de Achtergrondinformatie - CMA

Warmtepleisters
onderzoeken
SCHEIKUNDE
Thermodynamica
Toelichting
Warmtepleisters
De meeste soorten warmtepleisters bevatten een mengsel van (pyrofoor) ijzer, water en
koolstof. Soms zijn bepaalde zouten toegevoegd als katalysator. Het kompres is luchtdicht
onder stikstofatmosfeer verpakt. Na openen komt het mengsel in contact met zuurstof in
de lucht, waardoor een roestproces op gang komt. Roesten is een exotherme reactie en
doordat het ijzer zeer fijn verdeeld poeder is en er een katalysator aanwezig is, is de
reactiesnelheid hoog. Het kompres gaat voelbaar warmte afgeven en kan zelfs
temperaturen tot 50 of 60 graden Celsius bereiken.
Het roesten van ijzer is eigenlijk een zeer langzame verbranding. Voor een verbranding is
zuurstof nodig, dus zolang de verpakking gesloten is, gebeurt er niets.
Gibbs vrije energie
Voor elke chemische reactie is de totale energieverandering uit te drukken als de
verandering in Gibbs vrije energie (ΔG) in joule, volgens:
∆𝐺 = ∆𝐻 − 𝑇∆𝑆
Hierin is ΔH de verandering in enthalpie (in joule), T de temperatuur (in kelvin) en ΔS de
verandering in entropie (in joule/kelvin). Een reactie met een ΔG < 0 verloopt spontaan,
terwijl een reactie met ΔG = 0 geen drijvende kracht heeft. Een reactie met ΔG > 0
verloopt niet spontaan.
Verandering in enthalpie
Enthalpie wordt gezien als de interne energie van het systeem (of in dit geval de
chemische stoffen) en chemische reacties gaan meestal gepaard met een grote
verandering in enthalpie. Er wordt energie (meestal in de vorm van warmte) vanuit de
omgeving opgenomen of aan de omgeving afgestaan. Voor het verbreken van bindingen
is energie nodig, terwijl bij het vormen van bindingen energie vrijkomt. De som van al deze
veranderingen bepaalt of de enthalpie (interne energie) netto stijgt of daalt.
De netto verandering in enthalpie kan berekend worden door het verschil in enthalpie van
de producten en de reactanten uit te rekenen volgens ΔH = Hproducten - Hreactanten
Endo- en exotherme reacties
Een reactie waarbij energie vanuit de omgeving wordt opgenomen en dus geldt dat ΔH > 0
noemen we endotherm. Tijdens deze reacties neemt de temperatuur van de omgeving af.
Een reactie waarbij energie aan de omgeving wordt afgestaan en dus geldt dat ΔH < 0
noemen we exotherm. Tijdens deze reacties neemt de temperatuur van de omgeving toe.
Warmtepleisters onderzoeken – Toelichting
1
Reactiesnelheid
Elke chemische reactie verloopt met een bepaalde snelheid. Door de omstandigheden te
veranderen kan de reactiesnelheid beïnvloed worden. Binnen het botsende deeltjesmodel
zijn er vijf factoren die de reactiesnelheid kunnen beïnvloeden





2
Soort stof: Hoewel er bepaalde trends (zoals in het periodiek systeem) zichtbaar zijn,
reageert elke stof op zijn eigen manier.
Temperatuur: Het verhogen van de temperatuur zorgt dat deeltjes sneller en met
meer energie bewegen. De kwantitatieve invloed van de temperatuur wordt
beschreven met de Arrheniusvergelijking (zie onder). Sterk vereenvoudigd kan
gezegd worden dat de reactie voor elke toename van 10 graden twee keer zo snel
verloopt
Concentratie: Als de concentratie van de reagerende deeltjes toeneemt, kunnen er
meer botsingen plaatsvinden. Hierdoor neemt de reactiesnelheid toe.
o Druk: Voor gassen geldt dat het laten toenemen van de druk ook de
reactiesnelheid verhoogt. Het verhogen van de druk kan gezien worden
als het verkleinen van het volume, waardoor de concentratie van de
gasvormige stoffen toeneemt en er meer botsingen zullen plaatsvinden
Verdelingsgraad: In reacties waar vaste stoffen bij betrokken zijn, vindt de reactie
aan het oppervlak plaats. Als de reagerende stof beter verdeeld is (bijvoorbeeld
verpoederd) is het oppervlak veel groter. Er vinden meer botsingen plaats, waardoor
de reactiesnelheid toeneemt.
Katalysator: De aanwezigheid van een katalysator versnelt de reactie doordat er
gebruik wordt gemaakt van een ander reactiemechanisme met lagere
activeringsenergie.
CMA Lesmateriaal