02 STOFEIGENSCHAPPEN PROCESTECHNIEK

Transcriptie

1 PROCESTECHNIEK

2 Wat leer je? minstens tien stofeigenschappen opnoemen waaraan je stoffen kunt herkennen; uitleggen hoe je stofeigenschappen kunt bepalen; vertellen hoe stofeigenschappen kunnen veranderen; uitleggen wat een (homogeen en heterogeen) mengsel is. Studiewijzer Afbeelding 1: In procesbedrijven komen veel verschillende stoffen voor. Als je in een procesbedrijf rondkijkt, zie je veel verschillende materiaalsoorten, bijvoorbeeld staal, glas, hout, water en rookgassen. Al deze materialen noem je stoffen. Stoffen hebben bepaalde eigenschappen. Water is bijvoorbeeld vloeibaar en glas is doorzichtig en breekbaar. We noemen dit soort eigenschappen de stofeigenschappen van een stof. Voor het werk in de procesindustrie is het belangrijk om iets van stofeigenschappen af te weten. Stofeigenschappen bepalen in belangrijke mate waarvoor je een stof kunt gebruiken en hoe je ermee om moet gaan. Ook kun je een stof aan de stofeigenschappen herkennen.

3 Zo kun je stoffen onder andere herkennen aan de eigenschappen 'kleur' of 'geur'. Als de rookgassen uit een fabrieksschoorsteen zwart zijn, weet je dat de stof roet erin zit. Benzine kun je herkennen aan de geur. We gebruiken benzine vanwege de stofeigenschap 'brandbaarheid'. Koper wordt toegepast in elektriciteitsdraad om de stofeigenschap 'elektrische geleidbaarheid'. Stofeigenschappen bepalen ook hoe je met een stof moet omgaan. Zo zijn er stoffen die je ogen kunnen irriteren, die kankerverwekkend zijn of die zo agressief zijn dat ze je huid kunnen aantasten. Zwavelzuur is bijvoorbeeld zo'n agressieve stof. Als je met zulke stoffen moet werken moet je jezelf beschermen. Op afbeelding 2 zie je twee voorbeelden van zogenaamde persoonlijke beschermingsmiddelen: een gelaatsmasker en handschoenen. Afbeelding 2: Twee voorbeelden van persoonlijke beschermingsmiddelen. 1. Welke tien stoffen worden in de tekst hierboven genoemd? 2. Welke tien stofeigenschappen worden in de tekst hierboven genoemd? 3. Waarom zijn stofeigenschappen belangrijk?

4 Wat zijn stofeigenschappen? Hiervoor zijn al tien stofeigenschappen genoemd. Waarschijnlijk kun je er zelf nog wel meer bedenken. Stofeigenschappen zijn die eigenschappen van een stof die kenmerkend zijn voor de stof zelf. Het blijkt dat een stof onder dezelfde omstandigheden altijd dezelfde stofeigenschappen heeft. Ook als een stof in een andere vorm voorkomt, veranderen de stofeigenschappen niet. Je kunt bijvoorbeeld een ijzeren balk kopen of een zakje ijzerpoeder. In beide gevallen heeft de stof ijzer dezelfde stofeigenschappen. De vorm is dus géén stofeigenschap. Als je de stofeigenschappen van een stof wilt vinden, moet je dus nooit naar de vorm van de stof kijken. Je kijkt altijd naar de stof zelf. Afbeelding 3: IJzer in balkvorm en in poedervorm: de stofeigenschappen zijn gelijk.

5 4. a. Olie is brandbaar. Is brandbaarheid een stofeigenschap? b. Een suikerklontje is rechthoekig. Is rechthoekig-zijn een stofeigenschap? c. Rubber is elastisch. Is elasticiteit een stofeigenschap? d. Een voetbal is rond. Is rond-zijn een stofeigenschap? e. Je slaat een steen met een hamer in stukken. Veranderen de stofeigenschappen van de steen? f. De stof ammonia is giftig. Is giftig-zijn een stofeigenschap? g. Je verwarmt een loden pijp. Veranderen de stofeigenschappen? Hoe bepaal je stofeigenschappen? Veel stofeigenschappen kun je direct waarnemen met je zintuigen. Je kunt de stof bekijken, je kunt eraan ruiken, ervan proeven of eraan voelen. Proeven en ruiken doe je natuurlijk alleen als je heel zeker weet dat de stof niet giftig is! Er zijn ook stofeigenschappen die je niet direct kunt waarnemen. Die stofeigenschappen kunnen in een laboratorium worden bepaald. Een laboratorium is een ruimte waarin met speciale apparaten en speciaal glaswerk allerlei experimenten worden gedaan. In een laboratorium is het mogelijk de stofeigenschappen heel precies te meten. Afbeelding 4: In het laboratorium kunnen stofeigenschappen worden bepaald.

6 Welke stofeigenschappen zijn er? Je hebt nu al een aantal stofeigenschappen leren kennen. In je werk en in je opleiding zul je nog met veel andere stofeigenschappen te maken krijgen. We bespreken nu tien belangrijke stofeigenschappen. Kleur, smaak en geur Op een tafel staan twee glazen. Het ene glas bevat zuiver water. In het andere glas zit water waarin een schepje zout is opgelost. De twee vloeistoffen zien er hetzelfde uit: allebei zijn ze helder en kleurloos. Ook ruik je niets aan beide stoffen. Toch kun je de stoffen van elkaar onderscheiden door een beetje van elke vloeistof te proeven. De ene vloeistof smaakt zout, de andere niet. Met je zintuigen kun je de stofeigenschappen kleur, smaak en geur van een stof waarnemen. Bedenk wel dat er soms opzettelijk iets is veranderd aan de kleur, smaak of geur van een stof. De stof spiritus bijvoorbeeld is van zichzelf een kleurloze vloeistof. Om de stof herkenbaar te maken, is er een blauwe kleurstof aan toegevoegd. 5. Waaraan zie je meestal snel het verschil tussen gewoon staal en roestvast staal? 6. Wat is een kenmerkende stofeigenschap van ammoniak? 7. Aardgas zelf is een reukloos gas. Het gasbedrijf voegt er een klein beetje van een ander, sterk geurend gas aan toe. Waarom? Fasen van een stof Water is bij kamertemperatuur vloeibaar. Als je de temperatuur verlaagt tot onder de 0 oe dan wordt het ijs. IJs is een vaste stof. Als we water verwarmen tot boven de 100 oe dan wordt het stoom. Stoom is een gas. Water kan dus voorkomen in drie vormen: als vloeibare stof, als vaste stof en als gas. Deze drie vormen noemen we: de fasen van een stof Bijna elke stof kan voorkomen in drie fasen. Bij dezelfde temperatuur kunnen verschillende stoffen in verschillende fasen voorkomen. De stof water verandert bijvoorbeeld bij 0 ºC in de vaste stof ijs; alcohol blijft bij 0 ºC vloeibaar.

7 Je kunt stoffen dus ook herkennen aan de stofeigenschap fase. Afbeelding 5: IJzer in de vloeibare fase (ongeveer 1600 ºC) wordt afgetapt uit een hoogoven. 8. Welke fase heeft ijzer bij kamertemperatuur? Kookpunt en smeltpunt De temperatuur waarbij water in ijs verandert, noem je het stolpunt van water. Je kunt ook zeggen: het smeltpunt van ijs. Dit is 0 C. De temperatuur waarbij water overgaat in stoom, noem je het kookpunt van water. Dit is 100 C. Elke stof heeft een vaste waarde voor het kookpunt en smelt- of stolpunt. Kookpunt en smeltpunt (of stolpunt) zijn dus stofeigenschappen. Ze kunnen in het laboratorium worden gemeten. Van de meeste stoffen zijn de kook- en smeltpunten al bekend. Je kunt ze opzoeken in tabellenboeken, zoals het VaPro Tabellenboek niveau I, II en lii. Achter in een tabellenboek is een register opgenomen. Dat is een lijst met trefwoorden. In het register van het VaPro Tabellenboek staan achter het woord 'smeltpunten' paginanummers. Op die pagina s vind je tabellen waarin de smeltpunten van een aantal stoffen zijn vermeld. In de les 'Tabellen lezen' leggen we uitgebreid uit hoe je met een tabellenboek omgaat.

8 9. Als je stoom afkoelt, bij welke temperatuur zie je dan waterdruppels ontstaan? 10. Neem onderstaande tabel over en vul hem in. Haal de gegevens uit het tabellenboek. water alcohol kwik smeltpunt [ºC] kookpunt [ºC] Viscositeit Hoe kun je water van suikerstroop onderscheiden? Je kunt dit doen door het te proeven. Je herkent de suikerstroop meteen aan de zoete smaak. Er is echter nog een ander verschil. Water is bij kamertemperatuur dunvloeibaar. Je kunt het gemakkelijk roeren en het stroomt zonder moeite door een buis. Suikerstroop is dikvloeibaar, dus stroperig; roeren gaat moeilijk en het stroomt nauwelijks door een buis. We noemen de dik- of dunvloeibaarheid van een stof de viscositeit. Viscositeit is een stofeigenschap. Water heeft een lage viscositeit; suikerstroop een hoge. 11. a. Heeft latexverf een lagere of hogere viscositeit dan water? b. Hoe zie je dat? Hardheid IJzer is een harde, kras vaste stof. Koper is zachter en niet erg kras vast. Dit betekent dat koper snel beschadigt als je er met een scherp voorwerp op krast. IJzer heeft een grote hardheid; koper een kleine. Hardheid is dus een stofeigenschap. 12. Welke stof is gemakkelijker te vijlen, ijzer of koper?

9 Oplosbaarheid Als je een schepje suiker in een bakje water doet en roert, dan lijkt het of de suiker verdwijnt. Dat is niet waar. De suiker kan niet zomaar verdwijnen. De suiker is fijnverdeeld in het water gaan zitten. Je zegt: de suiker is opgelost in het water. We noemen dit een suikeroplossing. Ook een tweede schepje zal oplossen en misschien ook wel het derde en vierde. Na een aantal schepjes lost de suiker niet meer op. De maximale hoeveelheid stof die in water kan oplossen, noemen we de oplosbaarheid. Oplosbaarheid is een stofeigenschap. De oplosbaarheid van suiker in water is groot; de oplosbaarheid van zand in water is klein. 13. Is de oplosbaarheid van ijzerpoeder in water groot of klein? Dichtheid Als je een aluminium plaat optilt, dan voel je dat deze lichter is dan een even grote plaat van ijzer. Omdat aluminium lichter is dan ijzer wordt het veel toegepast voor de bouw van vliegtuigen. Om het gewicht van stoffen onderling goed te kunnen vergelijken, gebruiken we het begrip dichtheid. De stofeigenschap dichtheid zegt iets over de zwaarte van een stof. IJzer heeft een hoge dichtheid en aluminium heeft een lage dichtheid. 14. Waarom zijn veel verpakkingsmaterialen van plastic gemaakt? Roestvastheid De onderkant van een auto wordt behandeld met een speciale stof om roesten tegen te gaan. Als dit niet gebeurt, roest de stalen bodemplaat van de auto na verloop van tijd door. Er bestaan ook materialen die nauwelijks roesten, zoals roestvast staal. Roestvastheid is de stofeigenschap die aangeeft hoe bestendig een stof is tegen roesten. 15. Waarom schilderen we een stalen balk meestal?

10 Brandbaarheid Water gebruiken we onder andere om een brand te blussen. Dat kan omdat water onbrandbaar is. Hout, olie en benzine zijn wel brandbaar. Deze stoffen worden vanwege hun brandbare eigenschappen als brandstof gebruikt. Brandbaarheid is ook een stofeigenschap. Informatie over de brandbaarheid van een stof is van belang voor het gebruik van een stof èn voor de veiligheid. Giftigheid Afbeelding 6: Brandbaarheid is een stofeigenschap. Veel stoffen die we in de procesindustrie gebruiken zijn giftig. Dit betekent dat ze bij inwendig gebruik of bij lozing in het milieu schade veroorzaken. Sommige stoffen, zoals blauwzuur, zijn zó giftig dat het innemen van een kleine hoeveelheid direct dodelijk is. Van andere stoffen, zoals bijvoorbeeld asbestvezels, zie je de schadelijke gevolgen pas na langere tijd. Het is voor je persoonlijke veiligheid, maar ook in verband met het milieu belangrijk de giftigheid van stoffen te kennen.

11 Welke kenmerken zijn géén stofeigenschappen? Als de stof van vorm verandert, dan blijven de stofeigenschappen toch hetzelfde. Ook de kostprijs van een stof is geen stofeigenschap. Als de kostprijs verandert, blijven de stofeigenschappen hetzelfde. De kostprijs is natuurlijk wel een belangrijk gegeven. Als twee verschillende stoffen allebei even geschikt zijn voor een bepaald doel, dan kies je meestal voor de goedkoopste stof. 16. a. Een suikerklontje is rechthoekig. Is rechthoekig-zijn een stofeigenschap? b. Rubber is elastisch. Is elasticiteit een stofeigenschap? c. Een voetbal is rond. Is rond-zijn een stofeigenschap? d. Een gouden ring is duur. Is duur-zijn een stofeigenschap? e. Je slaat een steen met een hamer in stukken. Veranderen de stofeigenschappen van steen? Hoe kun je stofeigenschappen veranderen? Een stof heeft onder dezelfde omstandigheden altijd dezelfde stofeigenschappen. Maar de stofeigenschappen kunnen veranderen als je de omstandigheden, zoals de temperatuur, verandert. Een paar voorbeelden Als je water afkoelt tot 0 ºC, dan wordt het ijs. Dit is een verandering van de stofeigenschap 'fase'. De stof zelf is hetzelfde gebleven. Lood is bij kamertemperatuur een vrij zachte en buigbare stof. Maar als je het afkoelt tot bijvoorbeeld -60 ºC, dan wordt het keihard. Als je het op de grond laat vallen, dan breekt het in vele stukjes. De eigenschappen zijn veranderd, maar de stof zelf is nog hetzelfde. Als je de omstandigheden verandert waarin een stof verkeert, dan veranderen ook de stofeigenschappen.

12 Soms veranderen niet alleen de stofeigenschappen, maar ook de stoffen zelf. Als ijzer langere tijd in contact is met lucht en water gaat het roesten. Daarbij ontstaat een nieuwe stof: roest. Roest heeft andere stofeigenschappen dan ijzer. Dit proces, waarbij stoffen worden omgezet in nieuwe stoffen, noemen we een scheikundige verandering. De nieuwe stoffen die bij een scheikundige verandering ontstaan, hebben andere stofeigenschappen dan de oorspronkelijke stoffen. Bij een scheikundige verandering ontstaan nieuwe stoffen met nieuwe stofeigenschappen. Je kunt stofeigenschappen dus veranderen door de omstandigheden waarin de stof verkeert te veranderen. Als daarbij ook de stof zelf verandert, is het een scheikundige verandering. 17. Hoe kun je stofeigenschappen van een stof veranderen? 18. Vul de onderstaande tabel in met ja of nee: stofeigenschappen verandert a. verbranden van papier Ja / Nee b. koken van water Ja / Nee c. smelten van kaarsvet Ja / Nee d. branden van een kaars Ja / Nee

13 De stofeigenschappen van mengsels De meeste stoffen die je in de procesindustrie tegenkomt, zijn mengsels. Een mengsel bestaat uit verschillende stoffen. Het kenmerk van een mengsel is dat de afzonderlijke stofeigenschappen behouden blijven. Een voorbeeld van een mengsel is leidingwater. Leidingwater bevat behalve water ook mineralen (zouten) en een beetje chloor. Als je de mineralen en het chloor uit leidingwater zou verwijderen, houd je de zuivere stofwater over. Ook lucht is een mengsel. Lucht bevat voornamelijk stikstofgas en zuurstofgas. Een mengsel bestaat uit verschillende stoffen. De afzonderlijke stofeigenschappen van de verschillende stoffen blijven bestaan. 19. Noem drie eigenschappen van het mengsel suikerwater. In een mengsel vind je niet altijd alle eigenschappen van de afzonderlijke stoffen terug. Aan suikerwater kun je bijvoorbeeld niet zien dat zuivere suiker een vaste stof is. Soms komt het voor dat de stofeigenschappen van een stof verbeterd moeten worden. Staal is bijvoorbeeld een goedkoop materiaal dat redelijk stevig is. Om die reden wordt het veel gebruikt in de bouw. Een belangrijk nadeel van staal is dat het gemakkelijk gaat roesten. Om staal geschikt te maken als bouwmateriaal wordt het eerst roestvast gemaakt. Dit doe je bijvoorbeeld door het te mengen met chroom. Het roestvaste staal dat je dan krijgt, heeft de eigenschappen van staal en chroom. Het is stevig en roest maar heel weinig. Als alle stoffen in een mengsel goed door elkaar verdeeld zijn, spreek je van een homogeen mengsel. Homogeen wil zeggen: overal van dezelfde samenstelling. Leidingwater, roestvast staal en lucht zijn voorbeelden van homogene mengsels. Hoe fijner de stoffen in een mengsel verdeeld zijn, des te homogener is het mengsel.

14 Niet elk mengsel van stoffen is homogeen. Probeer steengruis maar eens te mengen met houtspaanders. De samenstelling van zo'n mengsel is niet overal gelijk. In het mengsel zitten niet overal evenveel houtspaanders en steengruis. Zo'n mengsel noemen we een heterogeen mengsel. Afbeelding 7: Roestvaststalen mengketel. 20. a. Is een mengsel van zaagsel en water een homogeen of een heterogeen mengsel? b. Is een mengsel van zout in water een homogeen of een heterogeen mengsel? c. Is een mengsel van water en olie een homogeen of een heterogeen mengsel?

15 Samenvatting Alle materialen noem je stoffen. Stofeigenschappen zijn eigenschappen die kenmerkend zijn voor de stof. Voorbeelden van stofeigenschappen zijn: kleur, smaak, geur, fase, kook- en smeltpunt, hardheid, viscositeit, oplosbaarheid, dichtheid, roestvastheid, brandbaarheid en giftigheid. De vorm en kostprijs van een stof zijn geen stofeigenschappen. Ze zijn niet kenmerkend voor de stof. Stofeigenschappen bepaal je met je zintuigen of met meetinstrumenten in een laboratorium. In tabellenboeken staan veel stofeigenschappen van stoffen genoteerd. Een stof heeft onder dezelfde omstandigheden altijd dezelfde stofeigenschappen. De stofeigenschappen van een stof veranderen als de omstandigheden (zoals de temperatuur) veranderen. Bij een scheikundige verandering ontstaan nieuwe stoffen, met nieuwe stofeigenschappen. Als je twee stoffen mengt, houden de stoffen in het mengsel hun oorspronkelijke stofeigenschappen. Als een mengsel van stoffen overal dezelfde samenstelling heeft, is het homogeen. Is dat niet het geval, dan is het mengsel heterogeen

16 Meerkeuzevragen 1. Om een gat te boren in een betonnen vloer, gebruik je een boor met een diamanten kop. Wat volgt hieruit over de hardheid van beton en diamant? a. diamant is even hard als beton b. diamant is harder dan beton c. beton is harder dan diamant d. beton heef een grotere dichtheid dan diamant 2. Welke stofeigenschappen kun je met je zintuigen waarnemen? a. dichtheid, kleur en geur b. fase, kleur en geur c. oplosbaarheid, dichtheid en kleur d. fase, kleur, geur en smaak 3. Wat is het smeltpunt en kookpunt van terpentijn? (zie je tabellenboek) smeltpunt [ºC] kookpunt [ºC] a b c d Waaruit bestaat roestvast staal? a. ijzer b. ijzer in poedervorm c. ijzer met een anti-roestmiddel d. ijzer met chroom 5. Wat is lucht? a. een homogene zuivere stof b. een homogeen mengsel c. een heterogeen mengsel d. een heterogene zuivere stof

17 6. Hoe kun je de stofeigenschappen van één en dezelfde stof veranderen? a. door een stof te smelten en hem daarna te laten stollen b. door de stof fijn te malen c. door de stof in een laboratorium te onderzoeken d. door de stof een scheikundige reactie aan te laten gaan 7. Als je suikerstroop verwarmt, is de stroop gemakkelijker te roeren. Hoe komt dat? a. dat komt doordat de fase verandert b. dat komt doordat de viscositeit toeneemt c. dat komt doordat de viscositeit afneemt d. dat komt doordat de hardheid afneemt Open vragen 1. Op tafel staan twee schaaltjes vloeistof. je krijgt de opdracht om uit te vinden in welk schaaltje een zoutoplossing zit en in welk schaaltje alcohol. a. Hoe kun je het snelst bepalen welke stof in welk schaaltje zit? b. Welke stofeigenschappen van een zoutoplossing en van alcohol zijn verschillend? 2. Leg uit wat er met de stofeigenschappen gebeurt als je aardgas en lucht mengt. 3. Wat gebeurt er met de dichtheid van water als je er suiker in oplost?