffen die je toevoegt aan je oplossingen. De indicatoren hebben verschillende kleuren bij verschillende pH’s. Zie de afbeelding hieronder. fenoftaline Maar ook rode kool verkleurt bij verschillende pH’s. 3. Met een digitale pH-meter. Je kunt dan nauwkeurig aflezen welke pH de oplossing heeft. Pagina 7 Thema 6: chemische reacties Een pH meter Onderzoek: Neutraliseren van maagzuur In dit onderzoek gaan jullie op zoek naar de samenstelling van een Rennie tablet aan de hand van een reactie tussen een zure oplossing (maagzuur) en een basische oplosing (opgeloste Rennie). Dit doe je door precies genoeg base (in de vorm van een rennie-oplossing) toe te voegen bij de zure oplossing maagsap. Je krijgt dan een neutralisatiereactie. Neutraliseren van een oplossing Wanneer je een zure stof met een basische stof mengt, reageren de waterstofionen (H-ionen) met de hydroxid-ionen (OH-ionen). Er vormt dan een molecuul met 2 waterstofatomen en 1 zuurstofatoom:. H2O, water dus. Wanneer je precies evenveel waterstof-ionen toevoegt als er OH-deeltjes aanwezig zijn, houdt je dus alleen water over en krijg je een pH van 7. Dit heet het neutraliseren van een oplossing: Neutraliseren van een oplossing Het onderzoek: Neutraliseren van maagzuur Wanneer je last hebt van brandend maagzuur neem je vaak een Rennie om je maag te neutraliseren. In dit onderzoek ga je precies onderzoeken hoeveel je van de werkende stof van Rennie je moet toevoegen om 20 mL maagzuur te neutraliseren. Pagina 8 Thema 6: chemische reacties In je maag zit natuurlijk veel meer dan 20 mL maagsap. In jullie pubermaagjes zit ongeveer 750 mL maagzuur. De docent maakt een rennie-oplossing voor jullie klaar. Op het bord staat de concentratie rennie van de oplossing. Hierbij is dus een bepaalde hoeveelheid rennie opgelost in een bepaalde hoeveelheid water. (neem dit mee in je eindberekening!) Doel van het onderzoek is te bepalen hoeveel gram functionele stof uit de rennie je moet toevoegen om een inhoud van 750 mL maagsap te neutraliseren. Jullie moeten zelf een leeg onderzoeksdocument downloaden van de algemene Science pagina (science.ichthuscollege.info) en daar alles invullen. Inleveren natuurlijk weer via de Magister ELO. Maar voor je echt aan het onderzoeken gaat, moet je eest een gevoel krijgen voor wat je gaat doen. Hierom ga je eerst enkele dingen op internet opzoeken (die je in het onderzoeksdocument gaat gebruiken in bijvoorbeeld de inleiding) en daarna maak je natuurlijk de voorbereiding af voordat je het onderzoek gaat uivoeren. Literatuur(voor)onderzoek Voordat je dit onderzoek kan starten moet je een paar dingen op internet zoeken en een paar nieuwe technieken uitproberen. Als eerst zal je antwoord moeten vinden op de volgende vragen. Denk er aan om de bronnen die je gebruikt om de antwoorden te vinden in je bronnenlijst zet. 1. 2. 3. 4. Wat is brandend maagzuur? Welke zure stof zit er in maagzuur? Welke stof of stoffen zitten er in een Rennie? Waarom neutraliseert dit je maag? Welke stof ontstaat hierbij? In dit onderzoek maak je gebruik van een indicator om de pH te meten. Je kunt kiezen uit twee indicatoren (reagens voor pH) om te gebruiken: Broomthymolblauw o f Fenolftaleïne. Beide veel gebruikte indicatoren tijdens scheikundige experimenten. Je moet alleen wel de juiste kiezen. Zoek daarom ook de antwoorden op de volgende vragen: Pagina 9 Thema 6: chemische reacties 1. Onderzoek welke kleuromslagpunten beide indicatoren hebben. 2. Beschrijf de gevaren bij de veiligheid van deze stoffen. 3. Kies de juiste indicator bij dit onderzoek. Beargumenteer in je inleiding waarom je kiest voor deze indicator. Het praktische onderzoek Om zou nauwkeurig mogelijk te bepalen hoeveel je van de Rennie-oplossing je moet toevoegen om de 20 mL maagzuur te neutraliseren, ga je werken met een injectiespuit (zonder naald). Zuig ongeveer 50 mL van de Rennie-oplossing in een injectiespuit. Voeg nu druppelgewijs de Rennie-oplossing toe aan het maagzuur. Wanneer de neutralisatiereactie compleet is weeg je de injectiespuit opnieuw. Dit voer je in duplo uit. (dit is zeer gebruikelijk bij titraties) Om alles goed te kunnen snappen zal je ook over de volgende vragen moeten nadenken. Deze moeten onderdeel worden van de werkwijze: 1. De techniek die je gebruikt (zoals hierboven beschreven) noemen we titratie. In dit geval wegend titreren. Leg in je inleiding uit wat wegend titreren is. 2. Hoe bepaal je zo nauwkeurig mogelijk hoeveel Rennie-oplossing je hebt toegevoegd? 3. Wanneer stop je met het toevoegen van de Rennie-oplossing? 4. Het meet je zo nauwkeurig mogelijk 20 mL maagzuur? 5. Waarom voer je dit experiment in duplo (tweevoud) uit? Leg dit in je inleiding uit. 6. Krijg je zo alle informatie die je nodig hebt om je onderzoeksvraag te beantwoorden? Heb je nog iets nodig? Gidsexperiment Om een idee te hebben hoeveel base je ongeveer moet toevoegen, doen we eerst een gidsexperiment. Het gidsexperiment is dus voor jezelf, om een idee te vormen. Dit snelle experiment komt dus niet in je onderzoeksverslag. Om een idee te krijgen hoeveel mL van de rennie-oplossing je ongeveer moet toevoegen, voeg je snel 10 mL, 20 mL, 30 mL, 40 mL en 50 mL toe. En controleer je met pH-papier de pH bij die hoeveelheden. Wat weet je nu voor je hoofdonderzoek? Tip voor uitvoering Bij complexere onderzoeken is het verstandig van te voren te bedenken welke resultaten je nodig hebt om antwoord te geven op je onderzoeksvraag. Zet alvast in de resultaten een tabel klaar met de benodigde gegevens. Resultaten Omdat je bij dit onderzoek resultaten krijgt waaraan je moet rekenen, moet je je de berekeningen wel op de goede plek neerzetten. Splits je resultaten op in twee tussenkopjes: Observaties Verwerking/berekeningen Pagina 10 Thema 6: chemische reacties Intermezzo: Dichtheid berekenen In klas 1 hebben jullie leren werken met de dichtheid. Dit is de grootheid die aangeeft welke masssa een bepaald volume van een stof is. In formule: of in symbolen: In deze formule is het volume (de 'inhoud' of de 'ruimte' die de stof inneemt) bij vloeistoffen in mL, en bij vaste stoffen in cm 3. Hierbij moet je weten dat 1 cm 3 = 1 mL. De eenheid van de dichtheid zal dan bij vloeistoffen en vaste stoffen ook verschillen. Bij een vaste stof: g/cm 3 Bij een vloeistof: g/mL Instaptoets In thema 3 van klass 1, heb je al eerder gerekend met dichtheid. Daarom ga je eerst een instaptoets maken. Scoor je hier goed op? Dan werk je gewoon verder met het thema. Anders moet je eerst het onderdeel dichtheid van thema 3 nog even herhalen. Sla de resultaten van de toets op je laptop op (of maak een printscreen) bespreek met je docent of je verder moet oefenen met dichtheid. Instaptoets dichtheid maken.wikiwijs.nl/p/questionnaire/standalone/2628777 Met deze toets kijk je of je het rekenen met de formule voor dichtheid nog beheerst. vloeistoffen en vaste stoffen Bij vloeistoffen en vaste stoffen verschilt de eenheid die je achter de dichtheid schrijft. Wat zijn de goede eenheden? a. Vaste stof: g/cm3 , vloeistof: g/ml a. vaste stof: cm3/g, vloeistof: ml/g a. vaste stof: g/cm, vloeistof: g/L a. vaste stof: g/dm, vloeistof: g/L Een blokje in water Een blokje van 3 cm bij 2 cm bij 1 cm. Heeft een massa van 4,5 gram. Pagina 11 Thema 6: chemische reacties - bereken het volume _______________ cm3 - bereken de dichtheid _______________ g/cm3 (afronden op 2 decimalen) - wat gebeurt er als je het blokje in het water gooit? Het blokje _______________(kies uit drijft, zinkt of zweeft) Steentje Bekijk de afbeelding hieronder en bereken de dichtheid van het steentje. De dichtheid is _______________ g/cm3 (want ml = gelijk aan cm3) Duiker Een duiker heeft een dichtheid van 1,04 kg/dm3 en een massa van 90 kg. Wat is het volume van deze duiker in dm3 Het volume is _______________ dm3 (afronden op 2 decimalen) Duiker wil blijven drijven Een duiker heeft een volume van 150 dm3. Zeewater heeft een dichtheid van 1,03 kg/dm3 . De duiker zweeft in het water. Wat is de massa van de duiker (met bepakking)? De massa is _______________ kg kattenbrokjes Een kilogram kattenbrokjes zit in een zak met een volume van 1100 cm3. Bereken de dichtheid van de kattenbrokjes in g/cm3. De dichtheid is _______________ g/cm3. (afronden op 2 decimalen) De fabrikant wil ook 5 kilogramzakken verkopen. Hoe groot moet het inhoud van die zak zijn? in dm3 _______________dm3 echt of nep? Pagina 12 Thema 6: chemische reacties Jantje koopt een gouden ketting en wil weten of de ketting van echt goud is. De ketting heeft een massa van 0, 116 kg. Via de onderdompelingmethode heeft hij bepaald dat het volume 6 cm3 is. Is de ketting van echt goud? Zo nee, van welke stof is de ketting dan gemaakt? is de ketting van goud? (ja of nee) _______________, het is gemaakt van _______________ glasplaat In een raam zit een glasplaat van 5 dm bij 80 cm. De glasplaat is 4 millimeter dik. De dichtheid van glas is 2,6 kg/dm3 Bereken de massa van de glasplaat in kg. Wat is het volume van de plaat? _______________ dm3 De massa is _______________ kg Link naar thema 3 Direct naar de 'dichtheid berekeningen' van thema 3 kn.nu/ww.ea01215 (maken.wikiwijs.nl) Pagina 13 Thema 6: chemische reacties Reactieschema's In dit onderdeel gaan we echt kijken wat een chemische reactie nu eigenlijk is en ook wat het niet is. Mengsels maken Bij het maken van mengsels voeg je stoffen bij elkaar. Hierbij gaan de moleculen door elkaar heen bewegen. In het eerste thema zijn we het begrip mengsel al tegen gekomen. Als je zuivere stoffen bij elkaar gooit, veranderen de moleculen niet. Ze mengen alleen met elkaar. Mengsels hebben als eigenschap dat je ze doormiddel van verschillende scheidingsmethode weer kan scheiden in zuivere stoffen, zoals we dat in thema één gedaan hebben. Bijvoorbeeld filtratie of destillatie. Chemische reactie met legoblokjes Wat is een chemische reactie? Bij een chemische reactie voeg je ook stoffen samen, hierbij veranderen alleen de moleculen. Een chemische reactie is een proces waarbij de moleculen (of eigenlijk de verbindingen) omgezet worden in andere moleculen (of andere verbindingen). Je kunt het beste vergelijken met een legoblokjes die op een bepaalde manier aan elkaar vast zitten. Door de energie tijdens een chemische reactie worden de blokjes van elkaar gehaald en op een andere manier weer gebouwd. Voor de reactie heb je dus andere lego-bouwsels dan na de reactie. In de afbeelding hierboven kun je kijken na een 'Lego-reactie'. Voor de pijl staan 'lego-moleculen', dit zijn de moleculen vóór de reactie. Deze noem je ook wel beginstoffen. De 'lego-moleculen' na de pijl zijn ontstaan door de reactie. Deze noem je reactieproducten. Pagina 14 Thema 6: chemische reacties Noteren van reactieschema’s We kunnen een reactie goed beschrijven door middel van een reactieschema te maken. Je kunt ook een reactie beschrijven door middel van molecuultekeningen of een reactievergelijking. Bij alle notaties van reacties staan de beginproducten voor de pijl hebben staan, en de reactieproducten na de pijl. In dit thema moet je zelf een reactieschema kunnen maken én een molecuultekening kunnen aflezen. Hier zie je een reactie tussen methaan en zuurstof op drie verschillende manieren beschreven. Faseaanduiding Het reactieschema tussen methaan en zuurstof is: Methaan (g) + zuurstof (g) → koolstofdioxide (g) + water (g) Achter de stof in een relatieschema kun je de fase van de stof vinden. In de bovenstaande reactie zijn alle stoffen in een gasfase, vandaar die (g). Er zijn vier toestandsaanduidingen: Vast (s), vanuit het Engels "Solid" Vloeibaar (l), vanuit het Engels "Liquid" gas (g), eigenlijk vanuit het Engels "Gas" opgelost in water (aq), vanuit het Latijn "Aqua" Reactieschema maken Maak van de volgende reacties een reactieschema. a) Wanneer je magnesiumlint aansteekt reageert het magnesium met zuurstof tot een vaste witte stof genaamd magnesiumoxide. b) Als je suiker flink verhit in de pan krijg je een zwarte aanslag in de pan. Deze zwarte aanslag noemen we koolstof, ook onstaat bij de verhitting van suiker de gassen waterstof en zuurstof. c) Wanneer de gassen waterstofchloride en ammonia reageren ontstaat er een vaste stof die we kennen als salmiak. Pagina 15 Thema 6: chemische reacties Soorten reacties Wanneer je nog een keer goed kijkt naar de reacties in de vraag van het vorige onderdeel, dan kan je opvallen dat sommige reacties maar één beginproduct hebben, terwijl sommige reacties meerdere beginproducten hebben. Kijk bijvoorbeeld maar eens naar de volgende twee reactiesschema's: Suiker (s) → Koolstof (s) + Waterstof (g) + zuurstof (g) en Waterstofchloride (g) + Ammonia (g) → Salmiak (s) Dit komt omdat er meerdere soorten reacties bestaan: Vorming- en ontledingsreacties Een vormingsreacties is een reactie, waarbij uit twee of meer stoffen minstens één nieuwe stof wordt gevormd. Zoals het maken van salmiak uit waterstofchloride en ammonia. Een ontledingsreactie is een reactie, waarbij uit één stof twee of meer nieuwe stoffen ontstaan. Het molecuul wordt als het ware kapot gemaakt en hieruit ontstaan nieuwe kleinere moleculen of losse atomen. Dit kost natuurlijk energie om de bindingen tussen de atomen kapot te krijgen. Zuur-base reactie Eerder hebben we het al gehad over de neutralisatie van pH, dit noemen we een zuur-base reactie. Hierbij reageren een zuur en een base samen tot water en het zuurresst: dat wat overblijft van het zuur nadat het geneurtraliseerd is. citroenzuur (aq) + hydroxide-ionen (aq) → water (l) + zuurrest (aq) Verbrandingsreacties Pagina 16 Thema 6: chemische reacties Verbranding Verbrandingsreacties zijn reacties tussen een brandstof en zuurstof waarbij warmte en licht ontstaat als energievorm. Branddriehoek Een verbranding vindt pas plaats als de omstandigheden goed zijn. Er moeten aan drie voorwaarden voldaan worden voordat er een verbranding plaats vindt. De drie brandvoorwaardes worden vaak in een branddriehoek weergegeven. Alle drie de voorwaarden moeten aanwezig zijn, wil er een verbranding plaats vinden. Je kunt een verbranding dan ook stoppen, door één of meerdere brandvoorwaarden weg te nemen. Voorbeelden Water verlaagd de temperatuur die nodig is voor de verbranding Een blusdeken ontneemt de zuurstof die nodig is voor verbranding Het gas uitzetten ontneemt de brandstof die nodig is voor verbrandingetc. Brandstoffen We maken tot op heden nog veel gebruik van fossiele brandstoffen als energieleverancier (brandstoffen). In het derde thema over duurzaamheid hebben we het daar al over gehad. Fossiele brandstoffen zijn grote moleculen die in ieder geval bestaan uit koolstof- en waterstofatomen. De bindingen tussen deze atomen zijn erg energierijk. Ze kosten veel energie om te maken (door middel van fotosynthese bij planten) maar leveren ook veel energie op bij het kapot maken van de bindingen, wat gebeurt bij verbranding. Pagina 17 Thema 6: chemische reacties Verschillende fossiele brandstoffen, bestaande uit C-atomen en H-atomen Reactievergelijking Neem als voorbeeld de verbranding van methaan (CH4, dat wil zeggen dit molecuul bestaat uit 1 koolstofatoom met 4 waterstofatomen). Bekijk de afbeelding hieronder. Verbrandingsreactie van methaan Zoals je kunt zien zijn de beginproducten methaan (brandstof) en zuurstof (verbranding = reactie met zuurstof). Als reactieproducten bij verbranding zijn altijd hetzelfde, namelijk in ieder geval koolstofdioxide en water. Je ziet dus dat een groter molecuul (methaan) met veel energie, door een verbrandingsreactie wordt omgezet in kleinere moleculen. Dit proces levert energie op. Als alle reactieproducten gelijk zijn bij verbrandingsreactie, geldt dit voor het lichaam ook. En dat klopt. Kijk maar eens naar de onderstaande tekening. Verbranding van druivensuiker in het lichaam Reactieschema maken Maak een reactieschema van de verbranding van druivensuiker in je lichaam. (let op faseaanduidingen) Pagina 18 Thema 6: chemische reacties Onvolledige verbrandingen Voor een verbrandingsreactie kun je een algemene reactie maken namelijk: Brandstof(?) + zuurstof (g) → koolstofdioxide (g) + water (g) Dit gaat over reacties waarbij er voldoende zuurstof aanwezig is. Verbrandingen kunnen ook plaatsvinden als er onvoldoende zuurstof aanwezig is, dit noemen we dan een onvolledige verbranding. volledig/onvolledige verbranding Maar wanneer er onvoldoende zuurstofatomen aanwezig zijn, krijgt niet elke koolstofatoom na de verbranding twee zuurstofatomen gebonden. Maar de koolstofatomen krijgen maar één zuurstofatoom en vormt koolstofmonoxide. Of ze krijgen geen zuurstofatoom en vormt koolstof (roet). Vaak ontstaat er bij een onvolledige verbranding ook wel koolstofdioxide. Onvolledige verbranding kunnen gevaarlijk zijn, omdat koolstofmonoxide een geurloze, kleurloze en zeer giftige gas is. Voor een onvolledige verbrandingsreactie kun je een algemene reactie maken namelijk: Brandstof (?) + zuurstof(g) → koolstof (s) + koolstofmonxide (g) + koolstofdioxide (g) + water (g) Pagina 19 Thema 6: chemische reacties Gevaren van koolstofoxide Biodiesel onderzoek Omdat de fossiele brandstoffen toch een keer zullen opraken, zijn veel bedrijven en wetenschappers op zoek naar nieuwe brandstoffen. Eén van deze alternatieven is biodiesel, dat gemaakt kan worden van elk soort vet of olie die uit planten gehaald kunnen worden. In Kampen is er bijvoorbeeld een bedrijf dat biodiesel maakt uit afgewerkt frituurvet. Het maken van een stof uit andere stoffen heet in de scheikunde een synthese. En in dit onderzoek gaan jullie zelf biodiesel synthetiseren uit zonnebloemolie. De synthese wordt in het algemeen uitgevoerd met een stof die methanol heet. Als bijproduct van de synthese komt er ook glycerol vrij. Op grote schaal kan deze worden gebruikt bij het maken van veevoeder, maar op kleine schaal is dit afval. Het reactieschema van de synthese is: zonnebloemolie (l) + methanol (l) → biodiesel (l) + glycerol (l) Bij deze reactie is er een derde stof nodig om de synthese te laten verlopen. Dit is de stof natriumhydroxide, maar dit wordt niet echt gebruikt bij de reactie. Een stof die je moet toevoegen om een reactie te laten verlopen, maar niet verbruikt wordt noem je een katalysator en deze noteer je niet in een reactieschema. De opbouw van het onderzoek Het uitvoeren van dit onderzoek verloopt via een aantal stappen: 1. Lezen, begrijpen en herschrijven van de algemene procedure. 2. Kiezen van een parameter om te veranderen bij de synthese. 3. Definitief opstellen van voorbereiding in onderzoeksdocument. Pagina 20 Thema 6: chemische reacties 4. Uitvoeren van het onderzoek. 5. Resultaatverwerking en schrijven van verwerking in onderzoeksdocument. Stap 1: De algemene procedure Hieronder is een document te downloaden met daarin de precieze beschrijving hoe je van zonnebloemolie, biodiesel maakt. In het voorschrift wordt gebruik gemaakt van methanol, maar deze stof mogen jullie niet gebruiken (waarom niet?). In plaats daarvan gaan we ethanol gebruiken. Qua naam lijken methanol en ethanol erg op elkaar, maar scheikundig gezien zijn het echt heel verschillende stoffen. Lees nu met je groepje de algemene procedure door en zoek elk woord dat jullie niet kennen op. Zorg dat je alles snapt wat er in de procedure staat. Dan download je een leeg onderzoeksdocument van de algemene Science site en begint bij Materiaal en Werkwijze in je eigen woorden de procedure te beschrijven. Hierbij gaan jullie dus geen methanol, maar ethanol gebruiken. Moet je de hoeveelheid ethanol nog aanpassen? Het voorschrift gaat uit van een bepaalde massa methanol. Is een gelijk volume ethanol ook een gelijke massa? Standaard procedure biodiesel maken kn.nu/ww.462f2a1 (1drv.ms) Stap 2: Kiezen van een parameter In de procedure staan een heleboel omstandigheden en materialen die veranderd zouden kunnen worden. Door één van deze zogenaamde parameters te veranderen en te kijken wat er met de opbrengst van de biodiesel gebeurd, kan je onderzoeken wat de invloed van deze parameter is op de synthese is van biodiesel. Wordt het er beter van? Slechter? Natuurlijk moet je altijd maar één parameter tegelijkertijd veranderen in je onderzoek. Stel dat je er twee kiest, en de ene laat de opbrengst stijgen, maar de andere laat de opbrengst dalen. Je neemt dan geen verandering waar en trekt dan de verkeerde conclusie. Kies nu met je groepje één van de parameters die in de synthese voorkomen en geef in het onderzoeksdocument de juiste onderzoeksvraag en hypothese die te maken hebben met de gekozen parameter. Je zou kunnen denken aan: De hoeveelheid natriumhydroxide De hoeveelheid ethanol Een andere soort olie Temperatuur van het waterbad Duur van de reactie Hoeveelheid keer schudden tiijdens de reactie Of misschiien nog wel een ander? Overleg in elk geval met je docent welke je kiest! Stap 3: Definitieve voorbereiding Nu schrijf je met je groepje het onderzoeksverslag helemaal af en deze lever je bij de docent in. Zorg dat alles dat in de voorbereiding moet er in staat, dus ook een goede inleiding. Denk er aan dat Vwo1 leerlingen jullie onderzoek moeten kunnen snappen én (veilig) moeten kunnen uitvoeren met alleenmaal jullie document als bron. In verband met de lange wachttijden bij de synthese van dit onderzoek, is een onderdeel planning bij de werkwijze wel op zijn plaats! Pagina 21 Thema 6: chemische reacties Stap 4: De uitvoering Deze stap mag je pas doen wanneer je goedkeuring hebt van je docent. De chemicaliën zijn niet altijd even vriendelijk en de docent moet dus hebben kunnen zien dat jullie weten waar de gevaren zitten. Stap 5: Resultaatverwerking Als het onderzoek af is en de resultaten zijn binnen schrijven jullie natuurlijk de laatste onderdelen van het onderzoeksdocument. Deze moet ook weer worden ingeleverd bij je docent. Onderzoek: Invloed van licht op fotosynthese In dit onderzoek ga je de invloed van lichtsterkte of lichtkleur op de fotosynthese. In dit onderzoek ontwerp je zelf een opstelling waarmee je de hoeveelheid vrijgekomen zuurstof gaat meten. Fotosynthese In thema drie (duurzaamheid)of bij biologie klas 1 hebben we het al gehad over wat fotosynthese is. Je kunt aan de hand van deze informatie zelf wel een reactieschema maken en begrijpen van deze reactie. Onderzoek Kies of je de invloed van lichtsterkte of de invloed van lichtkleur wilt onderzoeken. Ontwerp dan een opstelling waarbij de hoeveelheid vrijgekomen zuurstof kunt meten (dit kan op verschillende manieren). Bekijk goed welke benodigdheden je nodig hebt en overleg met de docent of deze aanwezig zijn. Pagina 22 Thema 6: chemische reacties Wet van behoud van massa Bij een chemische reactie veranderen de moleculen van samenstelling, de atomen rangschikken zich anders. Denk nog maar eens aan de lego-reactie. Reactie met legoblokjes Antoine Lavoisier Zoals je weet hebben alle atomen, en dus ook moleculen een bepaalde massa die je niet kunt veranderen. In het geval van de Lego reactie: Alle blauwe blokjes hebben een massa van 1 gram De zwarte blokjes hebben een massa van 2 gram De rode blokjes hebben een massa van 3 gram. Dan heb je voor de pijl: (4 x 1) + 2 + (4 x 3) = 18 gram Na de pijl heb je weer: (4 x 1) + 2 + (4 x 3) = 18 gram Het aantal legoblokjes/atomen blijft gelijk, dus de massa blijft ook gelijk. Bij een reactie is de massa van de beginstoffen als de massa van de reactieproducten altijd gelijk aan elkaar. Dit wordt de wet van behoud van massa genoemd. Deze wet is bedacht door Antoine Lavoisier, daarom wordt deze wet ook wel de wet van Lavoisier genoemd. Dit is een belangrijke wet in de moderne scheikunde, omdat deze wet laat zien dat atomen niet kunnen verdwijnen bij een scheikundige reactie. Voor deze wet dachten de Alchemisten dat dit wel kon. Een belangrijke stap in de moderne scheikunde dus. Reactieverhoudingen Wat weten we nu van reacties en stoffen: Pagina 23 Thema 6: chemische reacties Alle atomen hebben hun eigen massa Bij een reactie rangschikken de atomen anders, er komen geen nieuwe atomen bij of verdwijnen de atomen Hierdoor hebben de beginstoffen samen dezelfde massa als alle reactieproducten samen Door deze informatie kunnen we stellen dat alle reacties in een bepaalde massaverhouding met elkaar reageren. Hiernaast zie je de reactie tussen aluminium en zuurstof. De reactievergelijking ziet er als volgt uit. Aluminium (s) + zuurstof (g) → aluminiumoxide (s) (dit is een vormingsreactie) De verhouding tussen aluminium en zuurstof is 9:8 (we spreken dit uit als: 9 staat tot 8), dit wil zeggen dat 9 delen aluminium precies met 8 delen zuurstof reageert. En omdat massa nooit verloren gaat verkrijg je dus precies 17 delen aluminiumoxide. De verhouding tussen aluminium en zuurstof is altijd gelijk. Wet behoud van massa Wet van behoud van massa toepassen Er vanuit gaan dat elke reactie in een bepaalde massaverhouding met elkaar reageert kun je dus precies uitrekenen hoeveel gram van de beginstoffen je nodig hebt voor een bepaalde reactie. Neem de reactie van aluminium met zuurstof nog een keer en beantwoord dan de onderstaande vraag. Aluminium (s) + zuurstof (g) → aluminiumoxide (s) 9 gram : 8 gram → 17 gram Zuurstof Ik gebruik in een bepaalde reactie geen 9 gram aluminium, maar ik gebruik 4,5 gram aluminium. Hoeveel gram zuurstof heb ik dan nodig? a. 9 a. 4,5 a. 8 a. 16 a. 4 a. 18 Pagina 24 Thema 6: chemische reacties Aluminiumoxide En hoeveel gram aluminiumoxide wordt er dan gemaakt? a. 34 a. 17 a. 9 a. 8,5 Wat hebben we in deze vraag nu gedaan? Omdat de reactieverhouding van de reactie gelijk blijft aan elkaar, verkrijg je bij de helft aluminium dus ook maar de helft aan aluminiumoxide. En dan gebruik je voor die reactie ook maar de helft zuurstof. De massaverhouding tussen de stoffen blijft altijd gelijk!! Rekenen met massaverhoudingen De bovenstaande vraag was gemakkelijk op te lossen omdat je de helft van alle stoffen hebt genomen. Moeilijker wordt het als je met andere massa’s gaat rekenen. Hieronder staat een stappenplan die je kunt gebruiken bij het rekenen met massaverhoudingen. 1. Noteer de reactievergelijking (met faseaanduidingen) 2. Noteer de massaverhoudingen eronder 3. Noteer de gegevens. Noteer de bekende massa en noteer een vraagteken bij de gevraagde stof. 4. Bereken de gevraagde stof. Dit kan op verschillende manieren: (zie voorbeeld hieronder) a. Met een verhoudingstabel b. De factor bepalen tussen 3,6 en 40, c. De factor bepalen tussen 3,6 en 1,7 5. Noteer je conclusie/antwoord Pagina 25 Thema 6: chemische reacties voorbeeld rekenopgave Maak het werkblad voor het oefenen met rekenen. Rekenen met massaverhouding kn.nu/ww.45fed3d (1drv.ms) De antwoorden kn.nu/ww.c784ffc (1drv.ms) Onderzoek massaverhouding staalwol met zuurstof Pagina 26 Thema 6: chemische reacties Staalwol Doel van het onderzoek In dit onderzoek ga je de massaverhouding tussen staalwol en zuurstof experimenteel bepalen. Je gaat staalwol laten reageren met zuurstof door er stroom met een batterij door heen te laten lopen. Oxideren De reactie die plaatsvindt noemen we een oxidatie. Oxidatie, komt van het Latijnse woord oxygenium, wat zuurstof betekent. Dit komt omdat oxideren meestal een reactie met zuurstof betreft, al hoeft dit niet perse zo te zijn. Voorbeelden van oxidaties zijn verbrandingsreacties en bijvijvoorbeeld het roesten van metalen. Onderzoek Het doel van dit onderzoek is bepalen hoeveel zuurstof er met een bepaalde hoeveelheid staalwol reageert: De massaverhouding dus. Je gebruikt hiervoor een9V batterij om de oxidatie te laten verlopen. Je moet zelf bedenken hoe je de massaverhouding gaat bepalen. Om de betrouwbaarheid te verhogen voer je dit in duplo uit. Literatuur(voor)onderzoek 1. Waar is staalwol van gemaakt? 2. Hoe heet de stof die ontstaat bij de oxidatie? Eindonderzoek: De bruisbal Het eindonderzoek van dit thema gaat over de chemissche reactie die plaats vindt bij bruisballen in water. Het onderzoek loopt echter wat anders dan je gewend bent. Het is namelijk een individueel onderzoek, waabij je niets kan (of hoeft) voor te bereiden, anders dan goed snappen wat je in dit thema gedaan hebt. In plaats van een onderzoeksdocument of een opdracht op de WikiWijs, is het eindonderzoek in een Quayn opdracht gegoten waarbij je scherm voor scherm antwoorden moet geven én experimentele Pagina 27 Thema 6: chemische reacties gegevens moet verzamelen. Leerdoelen en oefentoets Aan het einde van dit thema moet de volgende dingen weten of kunnen: 1. Je weet wat stofeigenschappen zijn en kunt ze herkennen. 2. Je weet wat een goed reagens is en wat deze doet. 3. Je weet van de volgende reagentia de aangetoonde stof, en de reactie op die stof: Kalkwater Joodoplossing Wit kopersulfaat Ph-papier 4. Je kunt gebruik maken van indicatoren om de zuurgraad aan te tonen (onderzoek maagzuur) en kent de andere manieren om de zuurtegraad aan te tonen. 5. Je kent de pH-schaal en de begrippen zuur, base en neutraal . 6. Je weet hoe een zure stof en basische stof ontstaat. 7. Je weet wat neutralisatie is en kent de reactievergelijking 8. Je weet hoe je moet titreren en wat je daarmee kunt aantonen 9. Je weet wat dichtheid is, kent de eenheden bij vloeistof en vaste stof. 10. Je kent de formule voor dichtheid en kan rekenen met de formule voor dichtheid. 11. Je weet het verschil tussen mengen en reageren op molecuul/atoom-niveau 12. Je weet dat een reactieschema bestaat uit beginstoffen en reactieproducten 13. Je kunt een reactieschema (met faseaanduidingen) maken aan de hand van een verhaaltje waarin een reactie beschreven wordt. 14. Je herkent een vormingsreactie, ontledingsreactie en zuur-basereactie. 15. Je weet wat er brandvoorwaardes zijn en kent de branddriehoek. 16. Je kunt uitleggen welke brandvoorwaarde wordt ontnomen bij het doven van vuur. 17. Je weet welke twee atomen er altijd aanwezig zijn bij brandstoffen. 18. Je kent de algemene reactievergelijking voor een verbranding en kan dus voor elke brandstof een reactievergelijking maken. 19. Je kent de algemene reactievergelijking voor een onvolledige verbranding. 20. Je weet waarom onvolledige verbranding gevaarlijk kunnen zijn. 21. Je kent het begrip Synthese (onderzoek biodiesel) 22. Je weet wat een katalysator is. 23. Je kent de reactievergelijking van fotosynthese en weet waar de energie vandaan gehaald wordt bij deze reactie. 24. Je weet wat er met de wet behoud van massa wordt bedoelt. 25. Je weet waarom reacties altijd in bepaalde massaverhoudingen met elkaar reageren 26. Je kunt rekenen met massaverhoudingen 27. Je weet welke twee reacties onder oxidatie vallen Diagnostische toets thema 6 Diagnostische toets thema 6 kn.nu/ww.1ea3923 (1drv.ms) Pagina 28 Thema 6: chemische reacties Correctiemodel diagnostische toets kn.nu/ww.87d0e33 (1drv.ms) Pagina 29 Thema 6: chemische reacties Over dit lesmateriaal Colofon Auteurs Steven Boot ; Petra van Leeuwen Laatst gewijzigd 23 march 2018 om 12:14 Licentie Dit lesmateriaal is gepubliceerd onder de Creative Commons Naamsvermelding 3.0 Nederlands licentie. Dit houdt in dat je onder de voorwaarde van naamsvermelding vrij bent om: het werk te delen - te kopiëren, te verspreiden en door te geven via elk medium of bestandsformaat het werk te bewerken - te remixen, te veranderen en afgeleide werken te maken voor alle doeleinden, inclusief commerciële doeleinden. Meer informatie over de CC Naamsvermelding 3.0 Nederland licentie Aanvullende informatie over dit lesmateriaal Van dit lesmateriaal is de volgende aanvullende informatie beschikbaar: Eindgebruiker leerling/student Moeilijkheidsgraad gemiddeld Bronnen Bron Chemische reacties https://www.youtube.com/watch?v=KTacZhvkyIA&app=desktop Type Direct naar de 'dichtheid berekeningen' van thema 3 http://maken.wikiwijs.nl/70177/Thema_3__Duurzaamheid#!page-1738952 Link Standaard procedure biodiesel maken https://1drv.ms/w/s!Ah2EAzT7Gg4bhPJLzL6WcqUudBdOew Link Rekenen met massaverhouding https://1drv.ms/w/s!Ah2EAzT7Gg4bhPYZs2qLf8K0SuPB0g Link De antwoorden https://1drv.ms/w/s!Ah2EAzT7Gg4bhclMlW67FsEbClRUnQ Link Diagnostische toets thema 6 https://1drv.ms/w/s!Ah2EAzT7Gg4bhclAqw6DeW7mvN8Reg Link Correctiemodel diagnostische toets https://1drv.ms/w/s!Ah2EAzT7Gg4bhclGHO0zsGZHI8LVRg Link Pagina 30 Video Thema 6: chemische reacties
