Theorieblad 1

Theorieblad 1
Verbranding
Verbranding is een van de bekendste chemische reacties. Bosbranden
maar ook het verbranden van aardgas zijn voorbeelden van
verbrandingen. Een groot deel van de energie die vrijkomt bij
verbrandingen wordt gebruikt voor verwarming, een ander deel wordt
omgezet in beweging zoals in de motor van de scooter gebeurt.
Voorwaarden
verbranding
Verbranding
Voor verbranding zijn drie voorwaarden noodzakelijk namelijk:
1.
er moet een brandbare stof aanwezig zijn.
2.
er moet voldoende zuurstof aanwezig zijn, dit is meestal
zuurstof uit de lucht.
3.
er is een minimale temperatuur nodig, onder deze temperatuur
zal de stof niet ontbranden.
Een verbranding is een snelle exotherme reactie met zuurstof.
Er komt dus energie bij vrij en een verbranding gaat meestal gepaard
met vuurverschijnselen.
Het reactieschema voor een verbranding is:
brandstof + zuurstof  verbrandingsproducten
Verbrandingsproducten
Bij een verbranding ontstaan als verbrandingsproducten de oxides
van de elementen, die aanwezig zijn in de brandstof. Dat wil zeggen
als een stof maar één element bevat ontstaat er één oxide, bevat de
stof meerdere elementen dan ontstaan er meerdere oxides.
Voorbeelden
Verbranding van magnesium:
2 Mg (s) + O2 (g)  2 MgO (s)
er ontstaat
magnesiumoxide
Verbranding van octaan, een onderdeel van benzine:
2 C8H18 (l) + 25 O2 (g)  16 CO2 (g) + 9 H2O (l)
4
er ontstaat
koolstofdioxide
en water
(diwaterstofmonooxide)
Oxidatiereacties
Bij een reactie met zuurstof zie je niet altijd vuurverschijnselen. Alleen
als er vuurverschijnselen zijn spreken we van een verbrandingsreactie.
De algemene naam voor een reactie met zuurstof is oxidatiereactie.
Verbrandingsreacties zijn dus onderdeel van de oxidatie-reacties.
Oxidatiereacties zijn alle reacties met zuurstof.
Verbranding in het lichaam
In ons lichaam treden ook verbrandingen op. De temperatuur mag dan
niet hoger worden dan 37 0C. Een brandstof die ons lichaam gebruikt
is glucose, formule C6H12O6. Glucose reageert met de door het bloed
aangevoerde zuurstof en verbrandt tot koolstofdioxide en water.
C6H12O6 (s) + 6 O2 (g)  6 CO2 (g) + 6 H2O (l)
Bij 37 0C reageert glucose normaal niet met zuurstof, daarvoor is een
hulpstof nodig. In het lichaam zijn dat enzymen. Enzymen zijn
katalysatoren.
Katalysator
Katalysatoren zijn stoffen die een reactie VERSNELLEN zonder
daarbij zelf verbruikt te worden.
In de scheikunde verstaan we onder een katalysator een stof, die
reacties mogelijk maakt, die niet of te langzaam zouden verlopen. De
katalysator is dus een stof die wel deelneemt aan de reactie, maar
waarvan na de reactie nog net zoveel aanwezig is als voor de
reactie.Een katalysator wordt dus wel gebruikt, maar niet verbruikt.
Katalysatoren zijn ook in de chemie heel belangrijk en spelen
bijvoorbeeld een rol in de uitlaat van de scooter.
Volledige en onvolledige verbranding.
Volledige
verbranding
Onvolledige
verbranding
Als er voldoende zuurstof is ontstaan bij verbranding van bijvoorbeeld
fossiele brandstoffen de stoffen koolstofdioxide en water. We spreken
in dat geval van een volledige verbranding.
Wanneer er te weinig zuurstof is voor een verbranding ontstaan bij
verbranding van fossiele brandstoffen naast water en koolstofdioxide
ook het giftige koolstofmonooxide en roet. We spreken dan van een
onvolledige verbranding. Een voorbeeld van een onvolledige
verbranding is de gele vlam van de brander in het practicumlokaal. Als
je met een gele vlam een reageerbuis verwarmt, ontstaat onderaan de
buis roet.
5
Verbrandingssnelheid en explosies.
Verbrandingssnelheid
De verbrandingssnelheid wordt bepaald door de volgende factoren:
1.
de soort brandstof
2.
de temperatuur
3.
de verdelingsgraad van de brandstof
4.
de verhouding brandstof / zuurstof
5.
het gebruik van lucht of zuivere zuurstof
Onder bepaalde omstandigheden kan een verbranding zo snel
verlopen dat er sprake is van een explosie.
Explosie
Voorwaarden voor
explosie
Een explosie is een zeer snelle verbranding.
Voorwaarden voor een explosie:
1.
Brandstof en zuurstof zijn in de juiste verhouding gemengd.
2.
De verdelingsgraad van de stoffen is groot.
3.
De minimale ontbrandingstemperatuur wordt bereikt.
Een voorbeeld van een explosief mengsel is knalgas. Waterstof en
zuurstof zijn dan in de volumeverhouding 2:1 gemengd.
Explosiegrenzen
In de cilinder van de scootermotor vinden voortdurend kleine explosies
plaats. Iedere keer als de bougie een vonk geeft explodeert in de
cilinder het samengeperste brandstofmengsel en wordt de zuiger met
grote kracht weggeduwd. Je begrijpt dat zo’n explosie alleen goed
verloopt als het brandstof/zuurstofmengsel in de juiste verhouding
gemengd is. Is er te weinig zuurstof in het brandstofmengsel dan
verloopt de reactie niet explosief, maar als er teveel zuurstof in het
brandstofmengsel zit kan de reactie ook niet explosief verlopen.
De waarden van het minimale en het maximale gehalte zuurstof in het
brandstofmengsel, waarbinnen de reactie explosief verloopt, noemt
men de explosiegrenzen.
6
Theorieblad 2
Reagens
Reagens
Bij een verbranding ontstaan meestal gasvormige reactieproducten.
Deze reactieproducten zijn heel eenvoudig aan te tonen met behulp
van een reagens (meervoud reagentia).
Een reagens is een stof, die met één bepaalde andere stof een
duidelijk waarneembare reactie vertoont.
Een reagens moet aan twee eisen voldoen namelijk:
Selectiviteit
reagens
Gevoeligheid
reagens
1. het moet selectief zijn dat wil zeggen dat het maar met één stof
die speciale reactie geeft
2. het moet gevoelig zijn, er moet slechts weinig stof nodig zijn
voor de reactie
Er is een aantal reagentia dat gebruikt kan worden om de gasvormige
producten die ontstaan bij de verbranding van de brandstof in de
scooter aan te tonen.
Kalkwater
Reagens op
koolstofdioxide
Kalkwater is een oplossing van calciumhydroxide. Kalkwater kan
gebruikt worden om de aanwezigheid van koolstofdioxide aan te
tonen. Om te onderzoeken of een gas koolstofdioxide is, kan dat gas
door kalkwater worden geleid. Kalkwater is een kleurloze heldere
vloeistof, als er koolstofdioxide door geleid wordt ontstaat een witte
suspensie. Hieronder is een proefopstelling met een wasfles getekend
die je kunt gebruiken om het gas aan te tonen.
Joodwater (en broomwater)
Reagens op
zwaveldioxide
Joodwater is een oplossing van de stof jood in water. Het is een
lichtgele oplossing. Joodwater is een reagens op zwaveldioxide.
7
Wanneer het zwaveldioxide door het joodwater wordt geleid wordt de
oplossing kleurloos. Voor deze proef kan eenzelfde opstelling worden
gebruikt als bij kalkwater. Broomwater is een oplossing van de stof
broom in water en kan in plaats van joodwater gebruikt worden om
zwaveldioxide aan te tonen. Ook dit gaat dan over van helder
bruin/geel naar kleurloos.
Wit kopersulfaat
Reagens op water
Het ontstaan van water kan men aantonen met wit kopersulfaat. Als
deze stof in aanraking komt met water verdwijnt de witte vaste stof en
er ontstaat een blauwe vaste stof. Bij de verbranding van het
brandstofmengsel in de motor van de scooter ontstaat waterdamp dit
moet eerst vloeibaar gemaakt worden. Om de waterdamp te laten
condenseren kun je de wasfles in een bakje ijs plaatsen. Zie
onderstaande opstelling.
Saltzman reagens
Reagens op
stikstofoxides
De stikstofoxides die ontstaan kun je aantonen met het Saltzman
reagens. Dit is een kleurloze vloeistof waar drie verschillende stoffen
in zijn opgelost. Als stikstofoxiden door deze oplossing worden geleid
krijgt de vloeistof een rozerode kleur. Dit reagens wordt ook het NO xreagens genoemd.
8
Theorieblad 3
Fossiele brandstof en luchtverontreiniging
Fossiele
brandstoffen
Fossiele brandstoffen zijn koolstofverbindingen die zijn ontstaan
als resten van plantaardig en dierlijk leven uit het geologisch
verleden van de aarde.
Vooral in het Carboon maar ook in andere tijdperken zijn deze fossiele
brandstoffen onder hoge druk en temperatuur in het binnenste van de
aarde ontstaan. Tot de fossiele brandstoffen rekenen we aardolie,
aardgas, steenkool en bruinkool.
Fossiele brandstoffen worden door de mens gedolven en gewonnen
als energiebron, en de voorraden ervan zijn beperkt en zullen ooit
opraken. Deze vorm van zonne-energie, miljoenen jaren geleden
opgeslagen in koolstofverbindingen, wordt de laatste eeuwen vele
malen sneller opgemaakt dan aangevuld.
Aardolie
Aardolie wordt op veel plaatsen in de wereld gevonden. Op sommige
plekken is de druk in de oliereserve zo hoog dat de olie vanzelf uit de
grond spuit wanneer er een gat is geboord. Op andere plekken moet
de aardolie worden opgepompt.
Aardgas
Aardgas wordt vaak gevonden in aardolievelden, mar ook in
afzonderlijke lagen.
Steenkool
Bruinkool
Steenkool is een fossiele brandstof die over de hele wereld te vinden
is en het is een belangrijke energiebron voor elektriciteitscentrales en
industriële processen, bijvoorbeeld bij de productie van ijzer in de
hoogovens.
Bruinkool is een fossiele brandstof en wordt gebruikt voor
huisverwarming maar vooral voor elektriciteitsopwekking.
Bruinkool heeft een hoog zwavelgehalte. Verbranding van bruinkool in
verouderde elektriciteitscentrales (vooral in Oost Europa) draagt
daarom bij aan zure regen.
Bruinkool is te vinden op dieptes van 100 tot 500 m onder het
aardoppervlak en wordt daarom meestal in dagbouw gewonnen.
Milieuproblemen door verbranding.
Uitlaatgassen
scooter
De uitlaatgassen van de scooter bestaan hoofdzakelijk uit stikstof,
zuurstof (lucht is in overmaat), koolstofdioxide en waterdamp.
Daarnaast bevatten ze in kleinere concentraties de volgende gassen:
 stikstofmono-oxide
9


koolstofmono-oxide
koolwaterstoffen
Stikstofmono-oxide.
Tijdens verbrandingsprocessen worden hoge temperaturen bereikt. Dit
heeft boven 1100 0C tot gevolg dat in geringe mate een nevenreactie
kan optreden, namelijk de reactie tussen stikstof (uit de lucht) en
zuurstof.
N2 (g) + O2 (g)  2 NO (g)
Stikstofoxides NOx
Verzuring
Koolstofmono-oxide
Koolwaterstoffen
Katalysator
Het gevormde stikstofmono-oxide is een giftig gas, dat onder bepaalde
omstandigheden opnieuw met zuurstof kan reageren onder vorming
van stikstofdioxide, NO2. Beide gassen worden dikwijls samen
aangeduid als stikstofoxide, met als molecuulformule NOx.
Stikstofoxide reageert in de atmosfeer verder tot salpeterzuur, HNO3.
Deze stof draagt ook een flink steentje bij aan de verzuring van het
regenwater. Om de zure regen terug te dringen, moeten de
uitlaatgassen dus ontdaan worden van stikstofoxides.
Koolstofmono-oxide.
Dit gas ontstaat door onvolledige verbranding van koolwaterstoffen.
Het is erg giftig voor mensen en dieren, maar het heeft, voorzover nu
bekend, geen directe schadelijke invloed op het milieu in zijn
algemeenheid. In de atmosfeer reageert CO namelijk tot
koolstofdioxide.
Koolstofmono-oxide blijkt wel een groter probleem te vormen dan men
aanvankelijk dacht. Deze enorme uitstoot op “leefniveau” heeft grote
invloed op de kwaliteit van de lucht die wij inademen
Koolwaterstoffen.
De koolwaterstoffen bestaan uit brokstukken van gedeeltelijk
verbrande “benzinemoleculen”. Hun aanwezigheid is het gevolg van
het niet helemaal goed verlopen van het verbrandingsproces. De
koolwaterstoffen tasten in combinatie met koolstofmono-oxide de
kwaliteit van de lucht op inademingniveau aan.
De katalysator
In de motor van een scooter en een auto vinden verbrandingsreacties
plaats. Hierbij reageren koolwaterstoffen met zuurstof uit de lucht,
waarbij koolstofdioxide en water ontstaan. Zonder katalysator (zie
theorieblad 1) bevatten de uitlaatgassen ook nog:
 koolstofmono-oxide
 onverbrande koolwaterstoffen, voorgesteld als CxHy ( x en y
kunnen verschillende getallen zijn)
10

een aantal stikstofoxiden, voorgesteld als NOx ; deze ontstaan
door de hoge temperatuur in de motor uit stikstof en zuurstof
Deze stoffen zijn schadelijk voor het milieu.
Katalysator in de
scooter
Bij een scooter en een auto met een katalysator in de uitlaat, zorgt
deze katalysator ervoor dat CO, CxHy en NOx worden omgezet in
stikstof, koolstofdioxide en waterdamp voor ze de uitlaat verlaten.
Reacties die verlopen zijn bijvoorbeeld:
2 NO + 2 CO → N2 + 2 CO2
2 C8H18 + 25 O2  16 CO2 + 18 H2O
Katalysatoren die in je lichaam zorgen voor het verlopen van
bijvoorbeeld de verbrandingsreacties van voedsel, worden enzymen
genoemd.
Broeikaseffect
Ontstaan
broeikaseffect
Broeikaseffect
Het broeikaseffect is een natuurlijk proces dat er voor moet zorgen dat
de aarde warm blijft, het is te vergelijken met een broeikas die wordt
gebruikt voor tuinbouw, waarbij de buitenkant van de kas zo is
samengesteld dat de zonnestralen in de kast worden vastgehouden
om de planten te verwarmen.
Ontstaan
Het broeikaseffect werkt dus als volgt. Een zonnestraal valt de
dampkring binnen en 'botst' met het aardoppervlak. De warmte van de
straal wordt grotendeels door het oppervlak geabsorbeerd waardoor
op een zomerdag het terras bijvoorbeeld heel warm kan zijn. Een klein
deel van de straal wordt echter teruggekaatst, deze straal gaat door de
11
dampkring terug naar de ruimte. Onderweg door de dampkring komt
de straal echter de moleculen van de broeikasgassen tegen die ook
weer een deel van de warmte absorberen, hierdoor wordt de aarde
met een soort dekentje verwarmd, waardoor organismen (mensen,
dieren en planten) kunnen leven.
Broeikasgassen
Versterkt broeikaseffect
Gevolgen versterkt
broeikaseffect
Broeikasgassen
Bij de aarde zijn het stoffen in de dampkring die er voor zorgen dat de
warmte wordt vastgehouden, deze stoffen worden broeikasgassen
genoemd. Een paar voorbeelden van broeikasgassen zijn
bijvoorbeeld koolstofdioxide (CO2), dit komt in grote hoeveelheden
vrij bij verbranding, methaan(CH4) dit ontstaat bij gaslekken en uit
rottend afval, Cfk’s, stikstofdioxide (NO2) dit maakt onderdeel uit van
de uitlaatgassen en ozon (O3).
De broeikasgassen zijn dus in staat om de warmte in de atmosfeer te
houden. Hoe meer broeikasgassen er zijn, hoe meer warmte er ook
kan worden vastgehouden. De afgelopen decennia zijn er steeds meer
broeikasgassen in de atmosfeer gekomen, bijvoorbeeld door de
uitstoot van koolstofdioxide (CO2).
Niet alleen de stijging van de hoeveelheid broeikasgassen is een
oorzaak van dit versterkte broeikaseffect, ook het kappen van grote
stukken (regen)woud is indirect oorzaak. Sinds 1750 is de hoeveelheid
koolstofdioxide in de atmosfeer met maar liefst 30% toegenomen.
Gevolgen broeikaseffect
Veel wetenschappers voorspellen dat door het versterkte
broeikaseffect de aarde steeds warmer wordt, dit heeft als gevolg dat
de ijskappen op de noord- en zuidpool grotendeels smelten en dat het
zeeniveau stijgt. Grote delen land zullen overstromen en er zal veel
minder bewoonbaar land zijn, wat weer problemen geeft met
overbevolking. Een ander mogelijk gevolg is de verandering van het
klimaat, de gemiddelde temperatuur stijgt en er ontstaan daardoor
steeds meer en grotere woestijnen. Hoever deze gevolgen gaan is niet
duidelijk, wetenschappers zijn het niet met elkaar eens over de mate
waarop de mens invloed heeft op de klimaatverandering en in
hoeverre de gevolgen ook plaatshebben. Wel is duidelijk dat de aarde
warmer wordt en dat de mens hier waarschijnlijk verantwoordelijk voor
is.
12