AUTEURS: EINDREDACTIE: MET MEDEWERKING VAN:

Transcriptie

1 4 vmbo-gt handboek nask 2

2 Inhoudsopgave Voorwoord Stoffen en deeltjes 1 De indeling van stoffen 8 2 Het periodiek systeem 14 3 Het atoommodel 19 4 Ontleedbare stoffen: enkelvoudige ionen 23 5 Ontleedbare stoffen: samengestelde ionen 28 6 Moleculaire stoffen, molecuulmassa en massapercentage 33 7 Chemisch rekenen 37 Chemische reacties 1 Stoffen verhitten 46 2 Ontledingsreacties 50 3 Reactievergelijkingen opstellen 55 4 Massa s en massaverhoudingen 59 3 Verbrandingen 1 Verbrandingsreacties 66 2 Brand blussen 69 3 Rekenen aan verbrandingsreacties 72 4 Volledige en onvolledige verbranding 77 5 Brandstoffen en milieuvervuiling 82 6 Reactiesnelheid 88 4 Mengen en scheiden 1 De fasen van een stof 94 2 Onderverdeling van stoffen 97 3 Mengsels Scheiden van mengsels Samenstelling van mengsels Zouten 1 Oplossen en indampen van zouten Zoutoplossingen bij elkaar brengen Een slecht oplosbaar zout maken Ongewenste ionen verwijderen Een zout herkennen 132 Zuren en basen 1 Zure, neutrale en basische oplossingen De eigenschappen van zuren De eigenschappen van basen Zuur basereacties Zuren en basen in het milieu Titraties 156

3 H8 Stoffen en hun eigenschappen 7 Water en reinigen 1 Water Water winnen en gebruiken Hard water Schoonmaakmiddelen Materialen 1 De indeling van metalen Reacties van metalen Ertsen en de winning van ijzer De winning van aluminium en recycling Koolstofchemie 1 Aardolie Alkanen en alkenen Maken van kunststoffen Toepassing van kunststoffen 209 Vaardigheden 1 Een proefwerk of schoolexamen voorbereiden Het centraal schriftelijk eindexamen voorbereiden Algemene veiligheidsvoorschriften Werken met de brander Spatels gebruiken Werken met stoffen Filtreren Omgaan met glaswerk Een onderzoeksverslag schrijven Werken met grootheden en eenheden Werken met voorvoegsels Eenheden omrekenen Een poster maken Grafieken tekenen Blokschema s maken 231 Trefwoordenregister 232 Colofon 236

4 44

5 2 Chemische reacties Chemische reacties in de praktijk Met het slim toepassen van chemische reacties kan veel geld verdiend worden. Alfred Nobel bedacht een manier om de explosieve ontledingsreactie van nitroglycerine, de werkzame stof in dynamiet, op een gecontroleerde manier te starten. Van het geld dat hij hiermee verdiend heeft, wordt een forse geldprijs (de Nobelprijs) uitgereikt aan wetenschappers die iets bijzonders ontdekt of uitgevonden hebben. 1 Stoffen verhitten 46 2 Ontledingsreacties 50 3 Reactievergelijkingen opstellen 55 4 Massa s en massaverhoudingen 59 45

6 1 Stoffen verhitten Stoffen kunnen veranderen als je ze verhit. Het braden van vlees, het koken van water en de schroeiplekken die ontstaan bij het strijken van wasgoed zijn voorbeelden hiervan. Als je een stof verhit, kun je verschillende verschijnselen waarnemen, zoals: chemische reacties gloeien een faseverandering afbeelding 1 Bij barbecueën verdwijnen er stoffen en ontstaan er nieuwe. Er heeft dan een chemische reactie plaatsgevonden. Chemische reacties Veel stoffen veranderen wanneer je ze verhit. De stof die je verhit, verdwijnt. Uit de stof die verdwijnt ontstaan nieuwe stoffen. De nieuwe stoffen hebben andere stofeigenschappen dan de stoffen die vóór de reactie aanwezig waren. Dat kun je bijvoorbeeld zien als je op een lange zomeravond buiten lekker zit te barbecueën. Het gaar worden van het vlees is een chemische reactie (afbeelding 1). Er vindt ook een chemische reactie plaats als het vlees aanbrandt en zwart wordt. De zwarte stof bestaat voor het grootste gedeelte uit koolstof. Koolstof is een nieuwe stof die tijdens het barbecueën is ontstaan. Een aangebrand stukje vlees haal je snel van de barbecue. Als je het toch langer laat liggen, zal het vlees na enige tijd bijna geheel uit de zwarte stof bestaan. Van de oorspronkelijke stoffen waaruit het vlees bestond, is niets meer over. Deze zijn allemaal verdwenen en zijn veranderd in koolstof. Bij een chemische reactie verdwijnen stoffen en ontstaan er nieuwe stoffen. De stoffen die bij een chemische reactie ontstaan, noem je de reactieproducten. De stoffen waarmee je begint, zijn de beginstoffen. Een chemische reactie noteer je met behulp van een reactieschema: beginstof(fen) g reactieproduct(en) Verbrandingsreacties Wanneer je papier verbrandt, zie je verbrandingsverschijnselen zoals vuur en rook. Voor een dergelijke chemische reactie heb je behalve een brandstof ook altijd zuurstof nodig. 46

7 1 Stoffen verhitten Het reactieschema voor een verbrandingsreactie kun je als volgt weergeven: brandstof + zuurstof g verbrandingsproduct(en) Bij een verbrandingsreactie ontstaan de oxiden van de elementen waaruit de brandstof is opgebouwd. Bij veel verbrandingsreacties, bijvoorbeeld bij de verbranding van benzine, ontstaan koolstofdioxide en water. Het reactieschema voor de verbranding van benzine is dus: benzine + zuurstof g koolstofdioxide + water Verbrandingsreacties worden in hoofdstuk 3 verder behandeld. Ontledingsreacties Als je een paar stukjes hout in een reageerbuis sterk verhit zonder dat er zuurstof bij kan komen, zie je geen vuur (afbeelding 2). Het hout kan door gebrek aan zuurstof immers niet branden. Toch zie je allerlei nieuwe stoffen ontstaan: een vaste zwarte stof (koolstof), een heldere en kleurloze vloeistof (water) en een sterk ruikende, brandbare walm. Het reactieschema kun je als volgt noteren: hout(s) g koolstof(s) + water(l) + brandbare walm brandbaar gas hout afbeelding 2 opstelling voor de ontleding van hout bekerglas met koud water water Bij deze reactie worden uit één beginstof meerdere reactieproducten gevormd. Een dergelijke reactie noem je een ontledingsreactie. Een ontledingsreactie is een reactie waarbij uit één beginstof meerdere reactieproducten worden gevormd. 47

8 1 Stoffen verhitten Ontledingsreacties vinden plaats als je een stof verhit zonder dat er zuurstof aanwezig is. Bij verbrandingsreacties moet er juist wél zuurstof aanwezig zijn. Er is nog een verschil: een verbrandingsreactie houdt zich aan de gang met de warmte die vrijkomt. De verbranding stopt pas als de brandstof (of de zuurstof) op is. Bij een ontleding komt geen warmte vrij, maar is er juist warmte (energie) nodig. De ontleding stopt als je ophoudt met energie (warmte) toevoeren. afbeelding 3 een smid aan het werk Gloeien Als je een stof sterk verhit, kan deze gaan gloeien. Dat zie je als je een ijzeren staaf in een gasvlam houdt of als een smid bezig is met het smeden van ijzer. Het werkstuk van de smid wordt zo heet dat het licht gaat uitzenden (afbeelding 3). Hierbij verdwijnen er geen stoffen; ook ontstaan er géén nieuwe stoffen. Als de smid met een ijzeren staaf begonnen is, bestaat na het bewerken de staaf nog steeds uit de stof ijzer. Gloeien is dus géén chemische reactie. afbeelding 4 Bij het smelten van ijs ontstaan geen nieuwe stoffen. Faseverandering Als je water voldoende afkoelt, verandert het in ijs. Het vloeibare water is vast geworden, maar het water is niet in een andere stof veranderd. IJs bestaat uit de stof water. Als je het ijs gaat verhitten, smelt het en ontstaat er weer vloeibaar water. Bij dit proces verdwijnen er geen stoffen en ontstaan er geen nieuwe stoffen. Fase-overgangen zijn dus geen chemische reacties. WB MAAK NU DE OPGAVEN IN JE WERKBOEK. 48

9 1 Stoffen verhitten Plus Brandt de zon? Aan de buitenkant van de zon is de temperatuur ongeveer 6000 C. In het binnenste is de temperatuur zo n 15 miljoen C. Toch heeft de hoge temperatuur van de zon niets met brand te maken. Voor brand is namelijk zuurstof nodig en er is helemaal geen zuurstof in de ruimte. De energie die de zon verlaat, wordt geproduceerd door kernfusiereacties. Elke seconde wordt zo n ton waterstof omgezet in ongeveer ton helium. De resterende ton wordt omgezet in energie in de vorm van gammastraling. De zon is ongeveer 4,5 miljard jaar oud. Sinds haar geboorte heeft ze ongeveer de helft van haar waterstof omgezet. Ze zal nog 5 miljard jaar op een vreedzame manier blijven stralen. Dan zal al de waterstof opgebruikt zijn. afbeelding 5 Zonne-energie ontstaat niet door verbrandingsreacties, maar door kernfusie. 49

10 2 Ontledingsreacties Veel stoffen ontleden als je ze voldoende verhit. Maar ook met licht of elektrische stroom kun je stoffen ontleden. Voor het ontleden van stoffen is energie nodig. Deze energie kun je op verschillende manieren aan een stof toevoeren. Er zijn drie manieren om een stof te ontleden: door warmte door licht door elektrische stroom Thermolyse Thermolyse is een ontledingsreactie door middel van warmte. Vaak ontstaan er bij thermolysereacties gassen die je kunt ruiken (een schroeilucht of een brandlucht). In de vorige paragraaf heb je gezien dat je hout kunt ontleden door middel van warmte. Bij de thermolysereactie van hout ontstaat er onder meer koolstof. Ook suiker kun je thermolyseren (afbeelding 6). Daarbij wordt de suiker geelbruin en ruik je een karamelgeur. Wanneer je doorgaat met verhitten, ontstaat er naast water ook een brandbare walm. Uiteindelijk blijft er in de reageerbuis vrijwel alleen koolstof over. Het reactieschema van de thermolyse van suiker is: afbeelding 6 de thermolyse van suiker suiker(s) g koolstof(s) + water + brandbare walm 50

11 2 Ontledingsreacties Fotolyse Een woonhuis moet regelmatig geschilderd worden. Na verloop van tijd wordt de verf flets van kleur en hij kan uiteindelijk zelfs gaan bladderen (afbeelding 7). Dit proces wordt in gang gezet door wind, regen en zonlicht. De kleurstoffen in verf ontleden door het zonlicht en verliezen zo hun kleur. Een ontleding door middel van licht wordt fotolyse genoemd. Elektrolyse Sommige stoffen kunnen onder invloed van elektrische energie worden ontleed. Zo n ontledingsreactie heet elektrolyse. Elektrolyse is een ontledingsreactie door middel van elektrische energie. afbeelding 7 Verf ontleedt onder invloed van zonlicht. Water kan door middel van elektrolyse ontleed worden. Tijdens de elektrolyse van water ontstaan de gassen waterstof en zuurstof. Het reactieschema van de elektrolyse is: water(l) g waterstof + zuurstof elektrische energie H H O H H + O O H O H H H afbeelding 8 de elektrolyse van water Met het toestel van Hofmann kun je water ontleden door elektrolyse (afbeelding 9). In het elektrolysetoestel zijn twee elektroden in het (aangezuurde) water geplaatst. De elektroden zorgen voor het contact van de spanningsbron met het water. De elektroden zijn verbonden met de plus- en minpool van een gelijkspanningsbron. afbeelding 9 de elektrolyse van water met het toestel van Hofmann 51

12 2 Ontledingsreacties De negatieve elektrode is de elektrode die met de minpool is verbonden. De positieve elektrode is de elektrode die met de pluspool is verbonden. Bij de positieve elektrode wordt zuurstof gevormd. Bij de negatieve elektrode ontstaat waterstof. Bij de elektrolyse is het volume van de ontstane waterstof 2 zo groot als het volume van de ontstane zuurstof. Zuurstof en waterstof aantonen Je kunt de gassen waterstof en zuurstof via typerende reacties aantonen. Elke verbrandingsreactie vereist zuurstof. In zuivere zuurstof gaan verbrandingen veel sneller. Je kunt zuurstof aantonen door een gloeiende houtspaander in een reageerbuis met zuurstof te houden. In zuivere zuurstof gaat de houtspaander feller gloeien of zelfs branden (afbeelding 10). Dit is de aantoningsreactie van zuurstof. afbeelding 10 In zuivere zuurstof gaat een gloeiende houtspaander fel branden. Wanneer je waterstof wilt aantonen, vang je de waterstof op in een reageerbuis. Houd vervolgens de opening van de reageerbuis bij een vlammetje. Je hoort dan een typerend blafgeluid. Wanneer je dit specifieke geluid hoort, weet je zeker dat het gas in de reageerbuis waterstof is. Dit is de aantoningsreactie van waterstof. Waterstof is een uitstekende brandstof. Als een auto op waterstof zou kunnen rijden, zou er puur water uit de uitlaat komen! Dat lost veel milieuproblemen op. Voor het ontleden van water is echter veel elektrische energie nodig. Het heeft weinig nut om een wagen op een schone brandstof te laten rijden als het milieu vervuild wordt bij het maken van die brandstof. Dat is bijvoorbeeld het geval als de benodigde energie voor de elektrolyse opgewekt wordt in een elektriciteitscentrale die je met kolen stookt. afbeelding 11 Toyota is bezig met het ontwikkelen van een auto die op waterstof rijdt. 52

13 2 Ontledingsreacties Alleen groene stroom (elektrische energie) wordt op een milieuvriendelijke manier opgewekt (afbeelding 12). Waterstoffabrieken kun je dus het beste bouwen in de buurt van windmolenparken, waterkrachtcentrales of in gebieden waar de zon veel schijnt. De kennis en technologie om waterstof te produceren in dergelijke fabrieken is al ontwikkeld. afbeelding 12 Met zonnecellen, windmolens en waterkrachtcentrales kun je groene stroom opwekken. Ontleedbare en niet-ontleedbare stoffen Bij de ontleding van suiker ontstaat water. Water is een stof die je nog verder kunt ontleden in waterstof en zuurstof. Waterstof en zuurstof kun je, met behulp van een chemische reactie, niet meer verder ontleden. Zuivere stoffen kunnen worden verdeeld in ontleedbare stoffen en niet-ontleedbare stoffen (afbeelding 13). Een ontleedbare stof, ook wel verbinding genoemd, is een zuivere stof die je nog kunt ontleden. Verbindingen bestaan uit meerdere atoomsoorten en kunnen onderverdeeld worden in moleculaire verbindingen en ionaire verbindingen. Een moleculaire verbinding bestaat uit één soort moleculen. Een ionaire verbinding (zout) bestaat uit ionen die in een bepaalde verhouding in een vast patroon zijn gerangschikt. Een niet-ontleedbare stof bestaat uit één atoomsoort en zo n stof kun je niet meer verder ontleden. De elementen in het periodiek systeem zijn allemaal stoffen die je niet verder kunt ontleden door een chemische reactie. Lees eventueel hoofdstuk 1 nog eens na. Daar is deze theorie uitgebreid behandeld. WB MAAK NU DE OPGAVEN IN JE WERKBOEK. zuivere stoffen ontleedbare stoffen/verbindingen ontleden niet-ontleedbare stoffen/elementen afbeelding 13 overzicht van de onderverdeling van stoffen ionaire verbindingen moleculaire verbindingen 53

14 2 Ontledingsreacties Plus Meekleurende brillenglazen Proef 1 Het bijzondere van meekleurende brillenglazen is dat ze zich aanpassen aan de hoeveelheid licht. Het geheim daarvan schuilt in een stof die al heel lang in de fotografie wordt toegepast: zilverchloride. Zilverchloride is een verbinding die ontleedt onder invloed van licht. Zilverchloride wordt opgelost in het gesmolten (en dus vloeibare) brillenglas. Na afkoelen stolt het glas en kristalliseert het zilverchloride uit; het zit dan gelijkmatig verdeeld door het glas in de vorm van kleine kristallen. Als het glas wordt blootgesteld aan zonlicht, wordt dit glas donker. In zonlicht gaan de zilver-ionen over in zilveratomen. Deze klonteren samen tot kleine zilverdeeltjes. Deze zilverdeeltjes maken het glas donker en houden een deel van het licht tegen. Als een wolk voor de zon verschijnt, worden de zilveratomen wederom zilver-ionen die, met de chloride-ionen, weer zilverchloridekristallen vormen. Het glas wordt opnieuw helder. metallisch zilver zilverchloridekristallen afbeelding 14 Zilveratomen veranderen in zilverionen en weer terug. licht 54

15 3 Reactievergelijkingen opstellen Bij ontledingsreacties ontstaan nieuwe stoffen. Bij het ontleden van nitroglycerine, de werkzame stof in dynamiet, ontstaat zo veel gas dat er een explosie optreedt. Hoeveel gas er precies ontstaat, kun je nagaan door een kloppende reactievergelijking op te stellen. Het kloppend maken van een reactievergelijking Een verbinding is opgebouwd uit verschillende atomen. Bij een ontledingsreactie valt de verbinding uit elkaar in een aantal nieuwe stoffen. Als je lang genoeg doorgaat met ontleden, blijven de atomen over waar de verbinding uit is opgebouwd. Atomen kun je niet verder ontleden en ze kunnen dus ook niet verdwijnen bij een chemische reactie. Hiervan maak je gebruik bij het kloppend maken van reactievergelijkingen, bijvoorbeeld bij de ontleding van de vaste stof kaliumchloraat (KClO 3 ). Hierbij ontstaan de vaste stof kaliumchloride en zuurstofgas. Het kloppend maken begint met het opstellen van het reactieschema. Hierbij noteer je ook de fase (vast, vloeibaar, gasvormig) van alle stoffen. kaliumchloraat(s) g kaliumchloride(s) + zuurstof Wanneer je in een reactieschema de naam van elke stof vervangt door zijn formule, krijg je een reactievergelijking. Hierbij gebruik je de molecuulformules van de stoffen: KClO 3 (s) g KCl(s) + O 2 Zuurstof noteer je niet als O, maar als O 2. In hoofdstuk 1 heb je namelijk geleerd dat sommige stoffen, zoals zuurstof, alleen als twee-atomig molecuul voorkomen. In de reactievergelijking moet je zuurstof dan ook als O 2 noteren. Je controleert of deze reactievergelijking klopt, door van iedere atoomsoort na te gaan of er voor de pijl net zo veel atomen genoteerd staan als na de pijl. In 1 molecuul kaliumchloraat zijn 1 atoom kalium, 1 atoom chloor en 3 atomen zuurstof aanwezig. De reactievergelijking klopt dus al voor de chloor- en kaliumatomen, maar niet voor de zuurstofatomen. Voor de pijl staan 3 zuurstofatomen; na de pijl slechts 2. Je mag niets veranderen aan de indexgetallen in de molecuulformules. Wel mag je het aantal moleculen veranderen. Hierbij mag je, als tussenstap, met breuken werken. Je kunt de vergelijking kloppend maken door het getal 1½ in te vullen voor zuurstof. 55

16 3 Reactievergelijkingen opstellen KClO 3 (s) g KCl(s) + 1½ O 2 Het getal 1½ voor zuurstof noem je het coëfficiëntgetal. Een coëfficiëntgetal geeft het aantal deeltjes in een reactievergelijking weer. Het coëfficiëntgetal 1 wordt altijd weggelaten. Door het plaatsen van het coëfficiëntgetal 1½ klopt de reactievergelijking. Maar halve moleculen bestaan niet en kunnen dus ook niet in een reactievergelijking voorkomen. Dat los je op door de hele reactievergelijking met 2 te vermenigvuldigen. Je moet dus alle coëfficiëntgetallen met 2 vermenigvuldigen. Houd er rekening mee dat voor KClO 3 en KCl het coëfficiëntgetal 1 staat. De reactievergelijking wordt dan: 2 KClO 3 (s) g 2 KCl(s) + 3 O 2 Nu klopt de reactievergelijking voor alle aanwezige atoomsoorten. Een reactievergelijking is kloppend wanneer het aantal atomen van elke atoomsoort voor en na de reactie aan elkaar gelijk is. Let er op dat coëfficiëntgetallen altijd zo klein mogelijke, gehele getallen moeten zijn. afbeelding 15 Alfred Nobel als jonge man De ontledingsreactie in dynamiet Alfred Nobel staat bekend als de uitvinder van het dynamiet. Toch heeft hij niet zozeer het werkzame ingrediënt van dynamiet nitroglycerine uitgevonden, als wel een manier om deze stof hanteerbaar te maken als springstof. O 2 NO CH H 2 C ONO 2 H 2 C ONO 2 Nitroglycerine (afbeelding 16) is van zichzelf uiterst brandbaar. Het bestaat uit grote moleculen die gemakkelijk in kleinere stukjes uiteenvallen. Een kleine slag of stoot is al voldoende om de ontledingsreactie in gang te zetten. Als een vrachtwagen geladen met nitroglycerine door een gat in de weg rijdt, kan de lading al tot ontploffing gebracht worden. Dat maakt nitroglycerine een onvoorspelbare en dus uiterst onbetrouwbare stof. afbeelding 16 nitroglycerine, C 3 H 5 N 3 O 9 Bij de explosie ontleedt nitroglycerine, C 3 H 5 N 3 O 9, in koolstofdioxide, waterdamp, stikstof en zuurstof. Het reactieschema van deze ontledingsreactie is: nitroglycerine(l) g koolstofdioxide + water + stikstof + zuurstof C 3 H 5 N 3 O 9 (l) g CO 2 + H 2 O + N 2 + O 2 Deze reactievergelijking kun je kloppend maken met breuken: (1) C 3 H 5 N 3 O 9 (l) g 3 CO 2 + 2½ H 2 O + 1½ N 2 + ¼ O 2 56

17 3 Reactievergelijkingen opstellen Wanneer je breuken als coëfficiënt hebt gebruikt, moet je deze wegwerken. Halve en kwart moleculen bestaan namelijk niet. De breuken werk je weg door alle coëfficiënten te vermenigvuldigen met het grootste getal onder de breukstreep (de noemer). In dit geval moet je alle coëfficiënten met 4 vermenigvuldigen. De coëfficiëntgetallen moeten altijd zo klein mogelijke, gehele getallen zijn. De reactievergelijking wordt dan: 4 C 3 H 5 N 3 O 9 (l) g 12 CO H 2 O + 6 N 2 + O 2 De reactievergelijking is nu kloppend. Het aantal atomen van elke atoomsoort voor en na de pijl is aan elkaar gelijk. Zoals je kunt zien in de reactievergelijking ontstaan er alleen maar gassen. Het volume van de gassen is ongeveer 7000 zo groot als het volume van de vloeistof. Dit is een van de redenen waarom nitroglycerine een krachtige springstof is. Er ontstaat zuurstof bij de reactie. Omdat er geen zuurstof nodig is voor deze explosie, wordt nitroglycerine ook gebruikt als springstof onder water. Alfred Nobel ontdekte dat de gevoeligheid van het materiaal aanzienlijk kon worden verminderd door de nitroglycerine te laten opzuigen in een poreuze stof, zoals zaagsel of kiezelgoer (een soort poreuze klei). Deze ontdekking maakte hem rijk. afbeelding 17 Dynamiet heeft een enorme explosiekracht. 57

18 3 Reactievergelijkingen opstellen Reactievergelijking Proef 2 Je stelt een reactievergelijking als volgt op: 1 Stel het reactieschema op in woorden. 2 Zet de toestandsaanduiding, (s), (l), of (aq), achter de naam van de stof. 3 Vervang de namen van de stoffen door hun eigen formules. Ook hierachter noteer je de toestandsaanduidingen. Controleer of links en rechts van de pijl dezelfde atoomsoorten voorkomen. 4 Maak de reactievergelijking kloppend door vóór de formules de juiste coëfficiëntgetallen te plaatsen. Voor en na de pijl moet het aantal atomen van elke atoomsoort aan elkaar gelijk zijn. De coëfficiëntgetallen moeten zo klein mogelijke, gehele, getallen zijn. WB MAAK NU DE OPGAVEN IN JE WERKBOEK. Plus Slaghoedje Het mengsel van drie delen nitroglycerine plus één deel kiezelgoer noemde Alfred Nobel dynamiet. Door de combinatie met een uitvinding van een jaar eerder, het slaghoedje, maakte hij van dynamiet een zeer hanteerbaar explosief. Het slaghoedje bestaat uit een hoeveelheid knalkwik (formule: HgN 3 ) in een capsule. Als de capsule kapotgeslagen wordt, ontstaat een kleine explosie door het ontleden van het knalkwik. Het zuivere metaal kwik en stikstofgas worden gevormd. Die explosie is voldoende om vervolgens het dynamiet te laten ontploffen. Door het gebruik van knalkwik kon een grote hoeveelheid dynamiet, op een van tevoren bepaalde tijd en plaats, tot ontploffing gebracht worden. 58

19 4 Massa s en massaverhoudingen In de hoofdmotor van een raket wordt waterstof verbrand. Voor iedere kilogram waterstof die wordt verbrand, is precies acht kilogram zuurstof nodig. Dat kun je uitrekenen, omdat waterstof en zuurstof altijd in dezelfde verhouding met elkaar reageren. Massaverhouding in een reactie Bij een chemische reactie verdwijnen de beginstoffen. Uit de beginstoffen ontstaan reactieproducten. In een raketmotor wordt waterstof verbrand (afbeelding 18). Hierbij ontstaat water. De kloppende reactievergelijking ziet er als volgt uit: 2 H 2 + O 2 g 2 H 2 O Zoals je ziet, reageren 2 moleculen waterstof met 1 molecuul zuurstof. De reactievergelijking geeft de verhouding van het aantal deeltjes dat bij een reactie betrokken is. Waterstof- en zuurstofmoleculen reageren altijd in deze verhouding met elkaar. Als je een andere verhouding zou nemen, klopt de reactievergelijking niet meer. Uit de reactievergelijking kun je afleiden hoeveel gram zuurstof nodig is om, bijvoorbeeld, 4 gram waterstof te verbranden. Dan moet je eerst de molecuulmassa, uitgedrukt in atomaire massa-eenheden (u), uitrekenen (zie hoofdstuk 1). Omdat er 2 moleculen waterstof reageren met 1 molecuul zuurstof, reken je eerst de atoommassa uit van 2 moleculen waterstof en 1 molecuul zuurstof. 2 moleculen waterstof hebben een massa van 4 u; 1 molecuul zuurstof heeft een massa van 32 u. afbeelding 18 In een raketmotor wordt waterstof verbrand. Je kunt nu de verhouding ook in massa-eenheden uitdrukken. Om 4 u waterstof te verbranden is 32 u zuurstof nodig. De verhouding waarin de moleculen reageren is vast, daarom mag je de eenheid u vervangen door een andere eenheid, bijvoorbeeld gram. Om 4 gram waterstof te verbranden, is dus 32 gram zuurstof nodig. Deze verhouding is vast. Om 2 zo veel waterstof te verbranden, is ook 2 zo veel zuurstof nodig. Om 8 gram waterstof te verbranden, is dus 64 gram zuurstof nodig. Net als bij een ontledingsreactie kunnen er ook hier geen atomen verdwijnen. In dit geval zijn de atomen niet uit elkaar gevallen, maar anders gerangschikt. Zo is de nieuwe stof (water) ontstaan. Atomen kunnen niet verdwijnen, dus in deze nieuwe stof vind je alle atomen terug die oorspronkelijk in waterstof en zuurstof aanwezig waren. Niet meer, maar ook niet minder. 59

20 4 Massa's en massaverhoudingen Voorbeeld 1 Proef 3 Bereken hoeveel zuurstof nodig is om 5 gram waterstof te verbranden. Uitwerking Om 4 gram waterstof te verbranden, is 32 gram zuurstof nodig. Met behulp van een verhoudingstabel kun je nu uitrekenen hoeveel zuurstof nodig is om 5 gram waterstof te verbranden. In de verhoudingstabel zet je de stof waarvan je de hoeveelheid weet (in dit geval waterstof) op de bovenste regel. De stof waarvan je de hoeveelheid moet uitrekenen (in dit geval zuurstof), zet je op de onderste regel. De verhoudingstabel wordt dan: H O Je wilt uitrekenen hoeveel zuurstof nodig is om 5 gram waterstof te verbranden. Als je dat invult, wordt de verhoudingstabel: H O Nu kun je de hoeveelheid zuurstof uitrekenen: : 0,0004 : 4 5 H O : 4 : 0,0004 Om 5 gram waterstof te verbranden, is dus 40 gram zuurstof nodig. 5 : Je weet nu hoe je kunt uitrekenen in welke verhouding stoffen met elkaar reageren. Op een vergelijkbare manier kun je ook de hoeveelheid stof uitrekenen die gevormd wordt. afbeelding 19 Aluminium wordt gebruikt om lichte fietsen te maken. Berekening hoeveelheid gevormde stof : Als je stroom door gesmolten aluminiumoxide leidt, krijg je vloeibaar aluminium en zuurstof. Het reactieschema en de bijbehorende reactievergelijking van de elektrolyse van aluminiumoxide is: aluminiumoxide(l) g aluminium(l) + zuurstof :

21 4 Massa's en massaverhoudingen De reactievergelijking is: 2 Al 2 O 3 (l) g 4 Al(l) + 3 O 2 De molecuulmassa van Al 2 O 3 is: 54,0 u (2 27,0 u) + 48,0 u (3 16,0 u) = 102,0 u De atoommassa van Al = 27,0 u De molecuulmassa van O 2 = 2 16,0 u = 32,0 u Als je de totale massa van de deeltjes onder de reactievergelijking noteert, krijg je: 2 Al 2 O 3 (l) g 4 Al(l) + 3 O ,0 u g 4 27,0 u ,0 u 204,0 u g 108,0 u + 96,0 u Uit 204 gram aluminiumoxide kun je dus 108 gram aluminium en 96 gram zuurstof maken. De verhouding is vast en die noem je massaverhouding. De massaverhouding van deze reactievergelijking geeft de verhouding van de massa s van de stoffen die bij de reactie betrokken zijn. De massa van de beginstof aluminiumoxide is 204,0 gram. De totale massa van de reactieproducten aluminium en zuurstof is ook 204,0 gram. Wanneer je de massa van de beginstoffen bij elkaar optelt en je doet hetzelfde voor de reactieproducten, dan geldt: de totale massa van alle stoffen voor de reactie is gelijk aan de totale massa van alle stoffen na de reactie. Dit noemen we de wet van behoud van massa (afbeelding 20). 0 2 aluminiumoxide aluminium + zuurstof afbeelding 20 de wet van behoud van massa De wet van behoud van massa geldt altijd en voor alle chemische reacties. De opsteller van deze wet was de Fransman Lavoisier. Daarom wordt de wet van behoud van massa ook wel de wet van Lavoisier genoemd. Voorbeeld 2 Uit aluminiumoxide kan door elektrolyse aluminium gewonnen worden. Bereken hoeveel kg aluminium uit 30,0 kg aluminiumoxide gewonnen kan worden. Uitwerking 1 Stel eerst de reactievergelijking (RV) op: RV: 2 Al 2 O 3 (l) g 4 Al(l) + 3 O 2 2 Noteer onder de reactievergelijking de massaverhouding (MV): MV: 204,0 u g 108,0 u + 96,0 u 3 Vervang de massa-eenheid u door de massa-eenheid die in de vraag wordt genoemd. In dit rekenvoorbeeld vervang je de u dus door kg. MV: 204,0 kg g 108,0 kg + 96,0 kg 4 Plaats onder de massaverhouding de gegeven en de gevraagde stof (GG): GG: 30,0 kg g A kg 61

22 4 Massa's en massaverhoudingen 5 Bereken de massa van de gevraagde stof. Al 2 O 3 (l) Al(l) MV 204,0 kg 108,0 kg GG 30,0 kg A kg kruislings vermenigvuldigen: 204,0 A = 30,0 108,0 A = 30,0 108,0 204,0 = 15,9 kg Al(l) Let op! Hier is de hoeveelheid aluminium uitgerekend door kruislings te vermenigvuldigen. Je kunt ook de methode hiervoor (met de verhoudingstabel) gebruiken. Bij de uitwerking van de opgaven mag je zelf kiezen welke methode je het handigst vindt. In alle gevallen moet je de vijf hiervoor genoemde stappen doorlopen. Voorbeeld 3 Tijdens de elektrolyse van 10,0 g water ontstaat er waterstof en zuurstof (afbeelding 21). Bereken hoeveel gram waterstof er wordt gevormd. afbeelding 21 elektrolyse van water watermoleculen waterstofmoleculen zuurstofmoleculen Uitwerking RV: 2 H 2 O(l) g 2 H 2 + O 2 MV: 36,0 u g 4,0 u + 32,0 u 36,0 g g 4,0 g + 32,0 g GG: 10,0 g g A g H 2 O(l) H 2 MV 36,0 g 4,0 g GG 10,0 g A g 62

23 4 Massa's en massaverhoudingen kruislings vermenigvuldigen: A = 10,0 4,0 36,0 = 1,1 g H 2 BEROEPENORIËNTATIE Procesoperator, een afwisselend beroep! Bij chemische reacties reageren de stoffen in een vaste verhouding met elkaar. In een chemische fabriek is het dus van belang dat de stoffen in de juiste hoeveelheden gedoseerd worden. Dat is een van de taken waar je als procesoperator verantwoordelijk voor bent. Daarnaast verhelp je storingen en zorg je ervoor dat de apparatuur op de juiste manier is afgesteld. Hierdoor zorg je voor de juiste producten met de vereiste kwaliteit. De situatie in een chemisch proces kan van uur tot uur verschillen. Iedere keer opnieuw zorg je er als procesoperator voor dat het proces blijft lopen. Wanneer je werkt als procesoperator is geen dag hetzelfde: het is een afwisselend en boeiend beroep. afbeelding 22 De procesoperator zorgt voor de juiste producten met een goede kwaliteit. WB MAAK NU DE OPGAVEN IN JE WERKBOEK. afbeelding 23 auto op houtgas Plus Houtvergassen Bij het ontleden van hout ontstaan brandbare gassen. Op deze gassen kun je een auto laten rijden. In de Tweede Wereldoorlog gebeurde dat heel vaak, omdat er een gebrek aan benzine was. Er is nu voldoende benzine, dus er rijden niet veel auto s rond met een houtvergasser. Daarnaast is de installatie om hout te vergassen nogal opvallend. Niet iedereen wil gezien worden in zo een opvallende auto (afbeelding 23). De brandbare gassen kun je echter ook gebruiken in de centrale verwarming. De cv-ketel wordt dan niet meer gestookt met aardgas, maar met gas afkomstig uit een houtvergassingsinstallatie. De belangstelling voor houtvergassingsinstallaties neemt toe, omdat de aardgasprijs maar blijft stijgen. 63