kennismakings- hoofdstuk kenn h 3 3
advertisement
564555 3 V WO - g ym n a si um VWO | gymnasium akingskennismdstuk hoof 3 V WO | gymna sium SCHEIKUNDE sch e i kunde HAVo 3 s c h e iku nde HAVO akingsm s i n n ke uk hoofdst 3 V WO - g ym n a si um 564555 Hartelijk dank voor uw interesse in de nieuwe editie van Nova Scheikunde voor leerjaar 3 havo|vwo|gymnasium. In dit katern maakt u aan de hand van hoofdstuk 2 kennis met Nova Scheikunde. Vanaf schooljaar 2016-2017 kunt u werken met de nieuwe editie van Nova Scheikunde voor leerjaar 3. In dit kennismakingshoofdstuk, voor zowel havo als vwo|gymnasium, kunt u duidelijk de verschillen zien met de voorgaande editie. Tevens kunt u de niveaus op deze manier goed met elkaar vergelijken. Dit leeropdrachtenboek is vanaf april 2016 beschikbaar zijn en wordt aan u nagestuurd. U heeft inmiddels de proeflicentie voor de digitale oefenomgeving per mail ontvangen. Mocht u deze nog niet hebben gekregen neemt u dan contact op met de afdeling Klantenservice via (073)6288766 of stuur een mail naar [email protected] Kijk voor meer informatie op www.nova-malmberg.nl scheikunde Dit katern is bedoeld om u een indruk te geven van de nieuwe editie van Nova Scheikunde. Er kunnen nog fouten of onduidelijkheden in voorkomen. DIT IS NOVA SCHEIKUNDE Haal het beste uit elke leerling met de nieuwe editie van Nova Scheikunde onderbouw, leerjaar 3. De nieuwe editie biedt de vertrouwde en sterk gestructureerde basis die u van Nova gewend bent. De methode biedt aandacht voor excellentie, inhoudelijke diepgang, differentiatie, structuur en uitdaging. De nieuwe digitale leeromgeving geeft inzicht én overzicht in het leerproces voor zowel docent als leerling. Nova haalt het beste uit elke leerling De beste aansluiting op de bovenbouw • Nova Scheikunde biedt leerlingen de diepgang die u van onze methode gewend bent. • Leerlingen worden uitgedaagd met pittige plusopgaven. • U vindt bij elk hoofdstuk een praktijkartikel met nadruk op praktische toepasbaarheid in havo en op onderzoek in vwo|gymnasium zodat leerlingen de relevantie van het vak gaan zien. • Leerlingen oefenen vaardigheden, zoals het opstellen van reactievergelijkingen, met digitale V-trainers. • Leerlingen worden optimaal ondersteund door meer oefenmogelijkheden op maat in de digitale leeromgeving. • Toetssystematiek maakt zwakke plekken zichtbaar vóór het proefwerk. • Er is specifieke aandacht voor leesvaardigheid door middel van een leesvaardigheidstrainer. • Bewezen didactisch concept en doorlopende leerlijn: in leerjaar 3 een praktijk- en een theoriedeel dat leerlingen voorbereidt op het PTM-concept vanaf leerjaar 4. • Alle opgaven ingedeeld volgens TIMSS taxonomie (en Bloom). • Nova is de énige methode die Micro-Meso-Macrodenken al introduceert in leerjaar 3 (vwo). • Door de pittige plusopgaven worden leerlingen geënthousiasmeerd voor de bovenbouw. MICRO-MESO-MACRO-DENKEN AL IN LEERJAAR 3 De nieuwe editie van Nova sluit perfect aan op de bovenbouw. Vanaf leerjaar 3 wordt de leerling op het vwo vertrouwd gemaakt met het Micro-Meso-Macrodenken. Havo-leerlingen worden via het deeltjesmodel bekend gemaakt met het hele kleine en het zichtbare. Vanzelfsprekend komen stofeigenschappen daarbij aan bod. De termen micro en macro worden in leerjaar 3 havo nog niet geïntroduceerd. Nova brengt stof tot leven • Het praktijkdeel per hoofdstuk laat de relevantie van het vak zien. • In de bovenbouw wordt het maatschappijdeel toegevoegd. Met we de nieu ova van N editie eeft unde h Scheik sstof en le u álle itaal ten dig h c a r d op baar! beschik Voor u als docent Malmberg biedt docenten een flexibel aanbod aan materialen, omdat we élke docent willen helpen het beste uit zijn leerlingen te halen. Dus of u nu het liefst werkt met het leeropdrachtenboek, de digitale leeromgeving of een combinatie van beide: Nova helpt u sámen excelleren. Méér tijd… • • • • Nova heeft een hoge mate van zelfwerkzaamheid Automatisch nakijken via digitale verwerking Directe feedback via digitale verwerking (bespaart uitlegwerk) Voorkennistoets laat u direct zien waar uw leerlingen staan en mogelijkheden om les te geven zoals u dat wilt! • Door middel van het docentendashboard geeft Nova u snel en gemakkelijk inzicht én overzicht in de leerprocessen van uw leerlingen. • Actief differentiëren door een duidelijk verschil in leerstofopdrachten en andere opdrachten (zoals toepassing en plus) en toetssystematiek (inzicht in verhaal achter het cijfer). • Variëren in lesvormen door digitale omgeving en PT(M)-concept. Compleet nieuwe digitale leeromgeving Altijd en overal toegankelijk op élk device! • Meer inzicht én resultaten door het docentendashboard: u ziet in één oogopslag hoe uw klas ervoor staat en welke leerlingen voorlopen of achterblijven. • Gesloten vragen worden automatisch nagekeken en verwerkt in het docentendashboard. • Meer aandacht voor vaardigheden door middel van de handige V-trainers! Uw leerlingen oefenen onder andere het maken van reactievergelijkingen, het rekenen aan massaverhoudingen, het maken van wetenschappelijke notaties, mol-rekenen en het omrekenen van eenheden. Nova motiveert leerlingen écht! Het LAKS heeft in 2015 gesproken met 300 leerlingen over motivatie. Daaruit is een aantal zaken naar voren gekomen die naadloos aansluiten bij de methode Nova. “Vertel duidelijk waarom” Nova voegt met de praktijkdelen context aan de theorie toe, zodat leerlingen de relevantie van het vak beleven. Bovendien laat Nova zien wat je met de lesstof in het dagelijks leven en na de middelbare-schooltijd kunt doen. “Varieer met werkvormen” Nova biedt verschillende werkvormen, variërend van digitaal of boek tot klassikaal, individueel en groepsopdrachten. “Beloon goede inzet” Nova geeft helder inzicht en overzicht in de voortgang van het leerproces, zodat er optimaal ingespeeld kan worden op de resultaten van de (individuele) leerlingen. • Leerlingen kunnen extra oefenen in de digitale omgeving: als een leerling meer vragen nodig heeft, reikt het systeem deze aan. Zo krijgt élke leerling aandacht op zijn niveau. • Leerlingen krijgen directe feedback zodat ze leren hoe ze de volgende keer het juiste antwoord kunnen geven. Nova © Uitgeverij Malmberg H8 Stoffen en hun eigenschappen Voorwoord Nova bestaat uit een leeropdrachtenboek, een digitale omgeving, een uitwerkingenboek, een practicumboek en een TOA-handleiding. In het leeropdrachtenboek vind je alle stof die je moet leren. Na elke paragraaf staan opgaven die je helpen om de leerstof te onthouden en toe te passen. De opgaven zijn opgesplitst in leerstofvragen, die vaak letterlijk in de theorie staan, en toepassingsvragen. Sommige opgaven zijn met een * gemerkt. Die zijn in het algemeen iets moeilijker. Elk hoofdstuk wordt afgesloten met een aantal proeven (de Practicum-paragraaf), met een paragraaf Oefenen voor de toets en met een praktijkartikel. Bovendien wordt in hoofdstuk 7 uitgelegd welke vaardigheden je bij het vak scheikunde nodig hebt. Met de V-trainer in de digitale omgeving kun je vaardigheden oefenen. Basisstof en praktijk De meeste leerstof in het boek werk je samen met de hele klas door. Dit is de basisstof die alle leerlingen moeten kennen. Aan het einde van elk hoofdstuk staat een praktijkartikel waarin een deel van de leerstof in een situatie uit het dagelijks leven of de wetenschap wordt besproken. Daarbij staan ook enkele opgaven. Zelfstandig werken Met Nova kun je goed zelfstandig werken. Je kunt de opgaven alleen of met een groepje maken, een proef doen of jezelf overhoren met Oefenen voor de toets en met de digitale vragen in Test Jezelf. Je zult ook af en toe uitleg krijgen met de hele klas. Als je zelfstandig werkt, is het handig om een planning te maken. We hopen dat je met plezier met dit boek en met de andere onderdelen van de methode zult werken. Veel succes! De auteurs Nova © Uitgeverij Malmberg Inhoudsopgave Voorwoord 1 3 3 Rekenen aan reacties Theorie Materialen en stoffen Theorie 1 Materialen 8 1 Productieproces 92 2 Energie 98 3 Reactiesnelheid 104 2 Stoffen 14 4 Reactievergelijkingen 110 3 Scheidingsmethoden 22 5 Practicum 116 4 Stoffen verhitten 28 5 Practicum 32 6 Oefenen voor de toets 40 6 Oefenen voor de toets 122 Vanaf hoofdstuk 4 leerroute voor bèta- en voor alfa-leerlingen Praktijk (schema in docentenhandleiding) 7 De ruimte in 124 Praktijk 7 De plastic auto komt eraan 2 44 4 Brandstoffen Theorie Chemische reacties Theorie 1 Fossiele brandstoffen 130 2 Koolstofverbindingen 136 1 Ontledingsreacties 50 3 Energie uit brandstoffen 142 2 Moleculen en atomen 57 4 Brandstoffen en milieu 148 3 Verbrandingsreacties 65 5 Practicum 154 4 Reactievergelijkingen 72 6 Oefenen voor de toets 160 5 Practicum 80 6 Oefenen voor de toets 85 Praktijk 7 Bestaat er brandveilige kleding? Praktijk 7 De chemie achter vuurwerk 88 162 Nova © Uitgeverij Malmberg H8 Stoffen en hun eigenschappen 5 7 Metalen en kunststoffen Theorie Vaardigheden 1 Metalen 168 1 Algemene veiligheidsvoorschriften 244 2 Kunststoffen om je heen 174 245 3 Kunststoffen in soorten en maten 180 4 Recycling 186 2 Werken met de brander Afronden, rekenen met 3 Omgaan met glaswerk formules, machten van 10 4 Werken met stoffen 5 Practicum 192 5 Blokschema’s maken 249 6 Oefenen voor de toets 198 6 Rekenvaardigheden 250 Praktijk 7 Geheugenmaterialen 6 246 248 Periodiek systeem 253 Trefwoordenregister 254 Colofon 256 200 Voeding en verzorging Theorie 1 Productie van voedsel 206 2 Voedingsstoffen 212 3 Persoonlijke verzorging Nieuw! 4 Schoonmaakmiddelen 218 5 Practicum 230 6 Oefenen voor de toets 236 224 Praktijk 7 Voedsel dat voedt en geneest In aansluiting op PTM-concept bovenbouw 238 Nova © Uitgeverij Malmberg H2 Chemische reacties 48 Nova © Uitgeverij Malmberg H2 Chemische reacties 2 Volledig digitaal beschikbaar met extra oefenopgaven Chemische reacties Chemische reacties kom je overal tegen. Bijvoorbeeld als je thuis een tosti maakt of een eitje bakt. Maar wat gebeurt daarbij met die beginstoffen? Hoe kun je de veranderingen aan die beginstoffen verklaren? Daartoe maak je gebruik van een modelvoorstelling die gaat over moleculen en atomen. 1 Ontledingsreacties Meer verdieping bij 50 verbrandingsreacties 2 Moleculen en atomen 57 3 Verbrandingsreacties 65 4 Reactievergelijkingen 72 5 Practicum 80 6 Oefenen voor de toets Eerdere introductie85van reactievergelijkingen 7 Praktijk | De chemie achter vuurwerk 49 88 Nova © Uitgeverij Malmberg H2 Chemische reacties 1 Ontledingsreacties Hamburgers bakken op een barbecue is bij mooi weer een gezellig gebeuren. Als de hamburger echter te lang op de barbecue blijft liggen, krijgt hij een zwarte korst. De hamburger is dan ‘aangebrand’. Maar wat is ‘aanbranden’? Ontledingsreacties ▲ figuur 1 De zwarte rand aan het aangebrande brood is koolstof. Bij een chemische reactie verdwijnen de beginstoffen en worden er nieuwe stoffen gevormd. Die nieuwe stoffen noemen we reactieproducten. De reactieproducten hebben heel andere stofeigenschappen dan de beginstoffen. Bij een bepaald type chemische reactie worden uit één beginstof meerdere reactieproducten gevormd. Dit type reactie noemen we een ontledingsreactie. Er zijn drie manieren waarop een ontledingsreactie kan plaatsvinden: thermolyse, elektrolyse en fotolyse. Hierbij worden verschillende vormen van energie aan de ontledingsreactie toegevoerd. Thermolyse Proef 1 Thermolyse is een ontledingsreactie door middel van warmte. Sommige stoffen ontleden al bij een vrij lage temperatuur, voor andere stoffen is een temperatuur van meer dan 1000 °C nodig. De temperatuur waarbij een stof ontleedt, noemen we de ontledingstemperatuur. Bij het verwarmen van stoffen als hout, papier, katoen en suiker treedt verkoling op (figuur 1). Stoffen die bij verhitting zonder zuurstof verkolen, heten organische stoffen. Een van de reactieproducten is dan koolstof. Naast koolstof ontstaan ook nog water, (brandbare) gassen en rook. Het reactieschema van de verkoling van bijvoorbeeld hout is: hout warmte koolstof + water + gassen + rook Elektrolyse Proef 2 ▲ figuur 2 Bauxiet (a) is de grondstof voor aluminium (b). Stoffen kunnen ook worden ontleed met behulp van elektrische energie. Een ontledingsreactie door middel van gelijkstroom (elektrische energie) heet elektrolyse. Om stoffen te kunnen elektrolyseren, moeten ze eerst worden gesmolten of worden opgelost in water, want alleen dan kan stroomgeleiding plaatsvinden. Aluminium wordt geproduceerd uit bauxiet, een erts dat voor 50 massa% bestaat uit aluminiumoxide, ook wel aluinaarde genoemd. Eerst wordt het aluminiumoxide gescheiden van de rest. Daarna wordt het aluminiumoxide in gesmolten toestand via een elektrolyseproces omgezet in aluminium en zuurstof. In een reactieschema: aluminiumoxide 50 elektrische energie aluminium + zuurstof H2 Chemische reacties Nova © Uitgeverij Malmberg Verwijzing naar practica §1 Ontledingsreacties Fotolyse Proef 3 Een derde manier om stoffen te ontleden maakt gebruik van (zon)licht. Fotolyse is een ontledingsreactie door middel van licht. Om ontleding door licht tegen te gaan, moet je dergelijke stoffen in het donker bewaren. Wanneer je bij de drogist een flesje mondspoelmiddel koopt, dan zit dat meestal in een bruin flesje. In het mondspoelmiddel zit waterstofperoxide, dat als ontsmettingsmiddel werkzaam is. Het zit in een bruin flesje, omdat waterstofperoxide kan ontleden onder invloed van licht. Er ontstaan dan water en zuurstof. waterstofperoxide licht water + zuurstof Er zijn meer stoffen die ontleden als ze te lang aan licht worden blootgesteld. Ook hierbij treedt fotolyse op (figuur 3). ▶ figuur 3 De rozen op het schilderij ‘De tuin van Daubigny’ van Vincent van Gogh hadden oorspronkelijk een rode kleur. Het huis op de achtergrond was roze. Elektrolyse van water Proef 4 Als je water verwarmt tot 100 °C, gaat het koken; er ontstaat dan waterdamp. Als de waterdamp afkoelt, condenseert deze weer tot vloeibaar water. Dit is een fase-overgang. Toch kun je water ook ontleden. Het gemakkelijkst gaat dit met behulp van gelijkstroom (figuur 4). Dit proces vindt al bij kamertemperatuur plaats. ▶ figuur 4 Met het toestel van Hofmann kun je water ontleden. 51 Nova © Uitgeverij Malmberg H2 Chemische reacties §1 Ontledingsreacties Met het toestel van Hofmann kan water worden ontleed door elektrolyse. Hierbij ontstaan de gassen waterstof en zuurstof (figuur 4). water water elektrische energie waterstof + zuurstof Waterstof elektrolyse waterstof zuurstof Het gas waterstof heeft de kleinste dichtheid van alle stoffen; het is een zeer brandbaar gas. Je kunt waterstof aantonen door het op te vangen in een omgekeerde reageerbuis. Als je bij de opening van die reageerbuis een brandende lucifer houdt, hoor je een zacht blafgeluid, een fluittoon of een harde knal. Bij deze aantoningsreactie reageert waterstof met zuurstof, waarbij weer water ontstaat (figuur 5). waterstof + zuurstof g water aansteken ▲ figuur 5 water ontleden en water maken Zuurstof Zuurstof kun je aantonen door bij het vrijkomende gas een gloeiende houtspaander te houden. In zuivere zuurstof gaan verbrandingsreacties veel feller en sneller dan in lucht. Hierdoor zal de houtspaander fel opgloeien of zelfs gaan branden (figuur 6). Ontleedbare stoffen Er zijn ontzettend veel verschillende stoffen, ruim negentig miljoen! En gemiddeld wordt er elke twee tot drie seconden ergens op de wereld een nieuwe stof bijgemaakt in een laboratorium. Bijna alle stoffen behoren tot de ontleedbare stoffen, ook wel verbindingen genoemd. Suiker, hout, water, keukenzout en aspirine zijn enkele voorbeelden van ontleedbare stoffen. Niet-ontleedbare stoffen De ontledingsproducten waterstof en zuurstof, die bij de elektrolyse van water ontstaan, kun je op geen enkele manier verder ontleden. Bij de thermolyse van suiker ontstaat onder andere koolstof. Ook koolstof kun je niet verder ontleden. De andere stoffen die vrijkomen bij de ontleding van suiker, zijn nog wel verder te ontleden. De volledige ontleding van suiker levert ten slotte drie stoffen op, namelijk koolstof, waterstof en zuurstof. ◀ figuur 6 In zuivere zuurstof gloeit een houtspaander heel fel. 52 Nova © Uitgeverij Malmberg H2 Chemische reacties §1 Ontledingsreacties Door stoffen steeds zo ver mogelijk te ontleden, krijg je uiteindelijk stoffen die niet meer ontleedbaar zijn. In totaal zijn er circa honderdtwintig van zulke niet-ontleedbare stoffen. Niet-ontleedbare stoffen heten ook wel elementen (figuur 7). De elementen zijn onder te verdelen in metalen en niet-metalen. mengsels stoffen ontleedbare stoffen (verbindingen) scheiden ontledingsreactie zuivere stoffen niet-ontleedbare stoffen (elementen) ▶ figuur 7 het stoffenschema Metalen Het grootste deel van de elementen behoort tot de groep metalen. Metalen hebben bepaalde kenmerken gemeenschappelijk. Ze geleiden warmte en elektrische stroom goed en ze hebben een glanzend oppervlak als ze zijn gepolijst. Maar onderling verschillen ze in tal van eigenschappen. Metalen verschillen onderling in dichtheid, smeltpunt, hardheid, sterkte en in de mate van geleidend vermogen voor elektrische stroom en warmte. In tabel 1 staan enkele metalen met hun eigenschappen en toepassingen. ▼ tabel 1 enkele metalen met hun eigenschappen en toepassingen naam eigenschappen toepassingen goud Goud is een van de langst bekende metalen. Het is gemakkelijk te bewerken en reageert nauwelijks met andere stoffen: het is een edelmetaal. Het heeft een karakteristieke kleur en glans. – sieraden – valutametaal – versiering (bladgoud) – kronen in de tandheelkunde titaan Titaan is een licht, maar sterk metaal. Het is bestand tegen hoge temperaturen en nauwelijks gevoelig voor invloeden van buitenaf. – implantaten – constructies – sieraden koper Koper is een zeer goede geleider voor warmte en elektriciteit. Het is een metaal met een karakteristieke kleur. Onder invloed van zuurstof en koolstofdioxide kan koper reageren tot het groengekleurde kopercarbonaat. – elektriciteitsdraad – instrumenten – daken – beelden – pannen – muntgeld ijzer IJzer is het meest voorkomende metaal. Het is gemakkelijk te verwerken tot allerlei voorwerpen. Het is magnetisch. IJzer roest onder invloed van water en zuurstof. Meestal wordt ijzer verwerkt tot staal. – constructies (bruggen, gebouwen) – fietsen – spijkers – magneten 53 Nova © Uitgeverij Malmberg H2 Chemische reacties §1 Ontledingsreacties Niet-metalen De overige niet-ontleedbare stoffen behoren tot de groep niet-metalen. Ze vertonen geen of weinig gemeenschappelijke kenmerken. Sommige zijn gasvormig, zoals zuurstof, stikstof, chloor en helium. Broom is bij kamertemperatuur een vloeistof. Stoffen als koolstof, silicium, zwavel en jood zijn vaste stoffen. In tabel 2 zie je enkele eigenschappen en toepassingen van niet-metalen. ▼ tabel 2 enkele niet-metalen met hun eigenschappen en toepassingen naam eigenschappen toepassingen koolstof Vaste stof, komt voor in diverse verschijningsvormen; de meest bekende zijn grafiet en diamant. De eigenschappen van de verschijningsvormen van koolstof variëren sterk: diamant is zeer hard, grafiet geleidt stroom. Een nieuwe vorm van koolstof is grafeen. – houtskool – diamant – grafiet (potloden) – in staal waterstof Gas, lichtste stof die er is. Zeer brandbaar en explosief. Kleinste dichtheid. Waterstof kan worden gemaakt uit water door elektrolyse of via chemische reacties. – snijbrandstof – schone brandstof voor auto’s neon Een reukloos gas dat nergens mee reageert en daarom tot de edelgassen wordt gerekend. – reclameverlichting – koelvloeistof silicium Een vaste stof die een beetje lijkt op een metaal, maar die toch tot de niet-metalen wordt gerekend. Geleidt stroom. – zonnecellen – micro- en nanochips Opgaven opgenomen in theorieboek opgaven Leerstof Alle opgaven zijn ingedeeld naar TIMSS- en Bloom-taxonomie 1 Ontledingsreacties kunnen onder invloed van verschillende factoren plaatsvinden. Wat versta je onder de volgende begrippen? a thermolyse b elektrolyse c fotolyse 2 Beschrijf hoe je de volgende stoffen kunt aantonen. a zuurstof b waterstof 3 Koper en zilver zijn beide metalen. a Noem drie stofeigenschappen die koper en zilver gemeenschappelijk hebben. b Noem drie stofeigenschappen waarin koper en zilver van elkaar verschillen. 54 Nova © Uitgeverij Malmberg H2 Chemische reacties §1 Ontledingsreacties Toepassing 4 Is de ontledingstemperatuur een stofeigenschap? Licht je antwoord toe. 5 Geef voor elk van de volgende processen aan of het gaat om een fase-overgang, een scheiding, een ontledingsreactie of een andere chemische reactie. a Je brengt leidingwater aan de kook. Het water verdampt. b Wanneer al het leidingwater is verdampt, houd je kalkaanslag over. c Je verwarmt de vaste stof natriumchloride tot deze vloeibaar wordt. d Het gesmolten natriumchloride wordt via elektrolyse omgezet in natrium en chloor. e Na het toevoegen van natrium aan water treedt een heftige reactie op, waarbij het natrium gaat branden en er een bijtende oplossing ontstaat. 6 Een chemische reactie is soms een ontledingsreactie. Welk soort ontledingsreactie is er in elk van de volgende gevallen opgetreden? a Een tosti komt zwartgeblakerd uit het tosti-ijzer. b Gordijnen die lang in de zon hangen, verbleken. c Tijdens het strijken met een te heet strijkijzer ontstaan schroeivlekken. 7 Kalksteen is een witte vaste stof met als wetenschappelijke naam calciumcarbonaat. Kalksteen heeft een smeltpunt van 1339 °C en een ontledingstemperatuur van 889 °C. Bij het ontleden ontstaan de vaste stof calciumoxide en het gas koolstofdioxide. a Wordt kalksteen vloeibaar als je het sterk verhit? Licht je antwoord toe. b Geef het reactieschema voor de ontleding van kalksteen. c Leg uit welk type ontledingsreactie optreedt bij verhitting van kalksteen. 8 Houtskool bestaat voornamelijk uit het niet-ontleedbare koolstof. Het kan worden gemaakt door hout te verhitten. Hierbij mag geen zuurstof aanwezig zijn. a Hoe heet het proces waarbij koolstof ontstaat door het verhitten van hout? b Leg uit waarom er geen zuurstof aanwezig mag zijn. 9 Een rode vaste stof wordt in een reageerbuis verhit. Aan de wand van de buis ontstaan zilverkleurige druppeltjes kwik, die samenvloeien tot één grote kwikdruppel. Als je een brandende lucifer bij het uiteinde van de buis houdt, gaat deze feller branden. a Welk gas is er in de reageerbuis gevormd? b Hoe heet het type reactie dat in de reageerbuis is opgetreden? c Geef het schema van de reactie die optreedt als de rode stof wordt verhit. 55 Nova © Uitgeverij Malmberg H2 Chemische reacties §1 Ontledingsreacties 10 In figuur 8 zie je een elektrolyseopstelling. De twee elektroden zijn aangesloten op een spanningsbron. Na een tijdje is de ballon gevuld met gas. Als je een brandende lucifer bij de ballon houdt, ontploft deze met een harde knal. a Welk gas zit er in de ballon? b Welke reactie vindt plaats als je de brandende lucifer bij de ballon houdt? c Geef het reactieschema van deze reactie. ▲ figuur 8 elektrolyseopstelling 11 Geef een voorbeeld van een ontledingsreactie waarbij uit een verbinding: a twee niet-ontleedbare stoffen ontstaan. b naast een niet-ontleedbare Plusopgaven voor extra stof ook nog een verbinding ontstaat. diepgang 12 Lucht is een mengsel van een aantal gassen. a Welke niet-ontleedbare stoffen komen voor in lucht? b Noem twee ontleedbare stoffen die in lucht voorkomen. *13 De planeet Mars dankt zijn bijnaam ‘de rode planeet’ aan de rode laag regoliet waarmee zijn oppervlak is bedekt (figuur 9). Het Marsregoliet bestaat voornamelijk uit ‘roeststof’, oftewel ijzeroxide. Dit is ontstaan door de verpulvering (ten gevolge van meteorietinslagen) en verwering van stenen en mineralen, zoals magnetiet en maghemiet. De ijzeroxiden in het regoliet kunnen ook een rol spelen bij de afbraak van organisch materiaal. Stoffen als ijzeroxide versnellen namelijk de ontleding van waterstofperoxide. Daarbij spelen ook superoxiden een rol. Superoxiden reageren met water tot onder andere waterstofperoxide en zuurstof. a Geef het reactieschema van de ontleding van waterstofperoxide. b Geef het reactieschema van de vorming van waterstofperoxide uit superoxiden. c Is dit een ontledingsreactie? Licht je antwoord toe. ▲ figuur 9 Mars, de rode planeet 56 Nova © Uitgeverij Malmberg H2 Chemische reacties 2 Moleculen en atomen Bij een chemische reactie verdwijnen de beginstoffen en worden nieuwe stoffen gevormd. Om beter te begrijpen wat er bij een chemische reactie gebeurt, kun je gebruikmaken van een deeltjesmodel voor stoffen. Het deeltjesmodel Elke stof heeft zijn eigen kenmerkende stofeigenschappen. Veel eigenschappen van stoffen zijn te verklaren door een vereenvoudigd deeltjesmodel te gebruiken. Het vereenvoudigde deeltjesmodel ziet er als volgt uit: – Elke stof is opgebouwd uit heel kleine deeltjes, moleculen genoemd. – Elke stof heeft zijn eigen soort moleculen. Een molecuul water is anders dan een molecuul alcohol. – Moleculen bewegen voortdurend. Bij een hogere temperatuur bewegen de moleculen sneller. – Tussen moleculen onderling heersen aantrekkende krachten. Deze worden vanderwaalskrachten genoemd. Het deeltjesmodel voor zuivere stoffen en mengsels ▼ figuur 10 een mengsel scheiden in zijn bestanddelen op waarneembaar niveau en op deeltjesniveau In een zuivere stof is maar één soort moleculen aanwezig. In een mengsel zitten verschillende molecuulsoorten door elkaar. Bij het scheiden van een mengsel sorteer je de moleculen, soort bij soort. Figuur 10 laat zien dat je strooizout op waarneembaar niveau kunt scheiden in de bestanddelen zand en zout. Met behulp van het deeltjesmodel kun je je een voorstelling maken van het sorteren van de moleculen. waarneembaar niveau deeltjesmodel beschrijving op deeltjesniveau Op waarneembaar niveau kan strooizout, een mengsel van zand en zout, worden gescheiden in zuivere stoffen. Op deeltjesniveau zitten de moleculen in een mengsel door elkaar heen. Twee gescheiden zuivere stoffen: Op deeltjesniveau worden bij het scheiden de moleculen in het mengsel ‘gesorteerd’ in aparte groepen, waarbij elke groep uit één soort moleculen bestaat. zand zout 57 Nova © Uitgeverij Malmberg H2 Chemische reacties §2 Moleculen en atomen Het deeltjesmodel en de drie fasen Introductie van deeltjesdenken ter voorbereiding van micromeso-macro in leerjaar 4 ▼ figuur 11 de drie fasen van water op waarneembaar niveau en op deeltjesniveau Tussen moleculen onderling heersen aantrekkende krachten die we vanderwaalskrachten noemen. Als de vanderwaalskrachten groter zijn dan de bewegingsenergie van die moleculen, blijven de moleculen op een vaste plaats trillen. De stof is dan in de vaste fase. Als door temperatuurstijging de bewegingsenergie toeneemt, verliezen de moleculen hun vaste plaats en gaan op korte afstand langs elkaar heen bewegen. De stof smelt en komt in de vloeibare fase. Als de temperatuur nog verder stijgt, wordt de bewegingsenergie zo groot dat de vanderwaalskrachten helemaal worden overwonnen. De moleculen gaan dan op grote afstand van elkaar bewegen. De stof kookt en gaat over in de gasfase. In figuur 11 worden de drie fasen van water zowel op waarneembaar niveau als op deeltjesniveau en volgens het deeltjesmodel weergegeven. fase waarneembaar niveau deeltjesmodel vast ijs Vaste stoffen hebben een vaste vorm, je kunt ze niet samenpersen. Dit komt doordat de moleculen in een vaste stof elkaar zo stevig aantrekken dat ze dicht op elkaar zitten en niet van plaats kunnen wisselen. De moleculen kunnen alleen op hun eigen plaats trillen. vloeibaar water Vloeistoffen hebben geen vaste vorm, maar je kunt ze niet samenpersen. De moleculen in vloeistoffen bewegen voortdurend langs elkaar heen, maar blijven wel dicht bij elkaar. De aantrekkingskracht tussen moleculen is niet groot genoeg om ze op een vaste plaats te houden, maar wel groot genoeg om ze dicht bij elkaar te houden. gas waterdamp/stoom Gassen hebben geen vaste vorm, je kunt gassen samenpersen. In een gas zijn de aantrekkingskrachten tussen de moleculen te klein om ze bij elkaar te houden. De moleculen in een gas zijn daardoor gelijkmatig verspreid over de gehele beschikbare ruimte en bewegen alle kanten op. In een gas is er veel lege ruimte tussen de moleculen. Een gas heeft daardoor een veel kleinere dichtheid dan een vloeistof of een vaste stof. 58 beschrijving op waarneembaar en op deeltjesniveau Nova © Uitgeverij Malmberg H2 Chemische reacties §2 Moleculen en atomen Moleculen en reacties Bij een fase-overgang verandert alleen de manier waarop moleculen bewegen. De moleculen zelf veranderen niet. Bij een chemische reactie verdwijnen de beginstoffen en ontstaan er nieuwe stoffen. Dit betekent dat moleculen van de beginstoffen verdwijnen en er nieuwe moleculen, van de reactieproducten, worden gevormd. Dit kunnen we niet met het deeltjesmodel over moleculen alleen verklaren. We zullen dus een aangepast deeltjesmodel moeten gebruiken om een chemische reactie te kunnen begrijpen. Atomen Bij een ontledingsreactie worden uit één beginstof meerdere reactieproducten gevormd. Dit betekent op deeltjesniveau dat de moleculen van de beginstof worden afgebroken en er nieuwe moleculen, van de reactieproducten, worden gevormd. Dit kun je met het deeltjesmodel over moleculen alleen niet verklaren, omdat in dat model de moleculen niet veranderen. Om reacties te kunnen begrijpen, moet je dus een verfijnder deeltjesmodel gebruiken waarin moleculen uit nog kleinere deeltjes bestaan, atomen genoemd. In een molecuul zijn de atomen met elkaar verbonden door de atoombinding. Bij een chemische reactie worden de atoombindingen van de moleculen van de beginstoffen afgebroken en laten atomen van de moleculen van de beginstoffen elkaar los. Tijdens de reactie vormen deze atomen nieuwe atoombindingen met elkaar, zodat er nieuwe moleculen ontstaan. Bij een chemische reactie hergroeperen de atomen zich, er gaan geen atomen verloren en er ontstaan ook geen nieuwe atomen (figuur 12). H H O ▶ figuur 12 Tijdens de ontledingsreactie van water gaan de watermoleculen kapot en ontstaan waterstof- en zuurstofmoleculen. Alle atomen blijven behouden. H = waterstofatoom O = zuurstofatoom H O O H H O H O H H H H H O H O H H H O H O H H O H O H H H H O H Ontleedbare en niet-ontleedbare stoffen Ontleedbare stoffen worden ook wel verbindingen genoemd. Wanneer je een verbinding ontleedt, krijg je uiteindelijk niet-ontleedbare stoffen, ook wel elementen genoemd. De moleculen van een verbinding bestaan altijd uit meerdere atoomsoorten. Elementen kun je niet verder ontleden, moleculen hiervan bestaan maar uit één atoomsoort. Het begrip element heeft in de scheikunde twee betekenissen. Met element wordt zowel de niet-ontleedbare stof als de atoomsoort aangegeven. 59 Nova © Uitgeverij Malmberg H2 Chemische reacties §2 Moleculen en atomen Er zijn 118 verschillende elementen bekend, wat betekent dat er ook 118 atoomsoorten bestaan. Al deze atoomsoorten hebben een symbool van één of twee letters. De eerste letter is altijd een hoofdletter, de tweede altijd een kleine letter. Zo is het symbool voor lood Pb en niet PB of pb. Over de hele wereld worden dezelfde symbolen gebruikt voor de atoomsoorten. In tabel 3 staan de namen en symbolen van een aantal belangrijke elementen, onderverdeeld in metalen en niet-metalen. ▼ tabel 3 namen en symbolen van belangrijke elementen metalen niet-metalen naam symbool naam symbool aluminium Al argon Ar barium Ba boor B calcium Ca broom Br chroom Cr chloor Cl goud Au fluor F ijzer Fe fosfor P kalium K helium He kobalt Co jood I koper Cu koolstof C kwik Hg krypton Kr lithium Li neon Ne lood Pb silicium Si magnesium Mg stikstof N mangaan Mn waterstof H natrium Na zuurstof O nikkel Ni zwavel S platina Pt tin Sn titaan Ti uraan U zilver Ag zink Zn Molecuulformules Moleculen kun je weergeven met molecuulformules. Die formules geven aan welke atoomsoorten en hoeveel ervan in een molecuul voorkomen. Elke stof heeft zijn eigen molecuulformule. Een watermolecuul bevat bijvoorbeeld twee waterstofatomen en één zuurstofatoom. De molecuulformule is H2O. Met het cijfer 2 achter het symbool voor waterstof geef je aan dat er twee waterstofatomen in één molecuul water aanwezig zijn. Dit cijfer noem je een index. Een index staat in de molecuulformule altijd rechts onder het atoomsymbool. De index 1 wordt niet opgeschreven. In figuur 13 zie je een aantal molecuultekeningen met de bijbehorende molecuulformule. 60 Nova © Uitgeverij Malmberg H2 Chemische reacties §2 Moleculen en atomen H ▶ figuur 13 molecuulformules en molecuultekeningen van methaan, koolstofdioxide en ethanol ▼ tabel 4 fase-aanduidingen fase afkorting vast s vloeibaar l gas g opgelost in water aq C H H O C H CH4 O H H H C C H H CO2 O H C2H6O Achter de molecuulformule wordt de fase, bij kamertemperatuur, weergegeven als je het over de stof hebt. Ook hiervoor wordt een afkorting gebruikt. Je schrijft deze tussen haakjes achter de molecuulformule. In tabel 4 staan de fase-aanduidingen. Deze zijn afgeleid van de Engelse woorden solid, liquid en gas. De molecuulformule van de vloeistof water is dan H2O(l). De aanduiding ‘aq’ is afgeleid van aqua (water), dit geeft aan dat de stof is opgelost in water. Ontleedbare stoffen ▼ tabel 5 enkele molecuulformules van bekende ontleedbare stoffen Met de 118 verschillende atoomsoorten zijn miljoenen verschillende moleculen te maken. In tabel 5 staan molecuulformules van enkele ontleedbare stoffen. Achter deze molecuulformules staan de fasen van deze stoffen vermeld bij kamertemperatuur. naam molecuulformule water H2O(l) methaangas CH4(g) ammoniakgas NH3(g) koolstofdioxidegas CO2(g) koolstofmono-oxidegas CO(g) de vloeistof ethanol C2H6O(l) de vaste stof glucose C6H12O6(s) suiker (sacharose) C12H22O11(s) ▼ tabel 6 molecuulformules van nietontleedbare stoffen die bestaan uit twee dezelfde atomen naam molecuulformule waterstof H2(g) zuurstof O2(g) stikstof N2(g) fluor F2(g) chloor Cl2(g) broom Br2(l) jood I2(s) ◀ figuur 14 Dmitri Ivanovitsj Mendelejev Niet-ontleedbare stoffen De meeste niet-ontleedbare stoffen (elementen) worden met hun symbool weergegeven. Zo noteer je bijvoorbeeld ijzer als Fe(s) en helium als He(g). Er zijn zeven niet-ontleedbare stoffen waarvan de moleculen uit twee dezelfde atomen bestaan. De namen en molecuulformules van deze niet-ontleedbare stoffen staan in tabel 6. Het periodiek systeem der elementen In 1869 heeft de Russische wetenschapper Mendelejev (figuur 14) de elementen die in zijn tijd bekend waren, op een bruikbare manier geordend. Hij rangschikte de elementen naar opklimmende atoommassa. De elementen die overeenkomsten vertoonden in hun chemische eigenschappen, zette hij onder elkaar. Met deze rangschikking van de elementen legde hij de basis voor het periodiek systeem. 61 Nova © Uitgeverij Malmberg H2 Chemische reacties §2 Moleculen en atomen Het huidige periodiek systeem heeft een andere opbouw (figuur 15). Elke atoomsoort heeft zijn eigen nummer, het atoomnummer. In het periodiek systeem zijn de atoomsoorten gerangschikt op toenemend atoomnummer. De zeven horizontale rijen noem je perioden. De achttien verticale kolommen heten groepen. In de groepen staan de elementen die qua chemische eigenschappen op elkaar lijken. Het metaal lithium lijkt in chemisch gedrag op de andere metalen in groep 1. groep periode 1 1 2 3 4 1,008 H 1 6,94 Lithium 3 22,99 Natrium 4 39,10 Kalium 85,47 Rubidium 6 132,9 Cesium (223) 14 12 13 40,08 44,96 22 47,90 Calcium 38 87,62 Strontium 56 137,3 Scandium 39 88,91 Y Yttrium 57 138,9 Titaan 40 91,22 23 V Vanadium 41 92,91 24 52,01 25 54,94 26 55,85 17 5 symbool zwart vast blauw vloeistof rood gas (113) onontdekt 10,81 B Boor 13 26,98 27 58,93 28 58,71 29 63,54 30 6 12,01 C Koolstof 14 28,09 Al Si 65,37 31 69,72 7 14,01 N Stikstof 15 Silicium 32 72,59 30,97 P Fosfor 33 74,92 8 16,00 O Zirkonium 178,5 Nubidium 73 181,0 9 19,00 4,003 32,06 S Zwavel 34 78,96 10 20,18 F Ne Zuurstof 16 Fluor 17 Neon 35,45 18 39,95 Cl Ar Chloor 35 Argon 79,91 36 83,80 Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Chroom 42 95,94 Mangaan 43 (98) IJzer 44 101,1 Kobalt 45 102,9 Nikkel 46 106,4 Koper 47 107,9 Zink 48 112,4 Gallium 49 114,8 Germanium 50 118,7 Arseen 51 121,8 Seleen 52 127,6 Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te 72 18 Helium Si naam 50,94 16 He Aluminium 21 15 2 Magnesium 20 14 28,09 Silicium edelgassen 11 Molybdeem 74 183,8 Technetium 75 186,2 Rutonium 76 190,2 Rhodium 77 192,2 Palladium 78 195,1 Zilver 79 197,0 Cadmium 80 200,6 Indium 81 Barium 88 226,0 Lanthaan 89 227,0 Hafnium 104 (261) Tantaal 105 (262) Wolfraam 106 (266) Renium 107 (262) Osmium 108 (265) Iridium 109 Platina Goud (271) (268) Kwik (272) 204,4 Tin 82 Antimoon 207,2 Thallium Radium Actinium Rutherfordium Dubnium Seaborgium Bohrium Hassium Lood (277) 83 209,0 Broom 53 Telluur 84 Bismut (210) Polonium (285) Fr Ra Ac Rf Db Sg Bh Hs Mt 110 111 112 Francium ▶ figuur 15 het periodiek systeem 24,31 10 atoommassa Krypton 126,9 I Jood 85 54 131,3 Xe Xenon (210) 86 (222) Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn 87 7 9 niet-metalen Beryllium 12 Rb Sr 55 8 andere metalen K Ca Sc Ti 37 7 atoomnummer overgangsmetalen 9,01 Na Mg 19 5 4 Li Be 11 6 aardalkalimetalen Waterstof 3 2 5 alkalimetalen Astaat Radon 118 (289) (298) (113) 114 (115) 116 (117) 67 68 69 70 71 Meitnerium (119) (120) (121) 58 140,1 59 140,9 60 144,2 61 146,9 62 150,4 63 152,0 64 157,2 65 158,9 66 162,5 164,9 167,3 168,9 173,0 175,0 Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Cerium 90 232,0 Praseodynium 91 231,0 Neodynium 92 238,0 Prometium 93 237,0 Samarium 94 239,0 Europium 95 241,1 Gadolinium 96 247,1 Terbium 97 249,1 Dysprosium 98 251,1 Holmium 99 254,1 Erbium 100 257,1 Thulium 101 258,1 Ytterbium 102 255 Luthetium 103 257 Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Thorium Protacticum Uraan Neptunium Plutonium Americium Curium Berkelium Californium Einsteinium Fermium Mendelevium Nobelium Lawrencium (122- 153) ▲ figuur 16 De reactie van natrium (alkalimetaal) met water. De andere metalen uit groep 1 reageren ook fel met water. De metalen van groep 1 heten de alkalimetalen. De alkalimetalen reageren allemaal heftig met water (figuur 16). De metalen uit groep 2 heten de aardalkalimetalen. Groep 17 is de groep van de halogenen. Deze elementen reageren gemakkelijk met metalen. In groep 18 staan de edelgassen. Deze gassen reageren niet of nauwelijks met andere stoffen. Het grootste deel van de elementen bestaat uit metalen. Slechts een deel (rechtsboven in het periodiek systeem) bestaat uit niet-metalen. Achter in je boek vind je een grotere afbeelding van het periodiek systeem. opgaven Leerstof 14 Noem de vier kenmerken van het deeltjesmodel. 15 Leg uit of de volgende uitspraken waar of niet waar zijn. a In een mengsel komt meer dan één soort moleculen voor. b Bij scheiden gaan de moleculen kapot. c De moleculen van één stof zijn allemaal gelijk aan elkaar. d In een vaste stof kunnen moleculen niet bewegen. 62 Nova © Uitgeverij Malmberg H2 Chemische reacties §2 Moleculen en atomen 16 Beantwoord de volgende vragen. a Geef het symbool van de volgende elementen: koper, stikstof, mangaan, argon, fosfor, lood. b Geef de naam van de volgende elementen: Ag, Zn, Mg, H, Ne, Hg. c Schrijf de namen en formules op van de zeven twee-atomige elementen. 17 Alle elementen staan gerangschikt weergegeven in het periodiek systeem. a Hoe heten de kolommen in het periodiek systeem? b Hoe heten de metaalelementen uit groep 1 van het periodiek systeem? c In welke groep staan de edelgassen? Toepassing 18 De gekleurde bolletjes in figuur 17 stellen moleculen voor. a Leg op deeltjesniveau uit of dit een zuivere stof of een mengsel is. b Hoeveel verschillende stoffen staan afgebeeld? ▲ figuur 17 Zuivere stof of mengsel? 19 Geef de molecuulformules bij de molecuultekeningen in figuur 18. 20 Geef voor elk van de stoffen uit opgave 19 aan of het een ontleedbare of een niet-ontleedbare stof is. O C H 21 Fosforzuur is een stof die onder andere in cola voorkomt. De molecuulformule is H3PO4. a Uit hoeveel atoomsoorten bestaat een fosforzuurmolecuul? b Hoeveel fosforatomen zitten er in een molecuul fosforzuur? c Wat is de index van zuurstof in een fosforzuurmolecuul? O N N H H C C H H Br 22 Elke atoomsoort heeft zijn eigen symbool. In een verbinding komen meerdere atoomsoorten voor. Het zorgvuldig gebruik van hoofdletters en kleine letters is belangrijk. a Wat wordt bedoeld met de formule Sn? b Wat wordt bedoeld met de formule SN? c Leg het verschil uit tussen Co en CO. H 23 Geef voor elk van de uitspraken aan of deze waar of niet waar is. a Een element bevat maar één atoomsoort. b Bij het scheiden van een mengsel worden moleculen gesorteerd. c Moleculen kunnen elkaar aantrekken. d Een molecuul bevat altijd verschillende soorten atomen. e Bij een fase-overgang gaan moleculen kapot. f Bij een chemische reactie gaan moleculen kapot. H g Bij een chemische reactie gaan atomen kapot. O h In een ontleedbare stof zit meer dan één molecuulsoort. Br N H H H H H H C C H H C O ◀ figuur 18 molecuultekeningen van enkele stoffen 63 Nova © Uitgeverij Malmberg H2 Chemische reacties §2 Moleculen en atomen 24 Een atoom heeft atoomnummer 53. a In welke groep en in welke periode staat dit atoom? b Geef de naam en het symbool van dit element. c Hoe heet de groep waar dit element in staat? 25 Neem de tabel over en vul deze verder in. symbool atoomnummer metaal of niet-metaal? groep periode 17 3 Al N 74 niet-metaal 1 *26 Koffie bevat de stof cafeïne, een stof die een stimulerend effect heeft op het zenuwstelsel, waardoor je alerter wordt. In een kopje gewone koffie van 150 mL is ongeveer 75 mg cafeïne opgelost. De molecuultekening van cafeïne staat in figuur 19. a Geef de molecuulformule van cafeïne. b Hoeveel atomen en hoeveel atoomsoorten komen er voor in een cafeïnemolecuul? c Bereken de concentratie cafeïne in koffie in mg/L. d Sommige mensen zijn gevoelig voor cafeïne, ze krijgen klachten als oorsuizingen en duizeligheid. Meestal gebeurt dit bij hoeveelheden vanaf 500 mg cafeïne per dag. Bereken hoeveel kopjes koffie je per dag moet drinken om 500 mg cafeïne binnen te krijgen. e Koffieliefhebbers die overgevoelig zijn voor cafeïne kunnen cafeïnevrije koffie drinken. Om cafeïnevrije koffie te maken, worden de koffiebonen gespoeld met veel water. Hierdoor wordt de hoeveelheid cafeïne in de bonen verminderd van 2 massa% tot 0,1 massa%. Leg uit welke scheidingsmethode wordt gebruikt bij het decafeïneren van koffie. f Bereken hoeveel mg cafeïne er in een kopje ‘cafeïnevrije’ koffie zit. N C ▶ figuur 19 cafeïne 64 O H Nova © Uitgeverij Malmberg H2 Chemische reacties 3 Verbrandingsreacties Er zijn veel verschillende soorten reacties. Een bijzondere soort is de verbrandingsreactie. Dit is een reactie waarbij een brandstof met zuurstof reageert. Bij een verbranding komt altijd veel energie vrij. Energie In de winter verbrand je hout in de open haard omdat het dan lekker warm wordt. In de gasbarbecue verbrand je butagas om het vlees er op te grillen. De brander in het scheikundelokaal gebruik je om stoffen te verwarmen. In je lichaam verbrand je voedingsstoffen zodat je genoeg energie hebt om van alles te doen. Bij een verbrandingsreactie komt altijd energie vrij, meestal in de vorm van warmte en licht (figuur 20). Brandstoffen ▲ figuur 20 Bij deze verbranding komt energie vrij in de vorm van warmte en licht. Voor een verbrandingsreactie is natuurlijk een brandstof nodig. De meest gebruikte brandstoffen zijn de fossiele brandstoffen, gevormd uit resten van planten en dieren die 10-100 miljoen jaar geleden leefden. Door grote druk zijn deze resten samengeperst, waarbij onder andere steenkool, aardolie en aardgas zijn ontstaan. Aardolie en aardgas bestaan uit moleculen die (voornamelijk) koolstof en waterstofatomen bevatten en worden koolwaterstoffen genoemd. Naast fossiele brandstoffen worden de laatste jaren steeds vaker biobrandstoffen gebruikt die uit biomassa worden gemaakt. Biomassa is materiaal dat van planten en bomen afkomstig is. Bio-ethanol en biodiesel zijn bekende voorbeelden. In hoofdstuk 4 leer je meer over deze brandstoffen. Zuurstof ▼ tabel 7 de samenstelling van lucht gas volume% N2(g) 78 O2(g) 21 Ar(g) ≈1 CO2(g) 0,040 H2O(g) afhankelijk van de temperatuur Voor elke verbrandingsreactie is ook zuurstof nodig. De benodigde zuurstof voor een verbranding komt meestal uit de lucht. Lucht is een mengsel van voornamelijk stikstofgas (78 volume%) en zuurstofgas (21 volume%). Daarnaast komen nog kleine hoeveelheden andere gassen voor, zoals waterdamp, argon en koolstofdioxide (tabel 7). De verbranding verloopt feller en sneller als het volumepercentage zuurstof hoger is dan in lucht. Een gloeiende houtspaander gaat in aanwezigheid van zuiver zuurstofgas feller gloeien of zelfs ontbranden. Ontbrandingstemperatuur Naast een brandstof en zuurstof moet er een minimale temperatuur zijn voordat een stof gaat branden. De ontbrandingstemperatuur is voor elke stof verschillend. Het is een stofeigenschap. 65 Nova © Uitgeverij Malmberg H2 Chemische reacties §3 Verbrandingsreacties Stoffen met een ontbrandingstemperatuur net boven kamertemperatuur noem je licht ontvlambare stoffen. Witte fosfor is een voorbeeld van een stof met een heel lage ontbrandingstemperatuur, de stof ontbrandt spontaan net boven kamertemperatuur. zu t of u rs bra nd sto f Branden blussen Proef 5 ontbrandingstemperatuur ▲ figuur 21 de branddriehoek De drie voorwaarden voor een verbranding worden weergegeven in de branddriehoek (figuur 21). Ontbreekt een van deze drie verbrandingsvoorwaarden, dan zal er geen reactie optreden. Een brand kan worden gestopt door een of meer van deze verbrandingsvoorwaarden weg te nemen: – de brandstof weghalen; – de aanvoer van zuurstof (lucht) blokkeren; – de brandende materialen afkoelen tot onder de ontbrandingstemperatuur. Een eenvoudig voorbeeld van het wegnemen van de brandstof is het dichtdraaien van de gaskraan. Zuurstoftoevoer kun je bij kleine branden tegengaan door een branddeken te gebruiken, of bijvoorbeeld het deksel op de pan te doen bij een vlam-in-de-pan-brand. Ook kan worden geblust met een koolzuurblusser. Het koolstofdioxidegas dat daarbij vrijkomt, verdringt de lucht. Verder verlaagt het koude koolzuur de temperatuur, waardoor deze onder de ontbrandingstemperatuur komt en de brand uitgaat. Bij het blussen met water wordt zowel gekoeld als het contact tussen de brandstof en zuurstof beperkt. Een oliebrand kan niet met water worden geblust. Het water zal meteen verdampen en een stoomwolk vormen. De brand zal zich dan juist uitbreiden. Brandende benzine drijft op het water en brandt gewoon door. Voor dit soort branden worden schuimblussers gebruikt. Schuim koelt en beperkt het contact tussen de brandstof en zuurstof (figuur 22). ▶ figuur 22 Deze brand wordt geblust met schuim. 66 Nova © Uitgeverij Malmberg H2 Chemische reacties §3 Verbrandingsreacties Verbrandingsproducten Bij een verbrandingsreactie verdwijnen de brandstof en zuurstof en ontstaan tegelijkertijd verbrandingsproducten. Deze verbrandingsproducten heten oxides. Op deeltjesniveau hergroeperen de atomen uit de afgebroken moleculen van beide beginstoffen zich tot de moleculen van de oxides. Een oxide is een verbinding waarvan de moleculen zijn opgebouwd uit zuurstofatomen en één andere atoomsoort. Wanneer de brandstof maar uit één atoomsoort bestaat, ontstaat er ook één oxide. Bestaat de brandstof uit twee of meer atoomsoorten, dan ontstaan er meestal ook twee of meer oxides. Op deeltjesniveau worden alle koolstofatomen in een brandstof (koolwaterstof) bij verbranding omgezet in koolstofdioxidemoleculen en alle waterstofatomen in watermoleculen (tabel 8). ▼ tabel 8 de oxides van koolstof en waterstof brandstof bevat de atoomsoort verbrandingsproduct naam C CO2(g) koolstofdioxidegas H H2O(l) water Verbrandingsreacties In het reactieschema van een verbrandingsreactie staan altijd voor de pijl een brandstof en zuurstof, achter de pijl staan de oxide(s) die bij de verbranding ontstaan. Koolstof (figuur 23) bestaat uit slechts één atoomsoort en bij verbranding ontstaat er één oxide: koolstofdioxidegas. koolstof + zuurstofgas g koolstofdioxidegas C ▲ figuur 23 het verbranden van koolstof(s) O O O C O het verbranden van koolstof op deeltjesniveau Het hoofdbestanddeel van aardgas (figuur 24) is methaan, CH4(g). Het is een ontleedbare stof waarvan de moleculen uit C- en H-atomen bestaan. Bij de verbranding van methaan ontstaan koolstofdioxidegas en water. methaangas + zuurstofgas g koolstofdioxidegas + water O H O C H C O het verbranden van methaan op deeltjesniveau H O O H 67 H O H O ▲ figuur 24 aardgas O H H Nova © Uitgeverij Malmberg H2 Chemische reacties §3 Verbrandingsreacties Bio-ethanol (figuur 25) kan ook worden gebruikt als brandstof. bio-ethanol + zuurstofgas g koolstofdioxidegas + water ▲ figuur 25 bio-ethanol H O H O O C O O H H C C H H O H O O O C H O O H het verbranden van bio-ethanol op deeltjesniveau O O H O H Volledige en onvolledige verbranding Uit onderzoek blijkt dat je twee liter zuurstof nodig hebt om één liter methaan (hoofdbestanddeel van aardgas) te verbranden. Omdat er 21 volume% zuurstof in de lucht zit, heb je ongeveer vijf keer zo veel lucht nodig, dus ongeveer tien liter! Als de volumeverhouding methaan : lucht gelijk is aan 1 : 10, verbrandt methaan volledig tot koofstofdioxide en water. Deze volumeverhouding is belangrijk. Als er namelijk te weinig zuurstof aanwezig is, vindt een onvolledige verbranding plaats. Bij een onvolledige verbranding ontstaan ook koolstof (roet) en koolstofmono-oxide, CO(g). Koolstofmono-oxide is een reukloos, kleurloos, brandbaar en zeer giftig gas. In de krant kun je regelmatig lezen dat door koolstofmono-oxidevergiftiging mensen overlijden of in het ziekenhuis belanden (figuur 26). De oorzaak daarvan is vaak dat cv-ketels of andere gastoestellen in slecht geventileerde ruimten zijn geplaatst. Kat redt gezin net op tijd van koolmonoxidevergiftiging De twee ouders van het gezin lagen in de nacht van zondag op maandag te slapen. In de andere kamers lagen hun kinderen van 10, 11 en 14 jaar. Even voor 01.00 uur ’s nachts liep de huiskat al miauwend en grommend naar de eerste verdieping. Daar begon hij luidruchtig over te geven. De 37-jarige moeder werd wakker van de geluiden die het dier maakte. Ze ging naar beneden en hoorde dat de gasgeiser in de keuken een vreemd geluid maakte. Ze voelde zich ook misselijk worden. Ze heeft snel haar man en kinderen in veiligheid gebracht en de brandweer gebeld. De brandweermannen ontdekten in het huis een potentieel dodelijke CO-waarde. Waar de norm op nul hoort te staan, werd door de brandweer in het huis een waarde van 950 ppm (parts per million) gemeten. Bij een waarde van 1000 ben je binnen 30 minuten dood. naar: AD ▶ figuur 26 68 H Nova © Uitgeverij Malmberg H2 Chemische reacties §3 Verbrandingsreacties ▲ figuur 27 Bij een onvolledige verbranding wordt roet gevormd. Om ongelukken met koolstofmono-oxide te voorkomen, moet je de ruimte waar het gastoestel staat goed ventileren. Ook moet je gastoestellen hierop regelmatig (laten) controleren. De moderne hr-ketels zijn een stuk veiliger doordat de luchttoevoer van buitenaf is geregeld. Aan de kleur van de vlam kun je zien of een brandstof volledig of onvolledig verbrandt. Als de vlam geel is, treedt er een onvolledige verbranding op. Er is dan te weinig zuurstof aanwezig voor een volledige verbranding. De gele vlam duidt op de vorming van koolstof. Dit kun je aantonen door een koud voorwerp in de gele vlam te steken. Het voorwerp wordt dan zwart door roetaanslag. Een reageerbuis in een gele vlam wordt zwart aan de buitenkant (figuur 27). Aantoningsreacties Proef 6 ▲ figuur 28 gecondenseerde waterdamp op een ruit De meeste verbrandingsproducten zie en ruik je niet. Maar je kunt ze soms wel aantonen. Waterdamp bijvoorbeeld kun je laten condenseren (figuur 28). Je kunt ook met een reagens aantonen dat er water ontstaat. Een reagens is een stof waarmee je de aanwezigheid van een andere stof via een zichtbare reactie kunt aantonen. Je voert dan een herkenningsreactie uit. Wit kopersulfaat is een stof die blauw kleurt zodra het in contact komt met water(damp). Omdat wit kopersulfaat alleen met water verkleurt, is het een heel geschikt reagens voor water. Kalkwater is een reagens voor koolstofdioxide. Als je koolstofdioxidegas door kalkwater leidt, wordt het heldere, kleurloze kalkwater melkachtig troebel (tabel 9). ▼ tabel 9 het aantonen van verbrandingsproducten reagens op naam waarneming water wit kopersulfaat Witte vaste stof wordt blauw. koolstofdioxide kalkwater Kleurloze oplossing wordt troebel. opgaven Leerstof 27 Lucht is geen zuivere stof. a Welke twee gassen komen het meest voor in de lucht? b Hoeveel volume% zuurstof bevat zuivere lucht? 28 Teken de branddriehoek. 29 Geef het reactieschema van de volledige verbranding van waterstof. 69 Nova © Uitgeverij Malmberg H2 Chemische reacties §3 Verbrandingsreacties 30 Wanneer te weinig zuurstof aanwezig is, kan een onvolledige verbranding plaatsvinden. a Welke stoffen kunnen bij een onvolledige verbranding van koolstof ontstaan naast koolstofdioxide? b Waarom kan een onvolledige verbranding gevaarlijk zijn? 31 Met een reagens kun je stoffen aantonen. a Met welke reagens toon je water aan? Welke waarneming doe je daarbij? b Met welke reagens toon je koolstofdioxide aan? Welke waarneming doe je daarbij? Toepassing 32 Jessie zegt: ‘Methaan is een verbinding die bestaat uit de elementen koolstof en waterstof.’ a Wat bedoelt Jessie? Kies een van de volgende verklaringen. A Ze bedoelt dat methaanmoleculen bestaan uit de atoomsoorten koolstof en waterstof. B Ze bedoelt dat methaan bestaat uit de niet-ontleedbare stoffen koolstof en waterstof. b Geef het reactieschema van de volledige verbranding van methaan. c Voor het verbranden van 1,0 liter aardgas is 8,0 liter lucht nodig. Bereken hoeveel liter zuurstofgas nodig is voor de verbranding van 1 liter aardgas. 33 Een brand kun je blussen door een van de voorwaarden voor verbranding weg te nemen. Geef aan welke voorwaarde in de volgende situaties wordt weggenomen. a Een vlam in de pan kun je doven door de deksel op de pan te doen. b Het kampvuur op het strand dooft na enige tijd vanzelf. c In een bos worden brede paden aangelegd als brandgangen. d Bij brand in een woonwijk worden de omliggende huizen natgespoten met water om te voorkomen dat de brand overslaat. 34 Water is niet altijd een geschikt blusmiddel. Soms wordt een brand zelfs erger als je water gebruikt. Dat is bijvoorbeeld het geval als benzine brandt. a Wat gebeurt er als je water op brandende benzine spuit? b Waarom kan de brand nu juist erger worden? 35 Je kunt een vuur uitblazen. Maar je kunt een smeulend vuurtje ook juist weer aanwakkeren door er zachtjes tegen te blazen. a Waarom kan een smeulend vuur weer aanwakkeren als je er zachtjes tegen blaast? b Leg uit waarom blazen soms het vuur wel dooft. 70 Nova © Uitgeverij Malmberg H2 Chemische reacties §3 Verbrandingsreacties 36 Als een stof met zuurstof reageert, ontstaat een oxide. a Wat is een oxide? b Roest heeft de formule Fe2O3. Is roest een oxide? Licht je antwoord toe. c Alcohol heeft de formule C2H6O. Is alcohol een oxide? Licht je antwoord toe. Contexten uit de praktijk 37 In je lichaam vindt ‘verbranding’ van voedingsstoffen plaats. Dit noem je ook wel langzame verbranding. Suiker is een stof met molecuulformule C12H22O11. Voor de verbranding van een gram suiker is 0,8 liter zuurstof nodig. a Geef het reactieschema voor de verbranding van suiker. b In een glas cola zit 25 gram suiker opgelost. Bereken hoeveel liter lucht je moet inademen om deze suiker te verbranden. Man gewond door fosfor in broekzak Zaterdag liep een uit het Duitse Bochum afkomstige man derdegraadsbrandwonden op toen een stukje fosfor in zijn broekzak vlam vatte. Onder water kan fosfor geen kwaad. Als het opdroogt en op een bepaalde temperatuur komt, ontvlamt het spontaan. Het fosfor kan niet met een metaaldetector worden opgespoord. ▲ figuur 29 Fosfor ontvlamt spontaan. 38 Teken een opstelling waarmee je kunt aantonen dat bij de verbranding van steenkool zowel water als koolstofdioxide vrijkomt. *39 Lees figuur 29. a Waarom kan fosfor onder water geen kwaad? b Waarom kun je fosfor niet opsporen met een metaaldetector? *40 In figuur 30A zie je een schaaltje waarop wat witte fosfor ligt. Het schaaltje drijft op water en is afgesloten met een stolp van 1 liter. Na enige tijd verbrandt de fosfor spontaan, onder heftige vuurverschijnselen. a Wat kun je zeggen over de ontbrandingstemperatuur van fosfor? b Het verbrandingsproduct dat ontstaat, heet difosforpentaoxide. Geef het reactieschema van de reactie die onder de stolp plaatsvindt. c Na enige tijd stopt de verbranding. Het waterniveau onder de stolp is dan gestegen (figuur 30B). Leg uit waarom het waterniveau onder de stolp is gestegen. d Bereken aan de hand van figuur 30 het volumepercentage zuurstof in lucht. ▶ figuur 30 de bepaling van het zuurstofgehalte in de lucht 0,8 0,8 0,6 0,6 0,4 0,4 0,2 0,2 fosfor voor de verbranding 71 fosfor na de verbranding Nova © Uitgeverij Malmberg H2 Chemische reacties 4 Eerdere introductie van reactievergelijkingen Reactievergelijkingen Bij een chemische reactie gaan atomen niet verloren. De stap van reactieschema naar reactievergelijking betekent dat je aangeeft hoeveel moleculen van een beginstof je nodig hebt en hoeveel moleculen van de reactieproducten ontstaan. Van woorden naar molecuulformules Een chemische reactie kun je beschrijven met een reactieschema in woorden, maar je kunt het ook met molecuulformules opstellen. Het voordeel hiervan is dat de molecuulformules van stoffen internationaal hetzelfde zijn. Je moet dan wel de formules kennen die bij de stofnamen horen. In paragraaf 2 heb je de namen en formules van een aantal ontleedbare en niet-ontleedbare stoffen geleerd. ▼ tabel 10 Griekse telwoorden Molecuulformules opstellen Voor stoffen waarvan de moleculen uit twee niet-metaalatoomsoorten bestaan, kun je de molecuulformule zelf opstellen. Het aantal atomen per soort geef je aan met een Grieks telwoord (tabel 10). Duidelijke Je weet al dat een verbinding met het element zuurstof een oxide heet. In voorbeeldopgaven tabel 11 staat nog een aantal namen van elementen in een verbinding. telwoord betekenis mono een di twee tri drie tetra vier penta vijf hexa zes Voorbeeldopgave 1 hepta zeven Geef de molecuulformule van distikstoftetraoxide. octa acht ▼ tabel 11 de naam van enkele elementen in een verbinding naam element naam in verbinding zuurstof oxide zwavel sulfide chloor chloride jood jodide broom bromide fluor fluoride Uitwerking – Zoek de symbolen van de elementen op: stikstof = N, oxide = O. – Noteer de index van elk element: di = 2, tetra = 4. – De formule is dus N2O4. Andersom kan ook: Voorbeeldopgave 2 Geef de naam van P2S5. Uitwerking – Zoek de namen van de elementen op: P = fosfor, S = zwavel, in een verbinding is de naam sulfide. – 2 = di, 5 = penta. – De naam is dus difosforpentasulfide. 72 Nova © Uitgeverij Malmberg H2 Chemische reacties §4 Reactievergelijkingen Bij tabel 10 moeten de volgende kanttekeningen worden geplaatst: – Je gebruikt het telwoord mono alleen om de namen van oxides als CO(g) en NO(g) te onderscheiden van CO2(g) en NO2(g). – Vaak heeft een stof naast de chemische naam ook nog een alledaagse naam. H2O(l) heet eigenlijk diwaterstofmono-oxide, maar je noemt het water. H2O2(l), diwaterstofdioxide, noem je waterstofperoxide. Coëfficiënten In figuur 31 zie je molecuultekeningen van één molecuul propaan (C3H8), twee moleculen methaan (CH4), drie moleculen water (H2O) en zeven moleculen waterstof (H2). De getallen 1, 2, 3 en 7 geven het aantal moleculen aan. Deze getallen noem je coëfficiënten. Een coëfficiënt zet je voor de formule. Twee moleculen methaan noteer je in formuletaal als 2 CH4. Coëfficiënt 1 wordt weggelaten. O H H H C H O H ▶ figuur 31 De coëfficiënt geeft het aantal moleculen aan. H H C H H H H H H H H H H H H H H H H H H H O H H H H H C C C H H H H H Het kloppend maken van reactievergelijkingen In de vorige paragraaf heb je de verbrandingsreactie van methaan gezien waarin op deeltjesniveau een molecuul methaan (CH4) reageert met twee moleculen zuurstof (O2). Hierbij ontstaan twee moleculen water (H2O) en één molecuul koolstofdioxide (CO2). Uit deze beschrijving volgt dat alle atomen voor de pijl worden hergebruikt bij de vorming van nieuwe moleculen na de pijl. Als elke Duidelijke stappenplannen om atoomsoort links van de pijl even vaak voorkomt als rechts van de pijl, specifieke werkwijze aan te leren spreek je van een kloppende reactievergelijking. Je kunt uit een beschrijving van een reactie een kloppende reactievergelijking maken. Stappenplan verbranding methaan Methaan, het hoofdbestanddeel uit aardgas, wordt volledig verbrand. Met een stappenplan maak je een kloppende reactievergelijking voor de volledige verbranding van methaan. Stap 1 beschrijving De molecuulformule van methaan is CH4(g), er zitten dus koolstofatomen en waterstofatomen in. Bij volledige verbranding reageert methaangas met zuurstofgas en ontstaan koolstofdioxidegas en water. 73 Nova © Uitgeverij Malmberg H2 Chemische reacties §4 Reactievergelijkingen Stap 2 reactieschema opstellen uit beschrijving methaangas + zuurstofgas g koolstofdioxidegas + water Stap 3 omzetten in molecuulformules Schrijf nu de molecuulformules met fase-aanduiding onder de stofnamen: methaangas+ zuurstofgas g koolstofdioxidegas+ water CH4(g) + O2(g) + H2O(l) g CO2(g) Als je de molecuultekeningen hieronder zet, dan zie je dat deze vergelijking niet kloppend is: methaangas+ zuurstofgas g koolstofdioxidegas+water CH4(g) + O2(g) + H2O(l) g CO2(g) H O C H H O O C O O H H H Stap 4 reactievergelijking kloppend maken Links van de pijl heb je: één C-atoom, vier H-atomen en twee O-atomen. Rechts van de pijl heb je: één C-atoom, twee H-atomen en drie O-atomen. Om het aantal H-atomen kloppend te maken, voeg je na de pijl een extra watermolecuul toe: CH4(g) + O2(g) g CO2(g) + 2 H2O(l) O H H O C H H O O C O H O H H H Het aantal H-atomen links en rechts van de pijl is nu aan elkaar gelijk, namelijk vier. Het aantal C-atomen klopt ook. Alleen het aantal O-atomen klopt nog niet. Als je de coëfficiënt twee voor O2 noteert, krijg je de kloppende reactievergelijking: CH4(g) + 2 O2(g) g CO2(g) + 2 H2O(l) O H O O C H H 74 H O H O O C O H O H H Nova © Uitgeverij Malmberg H2 Chemische reacties §4 Reactievergelijkingen In een reactievergelijking wordt aangegeven in welke verhouding de stoffen reageren en ontstaan. In werkelijkheid heb je natuurlijk niet één methaanmolecuul dat met twee zuurstofmoleculen reageert tot één koolstofdioxidemolecuul en twee watermoleculen. Er reageren altijd heel veel moleculen tegelijk met elkaar. De afspraak is om de coëfficiënten in de reactievergelijking met zo klein mogelijke hele getallen weer te geven. Een reactievergelijking mag je niet kloppend maken door de index aan te passen, dan krijg je immers een ander soort molecuul. Samengevat Als je een vergelijking kloppend hebt gemaakt, controleer dan altijd je antwoord: – Zijn de molecuulformules goed? – Heb je links en rechts van de pijl evenveel atomen van elke soort? – Heb je de goede fasen aangegeven? – Is de kleinst mogelijke verhouding weergegeven? Voorbeeldopgave 3 Water kan worden ontleed met behulp van elektrolyse. Geef de kloppende reactievergelijking van de ontleding van water. Uitwerking Stap 1 beschrijving In de H2O-moleculen zullen de atoombindingen worden verbroken waardoor waterstofgas en zuurstofgas ontstaan. Stap 2 reactieschema opstellen uit beschrijving water g waterstofgas + zuurstofgas Stap 3 omzetten in molecuulformules Schrijf nu de molecuulformules met fase-aanduiging onder de stofnamen: water g waterstofgas+ zuurstofgas H2O(l) g H2(g) + O2(g) Als je de molecuultekeningen onder de stoffen zet, zie je dat deze vergelijking niet kloppend is: water gwaterstofgas+zuurstofgas H2O(l) g H2(g) + O2(g) O H 75 H H H O O Nova © Uitgeverij Malmberg H2 Chemische reacties §4 Reactievergelijkingen Stap 4 reactievergelijking kloppend maken Voor de pijl staat maar één zuurstofatoom en na de pijl staan er twee. Bij een chemische reactie geldt dat er geen atomen verloren gaan en ook geen atomen bijkomen. Om het aantal zuurstofatomen kloppend te maken, moet je twee watermoleculen hebben. Je geeft dit aan met de coëfficiënt twee voor de molecuulformule van water: 2 H2O(l) g H2(g) + O2(g) O H H H O O H O H H Daarna kijk je naar het aantal waterstofatomen: voor de pijl vier en na de pijl twee. Om ook dit kloppend te maken, moet je de coëfficiënt twee plaatsen voor de formule van waterstof: water gwaterstofgas+ zuurstofgas 2 H2O(l) g 2 H2(g) + O2(g) O H H H H O O H O H H H De reactievergelijking is kloppend gemaakt: het aantal atomen van elke soort is voor en na de pijl gelijk. Voorbeeldopgave 4 Wasbenzine bestaat hoofdzakelijk uit heptaan, C7H16(l), een brandbare stof. Geef de kloppende reactievergelijking van de volledige verbranding van heptaan(l). Uitwerking Stap 1 beschrijving De vloeistof heptaan bevat C- en H-atomen; bij volledige verbranding ontstaan dus koolstofdioxidegas en water. 76 Nova © Uitgeverij Malmberg H2 Chemische reacties §4 Reactievergelijkingen Stap 2 reactieschema opstellen uit beschrijving heptaan + zuurstofgas g koolstofdioxidegas + water Stap 3 omzetten in molecuulformules heptaan +zuurstofgas gkoolstofdioxidegas + water C7H16(l) + O2(g) + H2O(l) g CO2(g) Stap 4 reactievergelijking kloppend maken C7H16(l) + O2(g) g CO2(g) + H2O(l) Voor de pijl staan zeven C-atomen, deze maak je na de pijl kloppend door voor CO2 de coëfficiënt zeven te zetten: C7H16(l) + O2(g) g 7 CO2(g) + H2O(l) Vervolgens maak je het aantal H-atomen kloppend. Van de zestien H-atomen voor de pijl kunnen acht watermoleculen worden gemaakt: C7H16(l) + O2(g) g 7 CO2(g) + 8 H2O(l) Tot slot maak je de O-atomen kloppend. Na de pijl staan 7 × 2 + 8 = 22 O-atomen. Hiervoor heb je elf O2-moleculen voor de pijl nodig: C7H16(l) + 11 O2(g) g 7 CO2(g) + 8 H2O(l) De reactievergelijking is kloppend gemaakt: het aantal atomen van elke soort is voor en na de pijl gelijk. opgaven Leerstof 41 Geef de formule van de volgende stoffen. a de vaste stof koolstof b stikstofgas c ammoniakgas 42 Geef de naam van de volgende stoffen. a C12H22O11(s) b O2(g) c Ne(g) 43 Wat kun je zeggen over de samenstelling van een ontleedbare stof (verbinding) als de naam eindigt op: a sulfide? b jodide? c bromide? 77 Nova © Uitgeverij Malmberg H2 Chemische reacties §4 Reactievergelijkingen 44 Een reactie wordt gekenmerkt door beginstoffen en reactieproducten. a Wat gebeurt er bij een reactie met de beginstoffen? b Wat gebeurt er tijdens een reactie met de moleculen waaruit de beginstoffen zijn opgebouwd? c Wat gebeurt er tijdens een reactie met de atomen waaruit de beginstoffen zijn opgebouwd? d Wanneer is een reactievergelijking kloppend? Toepassing 45 Geef de naam van de volgende stoffen. a P2O3(s) b NO(g) c CO2(g) d SiBr4(l) 46 Geef de formule van de volgende stoffen. a de vaste stof boortri-jodide b distikstofmono-oxidegas c de vloeistof diwaterstofdioxide d de vloeistof koolstofdisulfide 47 Gegeven is de volgende notatie: 5 C6H12O6(s). a Bevat deze uitdrukking een of meer coëfficiënten? Geef aan welke. b Welk(e) getal(len) in deze notatie noem je een index? c Om hoeveel moleculen van welke stof gaat het hier? d Hoeveel waterstofatomen zijn per molecuul aanwezig? e Hoe groot is het totale aantal atomen in 5 C6H12O6? 48 Bij een reactie verandert de totale massa niet. Hoe kun je met het deeltjesmodel uitleggen dat bij reacties de totale massa niet verandert? 49 Wat is er fout aan de volgende vergelijkingen voor de ontleding van water? a H2O2(l) g H2(g) + O2(g) b H2O(l) g H2(g) + O(g) c H2O(l) g H2(g) + ½O2(g) d 2 H2O(l) g H2(g) + O2(g) e 2 H2O2(l) g H4(g) + O2(g) f H2O(l) g H2(g) + O2(g) 50 In deze opgave zijn zeven reactievergelijkingen gegeven. a Maak de reactievergelijkingen kloppend. 1 Mg(s) + O2(g) g MgO(s) 2 CaS(s) + O2(g) g CaO(s) + SO2(g) 3H2O2(l) g H2O(l) + O2(g) 4CaCO3(s) g CaO(s) + CO2(g) 5 C2H6(g) + O2(g) g CO2(g) + H2O(l) 6KClO3(s) g KCl(s) + O2(g) 7C2H6O(l) + O2(g) g CO2(g) + H2O(l) 78 Nova © Uitgeverij Malmberg H2 Chemische reacties §4 Reactievergelijkingen b Welke van de reacties zijn verbrandingsreacties? c Welke van de reacties zijn ontledingsreacties? 51 Maak de reactievergelijkingen kloppend. 1 P(s) + Cl2(g) g PCl 3(l) 2 Al(s) + HBr(aq) g AlBr3(s) + H2(g) 3 NH (g) + O (g) g N (g) + H O(l) Vaardigheidstrainer voor 4 SO 3(g) + O 2(g) g SO2 (g) 2 2 2 3 extra oefening! 5 Al(s) + S(s) g Al2S3(s) 6 CH4(g) + H2O(l) g CO(g) + H2(g) 7 NaO2(s) + H2O(l) g NaOH(s) + O2(g) Meer oefening nodig? Ga naar de V-trainer. 52 Geef de kloppende reactievergelijking van: a de volledige verbranding van C2H6(g). b de ontleding van de vaste stof difosforpentachloride in de elementen. c de vorming van ammoniakgas uit stikstofgas en waterstofgas. d de volledige verbranding van de vaste stof glucose. *53 Tegenwoordig draai je een elektrische schakelaar om en er is licht. Vroeger werd licht, in huis of op voertuigen, gemaakt met behulp van chemische reacties. Een voorbeeld van zo’n oude lamp is de carbidlamp (figuur 32). Deze lamp bevat een bakje waarin je carbid, CaC2(s), kunt doen. Als je water aan het carbid toevoegt, kun je de pit van de lamp ontsteken. a Tussen carbid en water treedt een reactie op waarbij acetyleen, C2H2(g), en een suspensie van calciumhydroxide, Ca(OH)2(s), ontstaan. Geef de kloppende vergelijking van de reactie tussen de vaste stof carbid en water. b Door het acetyleen aan te steken, gaat de lamp branden. Bij de verbranding van acetyleen ontstaan water, koolstofdioxidegas, warmte en licht. Geef de vergelijking van deze reactie. c Carbidlampen walmen erg en geven veel roetaanslag. Dat komt doordat het gevormde acetyleen niet genoeg zuurstof krijgt om goed te verbranden. Hier staat de vergelijking van een reactie die dan kan optreden: C2H2(g) + O2(g) g C(s) + X + H2O(l) De vergelijking is kloppend, maar één stof is nog niet in de vergelijking ingevuld. Leid uit de vergelijking af wat de formule is van de stof X die ook ontstaat. Geef ook de naam van deze stof. ◀ figuur 32 Aan het begin van de vorige eeuw hadden fietsen een carbidlamp. 79 Nova © Uitgeverij Malmberg H2 Chemische reacties Test Jezelf 5 Practicum Overzichtelijke groepering van practica Proef 1 Verhitten van papier, hout of suiker 15 min Inleiding In deze proef ga je onderzoeken wat er gebeurt als je papier, hout of suiker verhit zonder dat er zuurstof bij aanwezig is. Onderzoeksvraag Wat gebeurt er bij het verhitten van papier, hout of suiker zonder dat er zuurstof bij kan komen? Nodig • papier, hout of suiker (je krijgt van je docent te horen welke stof jij gaat gebruiken) • reageerbuis • reageerbuisknijper • brander Veiligheid en milieu Doe een labjas aan en zet een (veiligheids)bril op. Uitvoering – Stop stukjes papier of hout in een reageerbuis, totdat de reageerbuis voor ongeveer een kwart gevuld is. Bij gebruik van suiker vul je de reageerbuis met ongeveer 1 cm suiker. – Verhit de reageerbuis in de blauwe vlam van de brander. Houd de reageerbuis daarbij horizontaal. Kijk goed wat er gebeurt. Verwarm zachtjes, Practica zijn eerst uitgebreid daarna wat harder. getest door TOA – Na een tijdje komt er rook uit de opening van de reageerbuis. Probeer die rook aan te steken (af te fakkelen). – Haal de reageerbuis uit de brander als de stof (papier, hout of suiker) helemaal verkoold is. Resultaten 1 Noteer je waarnemingen. Verwerking 2 Beschrijf hoe de stof (papier, hout of suiker) er vóór het verhitten uitzag. 3 Beschrijf wat je ziet gebeuren bij het verhitten. 4 Beschrijf de stof die overblijft. 5 Is hier sprake van een chemische reactie? Licht je antwoord toe. 6 Is hier sprake van een ontledingsreactie? Licht je antwoord toe. 7 Geef het reactieschema van de opgetreden reactie. Conclusie 8 Beantwoord de onderzoeksvraag. Proef 2 Elektrolyse van een koperchloride-oplossing 15 min Inleiding Practica voorzien vanals In deze proef ga je onderzoeken wat er gebeurt onderzoeksvraag je gelijkstroom door een oplossing van koperchloride geleidt. Onderzoeksvraag Wat gebeurt er bij elektrolyse van een koperchlorideoplossing? Nodig • oplossing van koperchloride • bekerglas van 100 mL • 2 grafietstaafjes • elektriciteitsdraadjes 80 • krokodillenbekjes • gelijkspanningsbron Veiligheid en milieu Doe een labjas aan en zet een (veiligheids)bril op. Uitvoering – Vul het bekerglas voor ongeveer een kwart met de koperchloride-oplossing. – Zet de koolstofstaafjes in de oplossing en sluit de draden aan op de spanningsbron. – Zet de spanningsbron aan op maximaal 10 V gelijkspanning en kijk wat er gebeurt. – Ruik na enige tijd voorzichtig aan de oplossing. Nova © Uitgeverij Malmberg H2 Chemische reacties §5 Practicum Resultaten 1 Noteer je waarnemingen. Verwerking 2 Beschrijf hoe de oplossing er vóór de elektrolyse uitzag. 3 Beschrijf wat je zag gebeuren bij het elektrolyseproces. 4 Is hier sprake van een chemische reactie? Licht je antwoord toe. 5 Is hier sprake van een ontledingsreactie? Licht je antwoord toe. 6 Geef het reactieschema van de opgetreden reactie. Conclusie 7 Beantwoord de onderzoeksvraag. Proef 3 Fotolyse van waterstofperoxide 20 min Inleiding Waterstofperoxide is een stof die gemakkelijk reageert. Het wordt gebruikt om haren te blonderen, om in waterzuiveringsinstallaties ongewenste chemicaliën af te breken en het kan zelfs reageren onder invloed van uv-licht. Hoe kun je dat onderzoeken? Onderzoeksvragen 1 Wat gebeurt er als een oplossing van waterstofperoxide onder een uv-lamp wordt gehouden? 2 Welke stof kun je aantonen bij de fotolyse van waterstofperoxide? Nodig • 30 mL waterstofperoxide-oplossing • 2 erlenmeyers van 100 mL •uv-lamp • houtspaanders, lucifers Veiligheid en milieu Doe een labjas aan en zet een (veiligheids)bril op. Pas op: kijk niet rechtstreeks in het uv-licht! Uitvoering – Verdeel de waterstofperoxide-oplossing over de twee erlenmeyers. – Omwikkel één erlenmeyer met aluminiumfolie, zodat er geen licht in kan komen. 81 – Zet de andere erlenmeyer onder de uv-lamp en zet de lamp aan. – Schakel na 10 minuten de lamp uit en haal de erlenmeyer onder de lamp vandaan. – Steek direct een gloeiende houtspaander in de erlenmeyer en kijk goed wat er met het gloeiende gedeelte gebeurt. – Haal het aluminiumfolie van de andere erlenmeyer en herhaal de test met de gloeiende houtspaander. Kijk weer goed wat er met het gloeiende gedeelte gebeurt. Resultaten 1 Kijk wat er gebeurt in de waterstofperoxideoplossing, zodra je de uv-lamp aandoet. Blijf dit gedurende 10 minuten volgen. Beschrijf ook wat je ziet als je in elke erlenmeyer een gloeiende houtspaander steekt. Verwerking 2 Wat voor soort chemische reactie vindt er plaats onder de uv-lamp? 3 Op basis van welke waarneming kun je dit bevestigen? 4 Geef het reactieschema van de opgetreden reactie. Conclusie 5 Beantwoord de onderzoeksvragen. Nova © Uitgeverij Malmberg H2 Chemische reacties §5 Practicum Proef 4 Elektrolyse van water (demoproef) 15 min Inleiding In deze proef ga je water ontleden door elektrolyse. Onderzoeksvraag Wat gebeurt er bij de elektrolyse van water? Nodig • toestel van Hofmann • aangezuurd water • gelijkspanningsbron • reageerbuis • brander • houtspaander – Vang het gas dat vrijkomt aan de min-elektrode, op in een omgekeerde reageerbuis. Duidelijke tijdsindicatie – Breng de opening van de reageerbuis bij de vlam van een brander. Let goed op wat er gebeurt. – Houd een gloeiende houtspaander bij het vrijkomende gas aan de plus-elektrode. Resultaten 1 Noteer je waarnemingen. Veiligheid en milieu Doe een labjas aan en zet een (veiligheids)bril op. Uitvoering – Sluit de elektroden van het toestel van Hofmann aan op de gelijkspanningsbron. – Zet de spanningsbron aan en voer de spanning op tot je een duidelijke reactie ziet. Verwerking 2 Hoe is de verhouding tussen de hoeveelheid gas aan de plus-elektrode en de hoeveelheid gas aan de min-elektrode? 3 Welk gas is aan de min-elektrode gevormd? 4 Welk gas is aan de plus-elektrode gevormd? 5 Is er sprake van een ontledingsreactie? Licht je antwoord toe. 6 Geef het reactieschema van de opgetreden reactie. Conclusie 7 Beantwoord de onderzoeksvraag. Proef 5 Branden blussen (demoproef) 15 min Inleiding Branden kun je blussen door de brandstof weg te nemen, de zuurstoftoevoer af te sluiten of de temperatuur onder de ontbrandingstemperatuur te brengen. Niet elke brand kan op dezelfde manier worden geblust. In deel A van deze proef kijk je hoe je brandend vet kunt doven en in deel B hoe je een benzinebrand blust. Sommige stoffen verbranden heel gemakkelijk. In deel C ga je kijken hoe brandvertragers werken en wat hun invloed is. Deel A Brandend vet Doel Demonstreren wat er kan gebeuren als je brandend vet op de verkeerde manier blust en leren hoe je dit soort branden wél kunt blussen. 82 Nodig • porseleinen schaaltje met kaarsvet • brander met driepoot en gaasje • injectiespuit met een klein beetje water • afdekplaatje • lucifers/aansteker Veiligheid en milieu Deze proef moet door de docent of TOA in de zuurkast worden gedemonstreerd. Uitvoering (door docent of TOA) – Verwarm het schaaltje met kaarsvet op de driepoot boven de brander in de zuurkast. – Als er voldoende walm vrijkomt, steek dan de walm aan. Zet de brander uit. – Spuit heel voorzichtig een klein beetje water op het brandende vet. Zorg ervoor dat de zuurkast dicht is. – Sluit daarna het schaaltje met het afdekplaatje af. Nova © Uitgeverij Malmberg H2 Chemische reacties §5 Practicum Deel C Brandvertragers Resultaten deel A 1 Noteer je waarnemingen. Verwerking 2 Leg uit waarom je brandend vet niet met water moet blussen. 3 Leg uit hoe je brandend vet het best kunt blussen. 4 Welke brandvoorwaarde wordt hierbij uitgeschakeld? Deel B Benzinebrand Doel Demonstreren op welke manier je een benzinebrand kunt blussen. Nodig • groot bekerglas • horlogeglas dat het bekerglas kan afdekken •kraanwater •wasbenzine • spuitfles met water •lucifers Veiligheid en milieu Deze proef moet door de docent of TOA in de zuurkast worden gedemonstreerd. Uitvoering (door docent of TOA) – Vul het bekerglas voor ongeveer de helft met kraanwater. – Giet ongeveer 10 mL wasbenzine op het water. – Steek de wasbenzine voorzichtig aan met een lucifer. – Probeer de benzinebrand te blussen met de spuitfles water. – Sluit het bekerglas af met het horlogeglas. Resultaten deel B 5 Noteer je waarnemingen. Verwerking 6 Leg uit waarom je brandende benzine niet met water kunt blussen. 7 Leg uit waarom de brand uitgaat als het bekerglas wordt afgedekt. 83 Doel Demonstreren wat de invloed van brandvertragers op het verbrandingsproces is. Onderzoeksvraag Welke brandvertrager werkt het meest effectief bij de verbranding van spijkerstof? Nodig • 3 stukjes spijkerstof, elk met een afmeting van ca. 10 × 5 cm • 2 kroezentangen •brander • onderzetter (hittetegel) •aansteker •stopwatch • natriumwaterstofcarbonaatoplossing (nummer 1) • ammoniumcarbonaatoplossing (nummer 2) Veiligheid en milieu Deze proef moet door de docent of TOA in de zuurkast worden gedemonstreerd. Uitvoering (door docent of TOA) – Laat de leerlingen zien dat je drie (nagenoeg) identieke stukjes spijkerstof hebt. – Doop spijkerstof nummer 2 in zoutoplossing nummer 1. Beweeg het stukje stof goed met de kroezentang door de oplossing gedurende 1-2 minuten. – Doop spijkerstof nummer 3 in zoutoplossing nummer 2. Beweeg het stukje stof goed met de kroezentang door de oplossing gedurende 1-2 minuten. – Leg de stukjes spijkerstof naast elkaar op een papieren doek. Het doel is dat de spijkerstof droog wordt. Draai de stukjes om. Dep desnoods voorzichtig droog. – Zorg ervoor dat de brander netjes op de grote hittetegel staat. Voer de proef in de zuurkast uit. – Je dient bij de proef minimaal met twee personen te zijn. Persoon 1 steekt het stukje stof in brand, persoon 2 houdt de stopwatch in de gaten. – Steek de brander aan. – Houd spijkerstof 1 onder een hoek van 45 graden 10 cm boven de vlam. Tegelijk start persoon 2 de tijdwaarneming. Nova © Uitgeverij Malmberg H2 Chemische reacties §5 Practicum – Persoon 1 geeft aan wanneer het stukje stof vlam vat (tijd 1) en wanneer het stukje stof volledig is opgebrand (tijd 2). – Herhaal dit met de twee andere stukjes stof. Resultaten deel C 8 Noteer je waarnemingen. 9 Noteer de meetresultaten in de tabel. Verwerking 10Wat zijn de verschillen tussen de brandvertragers? 11Geef een verklaring voor die verschillen. Conclusie 12Beantwoord de onderzoeksvraag. ▼ tabel 12 meetresultaten van proef 5 spijkerstof tijd 1 (s) vlam vatten tijd 2 (s) volledig verbrand blanco / controle natriumwaterstofcarbonaat ammoniumcarbonaat Proef 6 Aantoningsreacties 30 min Inleiding Met een reagens kun je de aanwezigheid van bepaalde stoffen aantonen. Onderzoeksvragen 1 Welke stoffen komen vrij bij de verbranding van aardgas? 2 Hoe toon je deze verbrandingsproducten aan? Nodig •gasbrander •reageerbuis •rietje •kalkwater •spatel •roerstaaf •horlogeglas Veiligheid en milieu Doe een labjas aan en zet een (veiligheids)bril op. Uitvoering – Breng een klein schepje wit kopersulfaat op een horlogeglas. – Maak het uiteinde van een roerstaaf nat met water. – Raak met de roerstaaf het witte kopersulfaat aan. – Doe een beetje helder kalkwater in een reageerbuis en blaas hier met een rietje een paar keer lucht door, tot je duidelijke verandering in het kalkwater ziet. 84 – Steek een brander zo aan dat deze brandt met een kleine kleurloze vlam. – Plaats de erlenmeyer over de vlam, zodat de top van de brander net in de erlenmeyer steekt. Houd de erlenmeyer hierbij aan de onderkant vast! – Haal na een paar seconden de erlenmeyer uit de vlam en sluit hem direct af met een stop. – Open de erlenmeyer en doe er een beetje helder kalkwater in. Sluit de erlenmeyer weer zo snel mogelijk. – Schud de erlenmeyer. – Houd het bekerglas met koud water boven de gasvlam tot je condensvorming aan de buitenkant van het bekerglas ziet. – Breng de condens met de roerstaaf in aanraking met wit kopersulfaat van het horlogeglas. Resultaten 1 Noteer je waarnemingen. Verwerking 2 Welk gas is meer aanwezig in de lucht die je uitademt dan in de lucht die je inademt? 3 Welke stof heb je met het kalkwater aangetoond? 4 Welke stof toon je aan met wit kopersulfaat? 5 Welke stoffen komen in elk geval vrij bij de verbranding van aardgas? 6 Geef het reactieschema voor de verbranding van aardgas. Conclusie 7 Beantwoord de onderzoeksvragen. Nova © Uitgeverij Malmberg H2 Chemische reacties 6 Oefenen voor de toets Nieuw! 1 Lees figuur 33. Hoe komt de bemanning van het ruimtestation ISS aan zuurstof? Simon Bours (13 jaar) ▶ figuur 33 zuurstof aan boord van ruimtestation ISS Daarom: Er zijn tanks met zuurstof aan boord van het ruimtestation. Maar dat is voor nood. Normaal wordt de zuurstof met elektrische stroom gemaakt uit water. Stroom genoeg, want die komt uit al die zonnecellen aan de buitenkant van het station. En water is er ook genoeg, want er zijn apparaten die weer schoon water maken uit de plas van de ruimtevaarders en uit de lucht die ze uitademen. Als er elektriciteit gaat door water krijg je niet alleen zuurstof maar nog een ander gas: waterstof. In een speciaal toestel stoppen de ruimtevaarders dat bij een gas dat ze zelf uitademen (koolzuurgas) en dan krijgen ze nog meer water. Wat er overblijft heet methaan en dat blazen ze – pfff – de ruimte in. Ook een vraag? [email protected] naar: NRC Handelsblad (De kleine wetenschap) a In het ruimtestation ISS moet zuurstof aanwezig zijn. Waarom is het belangrijk dat er zuurstof aanwezig is in het ruimtestation? b Leg uit hoe hoog het volumepercentage zuurstof in de lucht van het ruimtestation zal moeten zijn. c Normaal gesproken wordt zuurstof met elektrische stroom uit water gemaakt. Wat is de naam van dit proces? d Geef de reactievergelijking van het maken van zuurstof uit water. e Het water halen ze onder andere uit de plas van de ruimtevaarders. De plas van mensen bestaat voor 98% uit water. Wat is de naam van de scheidingsmethode waarmee ze zuiver water kunnen maken in het ISS? f In het antwoord op de vraag van Simon Bours staat dat ze ook water maken door koolzuurgas en waterstof te laten reageren, waarbij onder andere water ontstaat. De chemische naam van koolzuurgas is koolstofdioxidegas. Noteer de vergelijking van deze reactie. naar: Chemie Aktueel 85 Nova © Uitgeverij Malmberg H2 Chemische reacties §6 Oefenen voor de toets 2 ▶ figuur 34 Progress-19 In juni 2005 begaf de zuurstofgenerator op het ISS het. In de tijd ervoor waren hiermee al regelmatig problemen geweest. Lees figuur 34. Progress-19 is een geautomatiseerd vrachtschip, gebaseerd op het Sojoez-ontwerp dat tot drie astronauten naar het ISS kan brengen. De Progress-schepen hebben in plaats van ruimte voor de bemanning een extra vrachtruim. Aan boord van Progress-19 waren bijvoorbeeld vers eten en nieuwe onderdelen voor de Elektron-zuurstofgenerator. Die hapert al sinds mei 2005. De bemanning redt zich sindsdien met reservezuurstof uit de gekoppelde Progress-reddingsboot en met ‘zuurstofkaarsen’: Solid Fuel Oxygen Generators. Voor de zekerheid had Progress-19 er daarvan veertien aan boord. naar: www.kennislink.nl a Zoals je weet verbruikt een normale kaars zuurstof om te kunnen branden. Het chemische proces van een zuurstofkaars werkt andersom: er komt juist zuurstof vrij. Een zuurstofkaars bevat natriumchloraat, NaClO3. Bij de reactie ontstaat naast zuurstof ook natriumchloride, NaCl. Geef de vergelijking van de reactie die optreedt als een zuurstofkaars zuurstof produceert. b Voor 1 g zuurstof is 2,22 g NaClO3 nodig. Stel één zuurstofkaars bevat 0,80 kg NaClO3. Bereken hoeveel kg zuurstof met één zuurstofkaars gemaakt kan worden. c De mens neemt in rust gemiddeld 2,0 g zuurstof per minuut op. Bereken hoelang een mens met de zuurstof uit één zuurstofkaars kan doen. naar: Chemie Aktueel 3 Een schoon brandende houtkachel is herkenbaar aan witte rook die uit de schoorsteen komt. In een houtkachel of een open haard mag alleen schoon, droog en onbehandeld hout worden verbrand. Vijf procent van de uitstoot van koolstofmono-oxide komt van houtkachels en open haarden. a Geef de formule van koolstofmono-oxide. b Bij verbranding van hout ontstaan koolstofdioxide en water. In figuur 35 staan vier opstellingen getekend. Welke van de opstellingen is geschikt om zowel het ontstane water als de koolstofdioxide aan te tonen? c Aan het branden van een houtkachel kun je zien of de verbranding onvolledig is. Noem een waarneming waaruit je kunt afleiden dat de verbranding onvolledig is. 86 Nova © Uitgeverij Malmberg H2 Chemische reacties §6 Oefenen voor de toets naar zuigpomp stukjes hout wit koud helder koper- water kalkwater sulfaat naar zuigpomp stukjes hout opstelling 1 wit koud helder koper- water kalkwater sulfaat opstelling 2 naar zuigpomp stukjes hout ▲ figuur 35 vier mogelijke opstellingen om de verbrandingsproducten van hout aan te tonen wit koud helder koper- water kalkwater sulfaat naar zuigpomp stukjes hout wit koud helder koper- water kalkwater sulfaat opstelling 4 opstelling 3 d De kwaliteit van de verbranding kan worden uitgedrukt in de giftigheidsindex (GI). Daarbij wordt eerst het aantal gram koolstofmonooxide en het aantal gram koolstofdioxide bepaald die bij de verbranding ontstaan. De GI kan daarna als volgt worden berekend: GI = aantal gram koolstofmono-oxide aantal gram koostofdioxide × 100 Houtkachel A heeft een GI van 2,6. Houtkachel B heeft een GI van 6,6. Leg uit in welke houtkachel de verbranding onvollediger verloopt: A of B. naar: examen vmbo scheikunde 2003 tijdvak 2 4 Geef de kloppende reactievergelijking van: a de ontleding van FeCl 3(s) in de elementen. b de vergisting van glucose, waarbij ethanol en koolstofdioxide ontstaan. c de volledige verbranding van stearinezuur, C18H36O2(s). 87 Nova © Uitgeverij Malmberg H2 Chemische reacties Praktijk ter voorbereiding van PTM-concept in bovenbouw. Geeft relevantie van het vak weer in aansprekende context. 7 DE CHEMIE ACHTER VUURWERK In de nacht van oud op nieuw is de hemel verlicht met prachtige kleuren en hoor je de knallen overal in de stad. Om het nieuwe jaar in te luiden wordt er vuurwerk afgestoken. Deze traditie kennen we pas sinds de jaren zestig van de vorige eeuw. Het gebruik van vuurwerk bij andere gelegenheden gaat echter duizenden jaren terug. Bij al die knallen, kleuren en geluiden komt een hoop scheikunde kijken! Nova © Uitgeverij Malmberg H2 Chemische reacties §7 Praktijk Geschiedenis Al duizenden jaren geleden gebruikten de Chinezen vuurwerk om boze geesten te verdrijven. Dit deden ze door buskruit in bamboe omhulsels aan te steken waardoor een harde knal ontstond. Dit was de eerste vorm van vuurwerk. In de middeleeuwen deed buskruit zijn intrede in Europa, in eerste instantie als wapen, maar al snel werd vuurwerk gebruikt bij feestelijke gelegenheden. Pas veel later, in de jaren zestig van de vorige eeuw, werd siervuurwerk steeds populairder met oud en nieuw. Explosies koolstof, gemengd met zwavel. Verbranding van deze stoffen met zuurstof uit de lucht is niet snel genoeg om een explosie te veroorzaken. Daarom is naast de brandstof ook een zuurstofleverancier (oxidator) nodig. Dit is een verbinding met zuurstofatomen die vrij kunnen komen door ontleding. De ontbrandingstemperatuur wordt bereikt door het vuurwerk aan te steken. Dit gaat via een lont, buskruit dat de Chinezen gebruikten. Het buskruit bestaat uit de oxidator salpeter (kaliumnitraat(s), KNO3(s)) en de brandstoffen houtskoolpoeder en zwavel. Het salpeter ontleedt onder vorming van kaliumoxide(s), K2O(s), stikstof(g) en zuurstof(g). Het gevormde zuurstof reageert vervolgens met het koolstof en de zwavel. Behalve salpeter kan ook kaliumchloraat, KClO3(s), of kaliumperchloraat, KClO4(s), als zuurstofleverancier worden gebruikt. Deze oxidatoren leveren meer zuurstof op waardoor de explosie heftiger verloopt. Hierbij kunnen temperaturen van wel 2000 °C worden bereikt. Naast buskruit kunnen aan het kruitmengsel (de sas) verschillende stoffen worden toegevoegd om allerlei effecten als kleuren, licht, rookontwikkeling en geluiden te creëren (figuur 1). Eén vuurpijl of fontein kan verschillende sassen bevatten die beurtelings ontbranden, waardoor de effecten elkaar opvolgen. Het maken van vuurwerk is dan ook een ingewikkeld proces waarvoor veel kennis van chemische stoffen nodig is. Omdat het kruitmengsel zo explosief is, is het mengen hiervan niet zonder gevaren en moet dit voorzichtig en gecontroleerd gebeuren. Het maken van vuurwerk wordt pyrotechniek genoemd. Het ontstane gasmengsel zorgt voor voldoende stuwkracht om de pijl de lucht in te schieten. Bij het knallen van een rotje of het afschieten van een vuurpijl treedt een explosieve reactie op. Dit is een snelle verbrandingsreactie waarbij in korte tijd veel gasvormige reactieproducten ontstaan. Bij deze reactie komt ook veel energie in de vorm van warmte vrij. Doordat deze gassen bij hoge temperatuur een groot volume innemen, neemt de druk enorm toe. In knalvuurwerk, zoals rotjes, wordt het buskruit in een gesloten omhulsel ontstoken. De gassen die ontstaan zorgen ervoor dat het omhulsel met een knal uit elkaar spat. Bij vuurpijlen is de onderkant van de pijl open. Het ontstane gasmengsel zorgt voor voldoende stuwkracht om de pijl de lucht in te schieten. Voor een verbrandingsreactie zijn een brandstof, zuurstof en een ontbrandingstemperatuur nodig. De brandstof in vuurwerk is meestal zodat je voldoende tijd hebt om uit de buurt te komen voordat het vuurwerk ontploft. Kruit De basis van vuurwerk is in feite nog steeds hetzelfde als het ▲ figuur 1 Door de samenstelling van de sassen te variëren, kunnen tal van effecten worden gecreëerd. 89 Licht-, kleur- en geluidseffecten Lichteffecten zoals sterretjes en lichtflitsen worden veroorzaakt door reacties van magnesium, Nova © Uitgeverij Malmberg H2 Chemische reacties aluminium of ijzerdeeltjes met zuurstof. Afhankelijk van de grootte van deze deeltjes die aan de sassen worden toegevoegd, ontstaan vonken (sterretjeseffect) of lichtflitsen. IJzer ontbrandt met een geeloranje licht, aluminium en magnesium geven fel wit licht. Voor overige kleureffecten worden verbindingen van verschillende metalen toegevoegd. Door verhitting zenden deze verbindingen licht in een bepaalde kleur uit. In tabel 1 staan de kleuren van een aantal van deze verbindingen. Aan de sas kunnen ook stoffen worden toegevoegd die voor sterke rookontwikkeling of een fluitend geluid zorgen. De opbouw van een vuurpijl In een vuurpijl zitten meestal Maatschappelijk relevant verschillende sassen. Onderin zit het kruitmengsel dat ervoor zorgt dat de pijl de lucht wordt ingescho- §7 Praktijk ▼ tabel 1 Diverse metaalverbindingen zorgen voor kleureffecten in vuurwerk. verbinding met kleur barium groen calcium oranje koper blauw natrium geel strontium rood ten: de aandrijflading. Dit wordt via een lont tot ontbranding gebracht. In een aparte ruimte zit de effectlading, het kruitmengsel dat in de lucht voor verschillende effecten zorgt. Dit mengsel moet vertraagd tot ontbranding worden gebracht, zodat het pas hoog in de lucht het gewenste effect geeft. In figuur 2 is de opbouw van een vuurpijl schematisch weergegeven. Gevolgen voor milieu Bij het afsteken van vuurwerk komen veel fijne stofdeeltjes vrij. Deze deeltjes veroorzaken smog. De Overlast en ongelukken Jaarlijks gebeuren er ongelukken met vuurwerk. Dit komt vooral door illegaal vuurwerk en zogeheten weigeraars, vuurwerk dat bij het afsteken niet tot ontbranding is gekomen. Deze weigeraars hebben vaak een kortere lont doordat een deel van de lont al is opgebrand. Door dit vuurwerk opnieuw aan te steken, loop je het gevaar dat het te snel tot ontbranding komt. Vuurwerk veroorzaakt voornamelijk letsel aan vingers, handen en ogen. Daarnaast kan het ook blijvende gehoorschade opleveren. De meeste ongelukken gebeuren met jongeren onder de 20 jaar. Om jongeren bewust te maken van de gevaren, worden in de weken voor de jaarwisseling diverse campagnes gevoerd door de overheid en op scholen. Stichting Halt geeft op veel scholen voorlichting over de gevaren van vuurwerk. 90 normale gemiddelde concentratie van fijnstof ligt rond de 20 μg/m3. Bij een concentratie boven de 200 μg/m3 spreekt men van ernstige smog. Rondom de jaarwisseling kan de concentratie fijnstof plaatselijk zelfs oplopen tot ruim 1500 μg/m3, afhankelijk van de weersomstandigheden. Mensen met longproblemen, zoals astmapatiënten, wordt daarom geadviseerd om rond de jaarwisseling binnen te blijven. buskruit met toevoegingen die zorgen voor kleuren kartonnen omhulsel buskruit voor de vlucht langzaam brandend lont snel brandend lont ▲ figuur 2 de opbouw van een vuurpijl stok voor stabiliteit tijdens de vlucht Nova © Uitgeverij Malmberg H2 Chemische reacties §7 Praktijk Naast de fijnstofdeeltjes komen bij het ontsteken van vuurwerk ook zware metalen als barium, strontium en koper vrij. Deze komen deels terecht in het oppervlaktewater en zijn schadelijk voor vissen en andere organismen die in het water leven. Ook de vuurwerkresten leveren veel verontreiniging op. Niet-opgeruimde vuurwerkresten breken maar moeilijk af en kunnen jaren in het milieu achterblijven (figuur 3). ▶ figuur 3 Op 1 januari zien de straten er vaak zo uit. Opgaven 1 In buskruit zitten de brandstoffen koolstof en zwavel. Bij de volledige verbranding van zwavel ontstaat zwaveldioxide. a Geef de vergelijkingen van de volledige verbranding van koolstof en zwavel. b Leg uit waarom deze reactie in de lucht niet explosief verloopt. c Geef de reactievergelijking van de ontleding van salpeter. d Bij ontleding van kaliumchloraat en kaliumperchloraat ontstaat naast zuurstof de vaste stof kaliumchloride, KCl(s). Geef de reactievergelijkingen van de ontleding van kaliumchloraat en kaliumperchloraat. e Leg aan de hand van de reactievergelijkingen bij vraag c en d uit welke van de drie zuurstofleveranciers de meeste zuurstof oplevert. 2 Bij het ontsteken van buskruit treden onder andere de volgende twee (niet-kloppende) reacties op: KNO3(s) + S(s) g K2SO4(s) + NO(g) KNO3(s) + C(s) g K2CO3(s) + N2(g) + CO2(g) + CO(g) a Maak de vergelijkingen kloppend. b Leg met behulp van het deeltjesmodel uit dat de reactieproducten van het ontsteken van buskruit veel meer volume innemen dan de beginstoffen. c Als buskruit wordt ontstoken in een buis die aan één kant open is, ontstaat een vuurpijl. Licht de werking van de vuurpijl toe. 3 De laatste jaren organiseren steeds meer gemeenten een vuurwerkshow. De grootste is in Rotterdam. Hier komen jaarlijks tienduizenden mensen op af. Leg uit waarom een vuurwerkshow zorgt voor minder ongelukken en overlast rond oud en nieuw. 4 Op een bepaalde plaats wordt om 00:10 uur een fijnstofconcentratie gemeten van 1580 μm/m3. De grenswaarde voor fijnstof is een daggemiddelde van 50 μm/m3. a Ga met een berekening na hoe vaak de grenswaarde wordt overschreden. b Leg uit waarom dit voor de meeste mensen niet schadelijk is. 91 HAVO leerjaar 4 1 Atoombouw Voorkennistoets Praktijk Theorie 1.1 Atoommodel 1.2 Periodiek systeem (vervolg op deel 3H) 1.3 Atoommassa en molecuulmassa (vervolg op deel 3H) 1.4 Significante cijfers (vervolg op deel 3H) Practica Oefenen voor de toets Maatschappij 2 Rekenen aan reacties Doe-hoofdstuk tussen twee abstracte hoofdstukken in; significantie wordt direct toegepast Voorkennistoets Praktijk Theorie 2.1 De hoeveelheid stof 2.2 Molaire massa 2.3 Gehaltes 2.4 Rekenen aan reacties Practica Oefenen voor de toets Maatschappij 3 Bindingstypen In navolging op deeltjes-denken uit leerjaar 3 wordt hier micro/meso/macro geïntroduceerd Voorkennistoets Praktijk Theorie 3.1 Metaalbinding 3.2 Molecuulbinding en atoombinding (vervolg op deel 3H) 3.3 Polaire atoombinding 3.4 Waterstofbruggen 3.5 Ionbinding (inclusief samenvattend schema van bindingen) Practica Oefenen voor de toets Maatschappij 4 Zouten Voorkennistoets Praktijk Theorie 4.1 Verhoudingsformules 4.2 Oplosbaarheid 4.3 Neerslagreacties 4.4 Bijzondere zouten 4.5 Rekenen aan zoutoplossingen Practica Oefenen voor de toets Maatschappij 5 Koolstofverbindingen Voorkennistoets Praktijk Theorie 5.1 Brandstoffen (vervolg op deel 3H) 5.2Kraken (vervolg op deel 3H) 5.3 Systematische naamgeving 5.4 Additie en substitutie 5.5Alcoholen (vervolg op deel 3H) 5.6 Carbonzuren en aminen Practica Oefenen voor de toets Maatschappij 6 Reacties in beweging Voorkennistoets Praktijk Theorie 6.1 Reactiewarmte (vervolg op deel 3H) 6.2Reactiesnelheid (vervolg op deel 3H) 6.3 Meten aan reactiesnelheid 6.4Evenwichtsreacties 6.5Evenwichtsvoorwaarde Practica Oefenen voor de toets Maatschappij HAVO leerjaar 5 7Redoxchemie Het opstellen van halfreacties en een totaalreactie vinden leerlingen i.h.a. gemakkelijker dan zuurbasereacties. Voorkennistoets Praktijk Theorie 7.1Elektronenoverdracht 7.2Redoxreacties 7.3Energiebronnen 7.4 Bescherming van metalen 7.5Redoxtitraties Practica Oefenen voor de toets Maatschappij 8 Zuren en basen Voorkennistoets Praktijk Theorie 8.1 Zure, neutrale en basische oplossingen 8.2 Zuren en zure oplossingen; pH-berekeningen 8.3 Basen en basische oplossingen; pH-berekeningen 8.4Zuur-basereacties 8.5 Zuren en basen in het milieu 8.6Zuur-basetitraties Practica Oefenen voor de toets Maatschappij 10 Chemie van het leven Voorkennistoets Praktijk Theorie 10.1 Voedingsstoffen 10.2 Vetten en oliën 10.3 Koolhydraten 10.4 Eiwitten 10.5 Giftige stoffen Practica Oefenen voor de toets Maatschappij 11 Groenere industrie Voorkennistoets Praktijk Theorie 11.1Productieprocessen 11.2 Van grondstof tot product 11.3 Kostenmodel 11.4 Groene productieprocessen 11.5 Biobrandstoffen Practica Oefenen voor de toets Maatschappij 9Polymeren Voorkennistoets Praktijk Theorie 9.1 Kunststoffen 9.2Polyalkenen 9.3 Esters, polyesters en polyamiden 9.4 Kunststoffen verwerken 9.5Bioplastics 9.6 Bijzondere polymeren 9.7 Kunststoffen hergebruiken Practica Oefenen voor de toets Maatschappij Inhoudsopgaven zijn onder voorbehoud.
