Sk-06 Koolwaterstoffen

Transcriptie

1 Auteurs Laatst gewijzigd Licentie Webadres Jan Lutgerink ; 24 March 2016 CC Naamsvermelding-GelijkDelen 3.0 Nederland licentie Dit lesmateriaal is gemaakt met Wikiwijsleermiddelenplein. Wikiwijsleermiddelenplein is hét onderwijsplatform waar je leermiddelen zoekt, vergelijkt, maakt en deelt. Stel zo voor iedere onderwijssituatie de optimale leermiddelenmix samen.

2 Inhoudsopgave ipad: afspelen animaties Samenvatting Verzadigde koolwaterstoffen Alkanen Eigenschappen alkanen Toepassingen alkanen Isomerie Naamgeving alkanen (regels) Naamgeving alkanen (voorbeelden) Hoeveel isomeren bij een gegeven molecuulformule? Oefening naamgeving alkanen Cycloalkanen Naamgeving cycloalkanen Onverz. koolwaterstoffen Alkenen Isomerie bij alkenen Naamgeving alkenen Alkadiënen en alkatriënen Cycloalkenen Alkynen en cycloalkynen Aromatische koolwaterstoffen Naamgeving aromatische koolwaterstoffen Karakteristieke groepen Overzicht via video Overzicht via schema Fossiele brandstoffen Steenkool Aardolie Aardgas Aardolieproducten Aardolieraffinage Petrochemische industrie Benzine Biodiesel TOETS Pagina 1

3 Over dit lesmateriaal Pagina 2

4 ipad: afspelen animaties Voor ipad gebruikers: Om de Flash animaties en video s binnen dit arrangement te kunnen afspelen met een ipad bevelen we Photon Flash Player voor ipad aan. Flash Video & Games plus Private Web Browser van Appsverse Inc.,versie 5.0, kost 4,49. Pagina 3

5 Samenvatting Dit arrangement is aangepast aan de Nomenclatuurregels conform de nieuwe examenprogramma's van Havo (2015) en Vwo (2016). Koolwaterstoffen zijn verbindingen die uitsluitend bestaan uit koolstofatomen en waterstofatomen. We maken onderscheid tussen verzadigde en onverzadigde koolwaterstoffen. We kunnen ook een onderscheid maken tussen cyclische en nietcyclische koolwaterstoffen. Koolwaterstoffen zijn het hoofdbestanddeel van fossiele brandstoffen, waarvan aardolieproducten bruikbaar zijn als brandstof of als grondstof voor de petrochemische industrie. In koolstofverbindingen komen naast waterstofatomen vaak ook andere atomen voor, zoals zuurstof-, stikstof- en halogeenatomen: Daarom is de term karakteristieke groep ingevoerd. In dit thema laten we daarvan een overzicht zien als inleiding op een thema over koolstofchemie Sk-15. Pagina 4

6 Verzadigde koolwaterstoffen Verzadigde koolwaterstoffen hebben uitsluitend enkelvoudige bindingen tussen de koolstofatomen. Hun ketens kunnen open (niet-cyclisch) of gesloten (cyclisch) zijn en we noemen ze alkanen respectievelijk cycloalkanen. Bij alkanen met vier of meer koolstofatomen is er sprake van isomerie: bij één molecuulformule zijn verschillende structuurformules mogelijk. Om isomeren van elkaar te onderscheiden is een systeem van naamgeving ingevoerd. Alkanen Het alkaan met het kleinste molecuul is methaan, CH 4. Het op één na kleinste alkaan is ethaan, C 2 H 6. Nummer drie is propaan, C 3 H 8, en nummer vier butaan, C 4 H 10. Elk volgend alkaan heeft steeds een koolstofatoom met twee waterstofatomen (een CH 2 -groep) meer. De algemene formule van de alkanen is: C n H 2n+2. Zo n groep stoffen, die aan een algemene formule voldoet, noemen we ook wel een homologe reeks. Stoffen binnen een homologe reeks hebben veel overeenkomende chemische eigenschappen. De eerste vier alkanen geven we weer met hun triviale naam: methaan, ethaan, propaan en butaan. Vanaf n= 5 zijn de namen afgeleid van een Grieks telwoord (zie BINAS tabel 103B): 5 = penta: 6 = hexa: 7 = hepta : 8 = octa: 9= nona: 10 = deca. Structuurformule Een koolstofatoom gaat altijd vier bindingen aan: het heeft als het ware vier koppelplaatsen voor koppeling met andere atomen. Waterstof gaat altijd één binding aan. Koolstofatomen vormen gemakkelijk bindingen met andere koolstofatomen. Er ontstaat dan een koolstofketen, een structuur van twee of meer koolstofatomen aan elkaar. Ketenvorming is kenmerkend voor het element koolstof. We spreken ook wel van het koolstofskelet van een molecuul, als we uitsluitend de koolstofatomen van het molecuul aangeven. In structuurformules is de molecuulbouw van de alkanen goed te zien. Alkanen zijn verzadigde koolwaterstoffen. Hiermee bedoelen we dat elk C-atoom is gebonden aan vier andere atomen (C of H). Er komen dus alleen enkele bindingen tussen de C-atomen in de ketens voor. Pagina 5

7 Hoe teken je structuurformules? Uitleg door Sieger Kooij: kn.nu/ww4cc16e4 (youtu.be) Ruimtelijke structuur Met behulp van computersimulaties kun je een aardig beeld krijgen van de ruimtelijke bouw van de alkanen: Molecuulstructuren (Voor deze link is Flash Player nodig) Eigenschappen alkanen De alkanen zijn weinig reactief. Alkanen zijn apolaire stoffen, omdat waterstof en koolstof ongeveer dezelfde electronegativiteit hebben, is de lading gelijk verdeeld over het molecuul. Dit betekent dat alkanen niet makkelijk reageren met andere moleculen. De alkanen zijn stuk voor stuk zeer brandbaar er kan dus makkelijk oxidatie plaatsvinden met zuurstof. Bij een volledige verbranding van een alkaan ontstaan de reactieproducten water en koolstofdioxide. Voorbeeld: de volledige verbranding van methaan. CH 4 (g) + 2O 2 (g)? 2H 2 O(l) + CO 2 (g) Indien er niet genoeg zuurstof aanwezig is om een volledige verbranding aan te gaan, kunnen er koolstofmonoxide en koolstof (roet) ontstaan. Bij een onvolledige verbranding van een alkaan ontstaan de reactieproducten koolstofmonoxide en water. Voorbeeld: de onvolledige verbanding van methaan. 2CH 4 (g) + 3O 2 (g)? 2CO(g) + 4H 2 O(l) Bij een zeer onvolledige verbranding van alkanen ontstaan de reactieproducten koolstof en water. Voorbeeld: de zeer onvolledige verbranding van methaan. CH 4 (g) + O 2 (g)? C(s) + 2H 2 O(l) Alkanen kunnen ook reageren met een halogeen (fluor, chloor, broom en jood) onder invloed van licht. In zo'n halogeneringsreactie wordt een waterstofatoom in het alkaanmolecuul vervangen door een halogeenatoom. Pagina 6

8 Er ontstaat dan een halogeenalkaan en een waterstofhalogenide: licht C 2 H 6 (g ) + Cl 2 (g)? C 2 H 5 Cl(g) + HCl(g) Alkanen zijn kleurloze brandbare stoffen, die niet oplossen in polaire oplosmiddelen zoals water. De eigenschappen van de alkanen veranderen geleidelijk naarmate het aantal koolstofatomen per molecuul toeneemt. Hoe langer de koolstofketen, des te hoger het smeltpunt, kookpunt en viscositeit (stroperigheid) van de stoffen die uit die moleculen bestaan. Bron Wikipedia: Smeltpunt (blauw, in graden Celsius) en kookpunt (paars, in graden Celsius) van de eerste 14 n-alkanen (alkanen met onvertakte ketens van koolstofatomen). Het kookpunt neemt per toegevoegde CH 2 -groep toe met 20 tot 30 C. De verhoging van het kookpunt wordt verklaard door het toenemen van het oppervlak de moleculen waardoor ook de onderlinge krachten tussen moleculen (Vanderwaalskrachten) toenemen. Ook het smeltpunt neemt toe per toegevoegde CH 2 -groep, echter minder dan het kookpunt. Behalve door de grootte en de ladingsverdeling wordt de Vanderwaalskracht tussen moleculen ook bepaald door de vorm van de moleculen. Naarmate de moleculen meer de bolvorm benaderen, nemen de contactmogelijkheden met andere moleculen af en daarmee ook de Vanderwaalskrachten. Hierdoor is het kookpunt van isomeren lager, naarmate de verbinding meer vertakt is, zie de onderstaande tabel. De smeltpunten hangen dikwijls samen met de symmetrie van de betrokken moleculen: de isomeer met de meest symmetrische moleculen heeft vaak het hoogste smeltpunt, omdat de moleculen dichter tegen elkaar aan kunnen schuiven en de Vanderwaalskrachten dus groter zijn. Smeltpunt in K kookpunt (p=p 0 ) in K pentaan (2-)methylbutaan (2,2-)dimethylpropaan hexaan methylpentaan methylpentaan Pagina 7

9 Smeltpunt in K kookpunt (p=p 0 ) in K 2,2-dimethylbutaan ,3 -dimethylbutaan Bekijk de animaties van de 'beschrijving van de vaste fase, vloeibare fase en gasfase' en 'smelt- en kookpunten van alkanen'. (voor de de animatie is Adobe Flashplayer nodig, de animatie werkt niet op een Ipad). De link werkt prima met Internet Explorer als browser. Toepassingen alkanen Alkanen worden toegepast als basisproducten in de chemische industrie. Lagere alkanen worden als brandstof gebruikt (aardgas, lpg, benzine), of als oplosmiddel voor organische stoffen. Hogere alkanen worden gebruikt als smeerolie, bijvoorbeeld vaseline en paraffine. Isomerie Bij het opstellen van structuurformules van alkanen met vier of meer koolstofatomen (hogere alkanen) zijn verschillende structuren mogelijk met dezelfde molecuulformule. Zo kunnen we twee verschillende structuurformules (twee verschillende stoffen) maken die voldoen aan de molecuulformule C4H 10, namelijk een stof die bestaat uit moleculen met onvertakte keten (nbutaan) en een tweede stof die bestaat uit moleculen met vertakte keten (methylpropaan). We spreken van een vertakte keten als in het koolstofskelet een C-atoom voorkomt dat met drie of vier andere C-atomen is verbonden. In de rechterfiguur zijn de bindingen tussen de C-atomen iets langer getekend dan in de linkerfiguur om overlap van de H-atomen te voorkomen Bij de molecuulformule C5H 12 horen drie verschillende structuurformules. Er zijn dus drie verschillende stoffen met de formule C5H 12. En er zijn maar liefst 75 verschillende stoffen met de formule C10H 22! We noemen dit verschijnsel isomerie. De verschillende stoffen die dezelfde molecuulformule hebben, noemen we isomeren. Naamgeving alkanen (regels) Om isomeren ook in naam van elkaar te onderscheiden is een internationaal erkend systeem van naamgeving afgesproken. De namen van alkanen vormen de basis voor de systematische naamgeving van alle andere organische verbindingen (zie BINAS tabel 66D). Pagina 8

10 Namen van onvertakte alkanen De namen van onvertakte alkanen eindigen allen op -aan. Vanaf C5H 12 gebruiken we voor de namen de Griekse telwoorden penta, hexa (en verder hepta, octa, nona, deca, enzovoort) met als achtervoegsel -aan. Soms krijgen alkanen met onvertakte moleculen bij de naam het voorvoegsel 'normaal', afgekort: n -. Dit om ze te onderscheiden van de vertakte isomeren. Voorbeeld: n-pentaan (CH3-CH2-CH2-CH2-CH 3). Namen van vertakte alkanen De namen van vertakte alkanen stellen we op volgens de volgende regels: Zoek de langste onvertakte keten in het molecuul op. Dit noemen we de hoofdketen van het molecuul. De naam van het molecuul eindigt met de naam van het alkaan dat evenveel koolstofatomen heeft als de hoofdketen. Benoem de zijtakken van de hoofdketen. De namen van deze zijketens eindigen op yl en zijn afgeleid van de namen van de alkanen met evenveel koolstofatomen als de zijketen. Een zijketen van één C-atoom en drie H-atomen heet methyl, die met twee C-atomen heet ethyl, met drie C-atomen propyl en 1-methylethyl, etc. Deze atoomgroepen noemen we algemeen alkylgroepen. De hoofdketen nummeren we zodanig dat de zijketens een zo laag mogelijk plaatsnummer krijgen. Bij meerdere zijketens zet je de plaatsnummers in opklimmende volgorde, de laagste reeks heeft de voorkeur. Komt eenzelfde zijketen meermalen voor, dan gebruiken we de voorvoegsels: di (2), tri (3), tetra (4), penta (5), enz. De namen van de zijketens vermelden we in alfabetische volgorde vóór de naam van de hoofdketen (ethyl- gaat voor methyl-), voorafgegaan door het nummer van het C-atoom waaraan hij is bevestigd. De voorvoegsels di, tri, etc. zijn bij de benaming van deze zijketens ondergeschikt. Naamgeving alkanen (voorbeelden) In het begin is het soms moeilijk om de langste onvertakte keten in een molecuul te vinden. Dit kan voorkomen als de structuurformule van dat molecuul nog niet gestrekt is getekend. Bijvoorbeeld als in de structuurformule van n-butaan een methylgroep als een zijgroep getekend is. Men is dan Pagina 9

11 geneigd die structuur de naam 1-methylpropaan te geven: Een ander voorbeeld: 3-methylhexaan Een tip: pak het molecuul vast bij de twee C-atomen die volgens jou de uiteinden zijn van de langste keten en trek het molecuul recht. Teken deze structuur met de zijgroepen onder een hoek van 90 o en tel het aantal koolstofatomen in de gestrekte keten. Bij twijfel neem je twee andere koolstofatomen en doe je hetzelfde. Vergelijk dan de twee structuren en zie welke de langste keten heeft. In de tekening hierboven zie je wat er gebeurt als je de rode en de rose C als uiteinden ziet en de keten vervolgens rechttrekt. De blauwe C is nu een zijgroep. Voorbeeld (1): Voorbeeld (2): Komt eenzelfde zijketen meermalen voor, dan gebruiken we de voorvoegsels: di (2), tri (3), tetra (4), penta (5), enz. Pagina 10

12 De namen van de zijketens vermelden we in alfabetische volgorde vóór de naam van de hoofdketen (ethyl- gaat voor methyl-), voorafgegaan door het nummer van het C-atoom waaraan hij is bevestigd. De voorvoegsels di, tri, etc. zijn bij de benaming van deze zijketens ondergeschikt. Als twee of meer zijketens gelijkwaardige plaatsen innemen, krijgt in de naam het eerste genoemde zijketen het laagste plaatsnummer. Voorbeeld (3): Parallel aan deze oefening op papier is het aan te bevelen om hetzelfde te doen met molecuulmodellen. De ruimtelijke bouw is prima te zien op de site molecuulstructuren, uitklaplijst verzadigde alkanen. (Voor de bovenstaande link is Flash Player nodig) In het thema 'Stereochemie' gaan we uitvoerig in op de ruimtelijke bouw. Naamgeving van de isomeren van butaan, pentaan en hexaan door Sieger Kooij. kn.nu/wwd2c528f (youtu.be) Hoeveel isomeren bij een gegeven molecuulformule? Bij het bepalen van de mogelijke isomeren van bijvoorbeeld C 7 H 16 begin je met alle C-atomen op een rij te plaatsen: Vervolgens teken je 6 C-atomen op een rij. Een CH 3 -groep plaats je aan het tweede C-atoom: 2-methylhexaan. Een CH 3 -groep plaats je aan het derde C-atoom: 3-methylhexaan. Een CH 3 -groep plaats je aan het vierde C-atoom: 3-methylhexaan (van de andere tellen, geeft aan dat de CH 3 -groep aan het tweede C-atoom zit!). Een CH 3 -groep plaats je aan het vijfde C-atoom: 2-methylhexaan (van de andere tellen, geeft aan dat de CH 3 -groep aan het tweede C-atoom zit). Let op: Als je de CH 3 -groep aan het eerste of laatste C-atoom plaatst, is de langste keten 7 C-atomen! Daarna teken je 5 C-atomen op een rij. Pagina 11

13 - Twee CH 3 -groepen plaats je aan het tweede C-atoom: 2,2-dimethylpentaan. Als je twee dezelfde groepen in een molecuul hebt, dan geef je dit aan met een voorvoegsel: di, tri tetra etc. - Twee CH 3 -groepen plaats je aan het derde C-atoom: 3,3-dimethylpentaan. - Een CH 3 -groep plaats je aan het tweede en de andere aan het derde C-atoom: 2,3-dimethylpentaan - Een CH 3 -groep plaats je aan het tweede en de ander aan het vierde C-atoom: 2,4-dimethylpentaan - Een CH 3 -CH 2 -groep (ethyl) plaats je aan het derde C-atoom: ethylpentaan Aangezien de ethylgroep alleen aan het derde C-atoom geplaatst kan worden, kun je de 3- hier weglaten! Daarna teken je 4 C-atomen op een rij. - Als je kijkt of te een ethylgroep en een methylgroep als substituent kunt plaatsen, dan kom je tot de ontdekking, dat de plaatsing van een ethylgroep aan C-atoom 2 of 3 altijd betekent dat de langste keten geen 4 maar 5 C-atomen is en die isomeren heb je hierboven al aangegeven! De ethylgroep aan eerste of laatste C-atoom plaatsen leidt ook een langste keten van 6. - Ook een propyl- of isopropyl- groep plaatsen aan een van de C-atomen, leidt tot een isomeer die je al hebt. Pagina 12

14 - Dat blijft nog de mogelijkheid over van 3 methylgroepen. Dit leidt tot een nieuwe isomeer. Kleine oefening met de naamgeving van alkanen Oefening naamgeving alkanen Vraag 1. Geef de systematische naam van de onderstaande verbinding. Vraag 2. Geef de systematische naam van de onderstaande verbinding. Vraag 3. Geef de systematische naam van de onderstaande verbinding. Pagina 13

15 Vraag 4. Geef de systematische naam van de onderstaande verbinding. Vraag 5. Geef de systematische namen van de drie isomeren met de molecuulformule C5H12. I II III Vraag 6. Hoeveel isomeren zijn er met de molecuulformule C6H14. antwoord: Cycloalkanen Cycloalkanen zijn verzadigde koolwaterstoffen met een ringvormige (gesloten) keten. De algemene formule is CnH 2n. De namen van de cycloalkanen zijn afgeleid van de namen van de alkanen: de aanduiding cyclo plaatsen we vóór de alkaannaam die het aantal koolstofatomen in de ring aangeeft (zie BINAS tabel 66D). Het eenvoudigste cycloalkaan heeft drie C-atomen: cyclopropaan. Pagina 14

16 Een cycloalkaan kan zijketens hebben, al of niet vertakt. Een zijketen komt dan in de plaats van een H-atoom. Structuurformules Structuurformules van enkele cycloalkanen Meestal geven we de C-H bindingen niet expliciet aan in de structuurformules. De formules worden daardoor een stuk overzichtelijker: de ringvormige koolstofstructuur is beter zichtbaar. Vereenvoudigde structuurformules van enkele cycloalkanen Ruimtelijke structuur Met behulp van computersimulaties kun je een beeld krijgen van de ruimtelijke bouw van de cycloalkanen: Molecuulstructuren (in de uitklaplijst onder Verzadigde alkanen (moet zijn: Verzadigde koolwaterstoffen) vind je meerdere cycloalkanen). (Voor de bovenstaande link is Flash Player nodig) Naamgeving cycloalkanen Wanneer er substituenten op de cyclische structuur staan, krijgt de belangrijkste zijketen nummer 1 toegekend, en niet zoals gebruikelijk het laagste getal vanaf de uiteinden geteld, aangezien een cycloalkaan geen begin of eind heeft. Voorbeeld: Pagina 15

17 1 De substituenten worden in alfabetische volgorde geplaatst ( e voor m). Als gevolg daarvan krijgt in dit geval ethyl het nummer 1 en methyl het nummer 2. Oplopende nummers heeft de voorkeur! 2 Het laagste nummeren betekent hier 1,2,4: de ethylgroep op 1 en de methylgroepen op 2 en 4.. De naam is dan: 1-ethyl- 2,4-dimethylcyclopentaan. Let op: Bij de volgorde van de substituenten kijk je altijd naar de naam van de substituent. Het voorvoegsel di- of tri etc. is hierbij dus niet bepalend. Pagina 16

18 Onverz. koolwaterstoffen Onverzadigde koolwaterstoffen bevatten tenminste één dubbele of drievoudige binding tussen twee koolstofatomen. Tot de onverzadigde koolwaterstoffen behoren de alkenen (niet-cyclische en cyclische) en de alkynen (niet-cyclische en cyclische). Aromatische koolwaterstoffen vormen een speciale groep van onverzadigde cyclische koolwaterstoffen. Alkenen Alkenen zijn niet-cyclische koolwaterstoffen met één dubbele binding tussen twee koolstofatomen. De algemene formule is: CnH 2n. De namen van de alkenen zijn afgeleid van de overeenkomstige alkanen, door de uitgang aan te veranderen in een (zie BINAS tabel 66D). Ruimtelijke bouw Structuurformules van etheen (C 2 H 4 ) De afstand tussen de koolstofatomen in etheen is kleiner dan de afstand tussen de koolstofatomen in ethaan: respectievelijk 0,134 en 0,154 nm. Het molecuul C 2 H 4 is vlak en de hoeken tussen de H-atomen aan één C-atoom en tussen een H-atoom en de dubbele binding zijn 120 o. Etheen heeft een vlakke structuur. De C=C binding is niet vrij draaibaar! Ondanks de afwijkende ruimtelijke bouw tekenen we toch ook hier meestal gestrekte structuurformules met zijbindingen onder hoeken van 90 o. Ook in verkorte structuurformules tekenen we de bindingen voor en na de dubbele binding lineair. Pagina 17

19 Bij alle alkenen liggen de atomen die gebonden zijn aan de C=C altijd in een plat vlak. Het molecuul als geheel is niet vlak! In de onderstaande structuurformules van propeen is met een kleur aangegeven welke atomen in een plat vak liggen. Isomerie bij alkenen Structuurformules van propeen (C 3 H 6 ) Ook bij de alkenen treedt isomerie op: de dubbele binding kan op verschillende plaatsen zitten. De plaats waar de dubbele binding begint, geven we aan met het nummer van het C-atoom in het koolstofskelet, net als bij het aangeven van de plaats van een vertakking (zie 'Naamgeving' in de paragraaf verzadigde koolwaterstoffen). Zo zijn er drie structuurformules van alkenen met de molecuulformule C 4 H 8. De nummering van de dubbele binding wordt weer zo laag mogelijk gehouden. De plaatsaanduiding van de dubbele binding wordt onmiddellijk voor de uitgang een aangebracht. Zie voorbeelden hieronder: Nog een isomeer (niet alkeen) met molecuulformule C 4 H 8 is methylcyclopropaan. De algemene formule van alkenen is dezelfde als die van de cycloalkanen. Alkenen zijn dus isomeer met cycloalkanen. Het is zeker de moeite waard om Molecuulstructuren te bekijken (uitklaplijst onder o nverzadigde koolwaterstoffen). (voor de bovenstaande link is Flash Player nodig) Naamgeving alkenen De namen van onverzadigde, niet-vertakte acyclische koolwaterstoffen met één dubbele binding worden gevormd door de uitgang aan van de naam van de overeenkomstige verzadigde koolwaterstof te vervangen door een. De koolstofketen wordt zodanig genummerd, dat de dubbele bindingen zo laag mogelijke plaatsnummers krijgen. Voorbeelden: Pagina 18

20 Alkadiënen en alkatriënen De algemene formule voor de alkadiënen is C n H 2n-2. De naam geeft al aan dat er twee dubbele bindingen aanwezig zijn (dieen). Voor alkadiënen is de uitgang: a-x,y-dieen, waarbij x en y plaatsnummers voorstellen van koolstofatomen, die betrokken zijn bij één van de dubbele bindingen. Hiertoe is zodanig genummerd dat de dubbele bindingen zo laag mogelijke plaatsnummers krijgen. Voorts gelden bij vertakte alkadiënen dezelfde regels als bij vertakte alkanen. Voorbeelden: De algemene formule voor de alkatriënen is C n H 2n-4. De naam geeft al aan dat er drie dubbele bindingen aanwezig zijn (trieen). Voor alkatriënen is de uitgang: a-x,y,z-trieen, waarbij x, y en z plaatsnummers voorstellen van koolstofatomen, die betrokken zijn bij één van de dubbele bindingen. Hiertoe is zodanig genummerd dat de dubbele bindingen zo laag mogelijke plaatsnummers krijgen. Voorts gelden bij vertakte alkatriënen dezelfde regels als bij vertakte alkanen. Voorbeeld: Cycloalkenen Ook in cyclische moleculen kunnen dubbele bindingen voorkomen: cyclopropeen, cyclobuteen, cyclopenteen, cyclopenta-1,3-dieen, cyclohepta-1,3,5-trieen. Pagina 19

21 Alkynen en cycloalkynen Alkynen zijn niet-cyclische koolwaterstoffen met één drievoudige binding tussen twee koolstofatomen. De algemene formule is: C n H 2n-2. De namen van de alkynen worden afgeleid van de overeenkomstige alkanen, door de uitgang aan te veranderen in yn. Verder zijn de regels van toepassing als vermeld bij de alkenen. Het belangrijkste alkyn is C 2 H 2 met de naam ethyn. Structuurformule: De oude naam voor ethyn is acetyleen. De stof dient als grondstof voor de bereiding van chemicaliën en als brandstof voor lasbranders. De namen van onverzadigde, niet vertakte acyclische koolwaterstoffen met één drievoudige binding worden gevormd door de uitgang aan van de naam van de overeenkomstige verzadigde koolwaterstof te vervangen door yn. Indien er twee of meer drievoudige bindingen aanwezig zijn, wordt de uitgang a-x,y-diyn, ax,y,z-triyn etc. De algemene formule voor de alkynen is C n H 2n-2. De algemene formule voor de alkadiynen is C n H 2n-4. De algemene formule voor de alkatriynen is C n H 2n-6. De keten wordt zodanig genummerd, dat de drievoudige bindingen zo laag mogelijke plaatsnummers krijgen. Voorbeelden: Pagina 20

22 Ook in cyclische moleculen kunnen drievoudige bindingen voorkomen: Aromatische koolwaterstoffen De aromatische koolwaterstoffen vormen een klasse apart. Deze koolwaterstoffen zijn afgeleid van de stof benzeen, C 6 H 6. Structuurformules voor benzeen, C 6 H 6 Aromaten De eerste twee structuren laten zien dat benzeen een stof zou zijn met drie dubbele bindingen op vaste plaatsen in het molecuul. Dit zou betekenen dat het benzeenmolecuul gewoon een drievoudig onverzadigd cyclisch koolwaterstof is. De chemische eigenschappen van benzeen verschillen echter sterk van de eigenschappen van andere onverzadigde koolwaterstoffen. Daarom noemen we benzeen en alle verbindingen die een of meer benzeenringen bevatten niet gewoonweg onverzadigde verbindingen maar aromatische verbindingen of aromaten. De bijzondere eigenschappen van benzeen leiden tot de conclusie dat de drie dubbele bindingen geen vaste plaats in het molecuul hebben, maar dat ze als het ware voortdurend cyclisch doorschuiven. Daarom is voor het benzeenmolecuul een aparte notatie afgesproken. In plaats van de drie streepjes tekenen we in de zesring een cirkel, die de zes niet-gelokaliseerde elektronen voorstelt. Een sterk vereenvoudigd symbool is een zeshoek met een cirkel erin. Pagina 21

23 Fenylgroep Een benzeenring kan ook zijketens hebben, al of niet vertakt. Een zijketen komt dan in de plaats van een H-atoom. Als in een zijketen een speciale groep zit, zoals een dubbele binding, dan wordt de zijketen als hoofdketen beschouwd en de benzeenring als zijketen. De naam van de benzeenring als zijketen is fenyl. Opmerking: Alle koolwaterstoffen die geen benzeenstructuur bevatten en die dus niet aromatisch zijn, noemen we alifatische koolwaterstoffen. Aromatische koolwaterstoffen De benaming 'aromatisch' stamt uit de negentiende eeuw, toen men nog dacht dat alle geurige stoffen altijd benzeenringen bevatten. Benzeen en tolueen hebben een kenmerkende geur. Lang niet alle verbindingen die een chemicus aromatisch noemt zijn aromatisch in de dagelijkse zin van het woord, namelijk aangenaam ruikend. Voorkomen Aromatische verbindingen worden uit aardolie en steenkoolteer gewonnen. Aardolie bevat benzeen met en zonder alkylgroepen. Steenkool bestaat uit zeer grote moleculen waarin veel benzeenringen voorkomen. Bij verhitting van steenkool ontstaat steenkoolteer die behalve benzeen ook veel verbindingen met twee of meer benzeenringen bevat. Bij het kraken van olie ontstaan ook aromatische verbindingen. Gebruik Aromatische koolwaterstoffen gebruiken we vaak als grondstof voor de chemische industrie, maar ook als oplosmiddel. In het dagelijks leven kom je deze stoffen niet vaak tegen, afgezien van Polycyclische Aromatische Koolwaterstoffen (PAK's) in roet. Benzeen en afgeleide stoffen zijn schadelijk voor de gezondheid (kankerverwekkend). Benzeen zelf is een kleurloze vloeistof met een kenmerkende iets zoetige geur. Sommige lijmsoorten bevatten tolueen (methylbenzeen) of xyleen (dimethylbenzeen) als oplosmiddel. Naamgeving aromatische koolwaterstoffen Aromaten De plaats van de substituenten wordt aangeven door nummers, mits slechts twee substituenten Pagina 22

24 aanwezig zijn, mogen evenwel o- (ortho), m-( meta) en p- (para) gebruikt worden in plaats van respectievelijk 1,2-1,3- en 1,4-. Aan de substituenten worden zo laag mogelijke nummers toegekend. Voorbeelden: Pagina 23

25 Karakteristieke groepen In koolstofverbindingen komen naast waterstofatomen vaak ook zuurstof-, stikstof- en halogeenatomen voor. Daarom is de term karakteristieke groep ingevoerd. In dit thema laten we daarvan een overzicht zien als inleiding op een thema over koolstofchemie Sk- 15. Overzicht via video Karakteristieke groepen Sieger Kooi geeft een overzicht van de belangrijkste karakteristieke groepen in koolstofverbindingen/organische verbindingen en legt ook uit wat de bijdragen van die groepen zijn aan de chemische en fysische eigenschappen van die verbindingen. De uitleg in de video is niet aangepast aan de nieuwe naamgeving, maar in beeld komen echter de juiste namen! Aan de orde komen: halogeenalkanen, alkaanzuren (carbonzuren) en alkanolen (alcoholen). kn.nu/ww592fd74 (youtu.be) Overzicht via schema Koolstofverbindingen met karakteristieke groepen In koolstofverbindingen komen naast waterstofatomen vaak ook zuurstof-, stikstof- en halogeenatomen voor. Daarom is de term karakteristieke groep ingevoerd. Karakteristieke groepen zijn atomen of atoomgroepen die in de plaats kunnen komen van een of meer waterstofatomen aan de koolstofketen. Karakteristieke groepen in een molecuul bepalen in hoge mate de chemische en fysische eigenschappen van een stof, dus ook de reacties waaraan een verbinding kan deelnemen. In onderstaande tabel is een indeling gemaakt in soorten koolstofverbindingen (klassen) naar karakteristieke groep. Pagina 24

26 De systematische naamgeving is gebaseerd op het aantal C-atomen in de langste keten en op de daaraan aanwezige karakteristieke groep. Wanneer een karakteristieke groep een C-atoom bevat, telt dat C-atoom mee bij bepaling van de langste C-keten bij gebruik van achtervoegsels. Wanneer een molecuul verschillende karakteristieke groepen bevat, is de hoofdgroep de groep die het hoogst in de tabel staat en deze wordt in de naam met een achtervoegsel aangegeven. Deze hoofdgroep krijgt ook een zo laag mogelijk plaatsnummer. De andere groepen verschijnen dan als voorvoegsel in de naam. In een thema over koolstofchemie (Sk-15 Koolstofchemie: stoffen en reacties) geven we daar voorbeelden van. De naamgeving van de diverse verbindingen lichten we toe bij de karakteristieke groepen. In BINAS tabel 66D staan de karakteristieke groepen met de regels voor de systematische naamgeving samengevat. Voor koolstofverbindingen die al heel lang bekend zijn gebruiken we meestal niet de systematische, maar de triviale naam (zie BINAS tabel 66A). Pas in thema over koolstofchemie (Sk-15 Koolstofchemie: stoffen en reacties) gaan we ook in op een aantal reacties die we met koolwaterstoffen en koolstofverbindingen kunnen uitvoeren. Pagina 25

27 Fossiele brandstoffen Fossiele brandstoffen zijn ontstaan uit resten van voorhistorische planten en dieren, die bedolven raakten onder aardkorstlagen. Onder invloed van hoge druk en temperatuur traden reacties op, waarbij het organisch materiaal zuurstof- en waterstofatomen verloor en het koolstofgehalte toenam. Steenkool ontstond in een moerassige omgeving uit plantaardig materiaal. Aardolie, een ingewikkeld mengsel van koolwaterstoffen, is ontstaan vanuit plantaardige en dierlijke resten op de zeebodem. Aardgas bestaat voornamelijk uit methaan; het is een bijproduct van de vorming van steenkool en van aardolie. Steenkool In een moerassige omgeving raakt fossiel plantaardig materiaal afgeschermd van lucht, waardoor geen rotting op kan treden. Onder dergelijke omstandigheden ontstaat veen. Turf, een brandstof die in Nederland nog in de eerste helft van de 20 e eeuw werd gebruikt, is gedroogd veen. Turfstekers in De Peel Door afzettingen van zand- en leemlagen raakte het veen steeds dieper onder de grond. Met toenemende blootstelling aan hoge druk en temperatuur vindt een omzetting plaats van veen via bruinkool naar steenkool en anthraciet. De kleur van het materiaal wordt tijdens de transformatie Pagina 26

28 donkerder, het koolstofgehalte neemt toe. Anthraciet is een steenkoolsoort die uit vrijwel zuivere koolstof bestaat. Uiteindelijk ontstaat zuivere koolstof, grafiet. Samenstelling steenkool Steenkool bestaat uit grote macromoleculen. De gemiddelde steenkool heeft als samenstelling: CH O 0,05. Deze formule geeft aan dat per 100 C-atomen in steenkool 80 H-atomen en 5 O-atomen aanwezig zijn. In aardolie is de verhouding C : H ongeveer 100 : 170, in aardgas 100 : ,8 Nadelen gebruik steenkool Steenkool kunnen we, chemisch gezien voor verbrandingsreacties, ruwweg opvatten als koolwaterstoffen. Het bezwaar is, dat het vast is en niet vloeibaar te maken door smelten. Daardoor is het lastig te verbranden. En het moet diep onder de grond worden gedolven: een vuil, onaangenaam en gevaarlijk karwei. Steenkool bevat ook wat zwavel- en stikstofverbindingen, naast een aantal andere verontreinigingen. Deze zijn van belang voor de milieu-aspecten van het gebruik van steenkool. Bij verbranding ontstaat bijvoorbeeld vrij veel zwaveldioxide (zie 'Aardgas' in deze paragraaf). Bovendien bevat steenkool altijd onbrandbare bestanddelen, voornamelijk klei en zand, die tijdens de vorming tussen de plantenresten zijn geraakt. Na verbranding blijven deze onbrandbare delen achter als as. Cokes Als we steenkool afgesloten van de lucht verhitten, ontwijken de vluchtige bestanddelen en treedt thermolyse van de macromoleculen op. Er blijft koolstof over, die we cokes noemen. De installatie heet een cokesoven. Vóór de ontdekking van het aardgas in Groningen stonden in veel plaatsen in Nederland gasfabrieken. Daar werd 'gas' gemaakt voor huishoudelijk gebruik (een mengsel van CO en H 2). Grondstof voor deze productie was cokes. Door hoog verhitte cokes werd hete stoom geleid. De volgende chemische reactie vindt dan plaats: C(s) + H 2 O(g)? CO(g) + H 2 (g) Steenkolenvergassing De steenkoolvoorraden in de wereld zijn erg groot; er is genoeg voor honderden jaren. Gewoon verbranden in kachels en ovens veroorzaakt echter (te) ernstige luchtverontreiniging. Daarom zoekt men naar andere manieren om deze brandstofvoorraden te gebruiken. Eén manier is steenkolenvergassing. In principe komt dit proces neer op de zojuist genoemde reactie met hete stoom in de gasfabriek. Bovengronds worden gedolven en fijngemaakte kolen vaak al zo behandeld, maar in principe kan steenkool ook ondergronds al op deze manier worden vergast. De reactie van stoom met koolstof, of met koolstofverbindingen, wordt in de industrie algemeen op grote schaal gebruikt voor de bereiding van 'synthesegas' of 'syngas'. Aardolie Aardolie (ook wel 'ruwe olie' genoemd) is een vloeibaar mengsel van meer dan verschillende stoffen. Veruit de meeste stoffen zijn koolwaterstoffen met een aantal koolstofatomen per molecuul dat varieert van 1 tot ruwweg 50. De samenstelling varieert sterk per vindplaats, maar is globaal als Pagina 27

29 volgt: ruim de helft alkanen (vertakt en onvertakt); ongeveer 10 % aromaten (ook zeer complexe, met vele aan elkaar verbonden benzeenringen); de rest cycloalkanen (vooral cyclopentaan en cyclohexaan). In aardolie komen alkenen niet of nauwelijks voor; alkynen zijn geheel afwezig. Behalve koolwaterstoffen bevat aardolie ook altijd een geringe hoeveelheid koolstofverbindingen met zuurstof, zwavel en stikstof. Gewoonlijk zijn ook sporen van metaalverbindingen aanwezig. Voor de komst van de auto was petroleum (kerosine, vroeger ook lampolie geheten) het belangrijkste product uit aardolie en werd de benzinefractie als afval afgefakkeld (verbrand). Tegenwoordig is de vraag naar benzine zo groot, dat alleen destillatie van aardolie niet genoeg zou opleveren. Immers de samenstelling van de ruwe olie is een gegeven, en de meeste olies bestaan voor zo n 70 % uit de zware fracties gasolie en residu. In de paragraaf 'Aardolieproducten' zullen we zien hoe daar door chemische ingrepen wat aan te doen is. In die paragraaf behandelen we ook de raffinage en verdere verwerking van aardolieproducten. Oliesoorten De kleur van aardolie kan, afhankelijk van de vindplaats, variëren van lichtgeel tot bijna zwart. Er zijn oliesoorten die zo taai en stroperig zijn als pek, er zijn ook oliesoorten die doorzichtig zijn en zo dun als water. De aardolie die in Nederland en op de Noordzee wordt gewonnen is een donkerbruine, tamelijk dunne vloeistof. In Nederland wordt op enkele plekken aardolie gewonnen. Het bekendste is het veld bij Schoonebeek, Drenthe, waar een zeer viskeuze olie wordt opgepompt, die per trein naar Rotterdam wordt vervoerd. Alle ruwe olie gaat naar een raffinaderij. (Raffineren betekent zuiveren, letterlijk 'verfijnen'.) In Rotterdam-Europoort bevindt zich de grootste concentratie van olieraffinaderijen ter wereld. Daar wordt ook de prijs van de dag, in US-dollars per barrel, vastgesteld, op de 'spot-markt'. Het ontstaan van olie Het ontstaan van olie in Texas, tussen miljoen jaar geleden, toen Texas nog onder water stond. kn.nu/ww6b645e7 (youtu.be) Aardgas Aardgas bestaat voornamelijk uit methaan, met een wisselend gehalte aan stikstof en afhankelijk van de vindplaats geringe hoeveelheden andere alkanen (ethaan, propaan, butaan en pentaan). Er bestaan ook bronnen waarvan het aardgas gasvormige zwavelverbindingen bevat. De consequentie is dat zwaveldioxide, een kleurloos gas met formule SO 2, één van de verbrandingsproducten is. Zwaveldioxide is een belangrijke luchtvervuiler. Het lost op in water en deze oplossing is 'zuur'. Zwaveldioxide is geenszins reukloos. De geur is scherp en prikkelend. Pagina 28

30 Sommige mensen zijn er zelfs allergisch voor. De geur kunnen we ruiken bij het afsteken van een lucifer. Daarbij ontstaat ook een klein beetje SO 2, doordat de kop zwavel bevat. Een voorbeeld van een brandbare zwavelverbinding is het gas H 2 S, waterstofsulfide (ook wel eens met de ouderwetse naam 'zwavelwaterstof' aangeduid). Volledige verbranding van waterstofsulfide levert de reactieproducten H 2 O en SO 2 (g). De Groningse 'gasbel' Nederland bezit grote voorraden aardgas. De 'gasbel' in de bodem onder Slochteren, in de provincie Groningen, is een van de grootste ter wereld. Bij de ontdekking in 1960 was de voorraad 4000 miljard m 3; eind 2005 was er 1500 miljard m 3 voorradig. Aardgas is een belangrijke energiebron, zowel voor de huishoudens als voor de industrie: het wordt verbrand. Daarbij gaat het uiteraard om de warmte die vrijkomt bij deze reactie. De verbrandingswarmte van Gronings aardgas is kj m -3 en deze hangt samen met de samenstelling ervan: 81,8 % methaan, 14 % stikstof, 2,7 % ethaan en verder nog geringe hoeveelheden andere alkanen (propaan, butaan en pentaan). Het is een 'schoon' aardgas doordat er vrijwel geen zwavelverbindingen in voorkomen: bij optimale verbranding ontstaan uitsluitend CO 2 en H2O. Explosie en explosiegrenzen Voor aardgas, maar ook voor flessengas (butagas of propagas), is het belangrijkste gevaar de kans op explosie. Een explosie is een plotselinge, uiterst snelle verbranding. Deze is mogelijk wanneer een brandbare stof en zuurstof goed gemengd zijn, zodat bij een ontsteking de reactie in de hele ruimte vrijwel tegelijk kan gebeuren. Alle reactiewarmte komt dan in een heel korte tijd vrij en de verbrandingsgassen zetten daardoor heel snel uit. De verhouding gas/zuurstof hoeft niet gelijk te zijn aan de verhouding die de coëfficiënten van de reactievergelijking geven. Er zijn explosiegrenzen. Zo kan een aardgas-lucht mengsel exploderen als het percentage aardgas ligt tussen 5 en 15 %; onder 5 % is er te weinig gas, boven 15 % is er te weinig zuurstof. Pagina 29

31 Aardolieproducten Aardolie vormt als mengsel van duizenden koolwaterstoffen niet alleen een belangrijke bron voor uiteenlopende brandstoffen, maar ook voor grondstoffen die van belang zijn voor de fabricage van plastics, wasmiddelen en vele andere producten. Om de brandstoffen te verkrijgen is het noodzakelijk om het aardoliemengsel te scheiden in een aantal fracties (aardolieraffinage). Om de grondstoffen te maken 'kraakt' men bepaalde fracties (thermolyse van grote moleculen tot kleine moleculen) en zuivert men de stoffen voor verdere bewerking (petrochemische industrie). Aardolieraffinage Aardolie bewerken we in raffinaderijen. Raffineren betekent eigenlijk zuiveren. Door middel van destillatie scheiden we de olie in verschillende fracties. Een aardoliefractie is een bepaald mengsel met een van te voren gekozen, beperkt kooktraject. We spreken daarom van een gefractioneerde destillatie (zie ook 'Destilleren' in het thema 'Mengsels en scheidingsmethoden'). Het kookpunt van koolwaterstoffen neemt toe met de grootte van de moleculen, met het aantal C- atomen per molecuul. De stroperigheid van koolwaterstoffen neemt eveneens toe met de grootte van de moleculen. Een destillatiekolom, ook fractioneerkolom genoemd, kunnen we opvatten als een installatie (enkele tientallen meters hoog!) waarin een groot aantal destillaties na elkaar plaats vinden. De ruwe olie wordt verhit tot 350 C en in de kolom gepompt. De temperatuur in de kolom loopt van boven naar beneden geleidelijk op (bovenin wordt gekoeld, onderin sterk verhit). Door op verschillende kolomhoogten de gecondenseerde damp af te tappen, verkrijgen we fracties die bestaan uit stoffen van vergelijkbare molecuulgrootte. Pagina 30

32 Schematische weergave van een destillatietoren. Fracties met een hoog kookpunt condenseren onderin de toren waar de temperatuur het hoogst is en fracties met een laag kookpunt condenseren bovenin de toren. Destillatie van ruwe aardolie. Bron: kn.nu/wwc761e2b (schooltv.nl) Ipadgebruikers kunnen hier klikken om de video te starten. Waarom zijn schotellagen en borrelkappen onmisbaar in een echte destillatietoren? kn.nu/ww7c52670 (schooltv.nl) Ipadgebruikers kunnen hier klikken om de video te starten. Model van een borrelkapje. kn.nu/ww8e2c15b (schooltv.nl) Ipadgebruikers kunnen hier klikken om de video te starten. Pagina 31

33 Aardoliefracties Naam fractie Aantal C-atomen per molecuul Kooktraject ( C) Toepasssing gas C1-C4 < 20 verwarming; autobrandstof (LPG) nafta C5-C benzine; grondstof chemie kerosine C8-C vliegtuigbrandstof; kachels; lampolie gasolie C13-C dieselolie; huisbrandolie; grondstof benzine stookolie C20-C stookolie voor elektrische centrales en schepen; smeerolie; grondstof benzine residu > C25 > 350 teerproducten; asfalt De belangrijkste fracties uit aardolie Samenstelling aardoliefracties De samenstelling van aardoliefracties geven we meestal aan met het aantal C-atomen per molecuul. Zo noemen we de gasfractie ook wel de C1-C4 fractie en het residu de C25+ fractie. Het residu is, bij 350 oc, niet vluchtig. Gasolie, stookolie en het residu noemen we ook wel de 'zware' fracties. De aardoliefracties zijn, in tegenstelling tot ruwe olie, wel toepasbaar voor diverse doeleinden. Het overgrote deel, 90 %, van de totale hoeveelheid ruwe olie die door raffinaderijen wordt bewerkt, gebruiken we als brandstof voor auto s, schepen, vliegtuigen, elektriciteitscentrales en industrie. Slechts 10% dient als grondstof voor de chemie (zie 'Petrochemische industrie' in deze paragraaf). Het is niet nodig om zuivere stoffen te gebruiken als brandstof. Mengsels voldoen, mits deze beantwoorden aan bepaalde eisen die verband houden met vluchtigheid, kooktraject, stroperigheid (viscositeit), ontbrandingstemperatuur en verbrandingssnelheid. Benzine bijvoorbeeld mag niet te vluchtig zijn, maar ook niet te stroperig. Het blijkt dat een kooktraject van ruwweg 40 tot 180 C voor auto's in ons klimaat goed voldoet. Petrochemische industrie De petrochemische industrie is de industrie die uitgaat van chemicaliën die indirect afkomstig zijn uit aardolie. Aardolie bevat geen alkenen. In de petrochemische industrie is echter een grote vraag naar alkenen, als grondstoffen voor plastics, wasmiddelen en vele andere producten. De meeste aardoliesoorten bevatten ook relatief veel zware fracties, terwijl er veel vraag is naar lichte fracties, zoals benzine. Kraken Door kraken van bepaalde aardoliefracties ontstaan uit stoffen met grote moleculen een groot aantal stoffen met kleine moleculen, waaronder veel alkenen. Kraken vindt plaats bij hoge temperatuur, uiteraard zonder toetreding van lucht. In feite is het een gedeeltelijke thermolyse. De manier waarop de grote moleculen in stukken breken is volstrekt willekeurig. Met behulp van selectieve katalysatoren kan men het proces tegenwoordig nauwkeurig sturen, zodat het breken minder willekeurig plaatsvindt. Pagina 32

34 Video over het kraken van grote moleculen tot kleine moleculen door verhitting: Hoe breek je grotere moleculen in kleinere? kn.nu/wwd961c7c (schooltv.nl) Kraken van nafta Bij het kraken van nafta ontstaan onder meer etheen en propeen. Een octaanmolecuul kan bijvoorbeeld in drie stukken breken: een etheen-, een propaan- en een propeenmolecuul. Etheen en propeen zijn de grondstoffen voor de productie van respectievelijk de plastics polyetheen en polypropeen. Voorbeeld van een kraakreactie van octaan Bij het kraken van zware fracties ontstaan lichtere fracties en krijg je de grondstof voor de productie van benzine. Polyetheen en polypropeen Polyetheen en polypropeen zijn synthetische polymeren, polymeren die in chemische fabrieken zijn gemaakt uit respectievelijk etheen en propeen. Ze behoren tot de plastics of kunststoffen. Polymeren bestaan uit zeer grote ketenvormige moleculen (macromoleculen), die zijn opgebouwd uit een of meer repeterende brokstukken. Een polymeermolecuul kunnen we vergelijken met een halsketting, die bestaat uit aaneengeregen kralen. Etheenmoleculen kunnen zich aaneenrijgen tot een polyetheenmolecuul. Polyetheen is de plastic met het grootste productievolume. We passen het veel toe als verpakkingsmateriaal, bijvoorbeeld plastic zakken en flessen. Uit propeen ontstaat de plastic polypropeen. Polypropeen heeft heel andere materiaaleigenschappen dan polyetheen; het is veel harder en stugger. We passen het toe in vloerbedekking en in plastic buizen en pijpen. Pagina 33

35 Benzine Samenstelling Benzine is een kleurloos mengsel van koolwaterstoffen dat we gebruiken als brandstof voor benzinemotoren en als oplos- en schoonmaakmiddel. Het bestaat uit lichtere destillatiefracties van aardolie met een lage viscositeit en betrekkelijk laag kooktraject. Benzine bevat koolwaterstoffen met doorgaans 4 tot circa 12 koolstofatomen, en met name uit vertakte alkanen en moleculen met een benzeenring, zoals tolueen en xyleen. Benzinemotor In de cilinder(s) van een benzinemotor wordt een mengsel van lucht en benzinedamp (beter gezegd: benzinenevel) door de zuiger samengeperst. Een vonk van de bougie start de verbranding, die heel snel en heel heftig gaat: een explosie. Door de ontstane hitte zetten de verbrandingsgassen in volume uit en wordt de zuiger weggeslagen. Deze beweging wordt via de krukas omgezet in een draaiende beweging. Octaangetal Aan benzine, die we als brandstof gebruiken, voegen we additieven (ook wel dopes genoemd) toe om te voorkomen dat de motor gaat kloppen (ook wel pingelen genoemd). De klopvastheid drukken we uit in het octaan getal van de benzine. Vaak wordt ten onrechte het begrip octaangehalte gebruikt. Dit is onjuist omdat dit suggereert dat octaan een stof zou zijn die is toegevoegd aan de benzine. Het octaangetal is een referentiewaarde voor de klopvastheid van benzine. Voor diesel bestaat er het cetaangetal, een maat voor de neiging tot zelfontbranding. Het octaangetal van benzine meten we door de klopvastheid te vergelijken met een mengsel van het makkelijk ontbrandbare n-heptaan en het moeilijk ontbrandbare iso-octaan (2,2,4-trimethylpentaan). Hierbij geldt per definitie dat de klopvastheid van n-heptaan 0 is en die van iso-octaan 100. Hoe hoger het octaangetal, hoe klopvaster de benzine. Er bestaan brandstoffen die klopvaster zijn dan isooctaan en dus een hoger octaangetal hebben dan 100. Lpg bijvoorbeeld heeft een klopvastheid van Milieu-aspecten Het is wellicht verrassend dat moderne benzine weinig benzeen bevat, ondanks de naam 'benzine'. Benzeen is verwijderd omdat het kankerverwekkend is. Ook zwavelverbindingen zijn verwijderd om luchtverontreiniging tegen te gaan. De toevoeging tetraethyllood, dat vroeger veel werd gebruikt als antiklopmiddel, is tegenwoordig vervangen door het minder milieu-onvriendelijke methyl-tert-butylether. De benzine is hiermee loodvrij geworden. In Europa wordt sinds midden jaren 90 van de 20e eeuw vrijwel uitsluitend loodvrije benzine (Euro 95 en Super ongelood 98) verkocht. Benzines met lood zijn niet meer te verkrijgen, benzines met loodvervanger slechts beperkt, het apart toevoegen van loodvervanger aan de benzine is ook een optie. Auto's met een katalysator kunnen uitsluitend op loodvrije benzine rijden; lood maakt de katalysator kapot. Stikstofoxiden (NO x ) hebben een prikkelende geur en ze zijn schadelijk voor onze gezondheid. Als bestanddeel van de uitlaatgassen komen ze in de atmosfeer en daar kunnen ze onder invloed van zonlicht allerlei reacties aangaan; NO x is zodoende een luchtvervuiler. Tegenwoordig moeten de uitlaatgassen van een auto door een 'katalysator'. Daardoor wordt de emissie van koolwaterstoffen, CO en NO x minder. Pagina 34

36 Biodiesel Biodiesel is een type biobrandstof, een duurzame energiebron, die gemaakt wordt uit plantaardige olie of dierlijk vet. Biodiesel wordt vaak toegepast in een mengvorm met uit aardolie verkregen diesel. De benaming die men er aan geeft is dan B5 (5% biodiesel) of B20 (bij 20% bijmenging). Bij gebruik van pure biodiesel spreekt men van B100. Toen Rudolf Diesel zijn eerste dieselmotor bouwde, was deze bedoeld voor olie geperst uit pinda's. Tegenwoordig zijn dieselmotoren niet meer geschikt om zonder aanpassingen te werken op pure plantaardige oliën (PPO) of gebruikte plantaardige oliën (Waste Vegetable Oil). Deze zijn te stroperig en geven veel roet. Om deze reden worden de oliën chemisch met een korte alcohol (zoals ethanol, of methanol) omgezet door transesterificatie, ook wel omestering. Omestering is een bewerking waarin de alkylgroep van een ester wordt vervangen door die van een kleine alcohol. Als katalysator van de reactie wordt liefst geen vrij zuur of base gebruikt. Zuren en basen katalyseren naast de omestering ook de verzeping van esters. Het vrije vetzuur dat daarbij ontstaat verhindert de scheiding van de apolaire en polaire fase. Een goede katalysator voor de omestering van plantaardige olie is natriummethanolaat of kaliummethanolaat, meer algemeen: het natrium- of kaliumzout van de alcoholgroep die in de ester moet komen. Dit alcohol wordt dan ook als oplosmiddel gebruikt. Na het produceren van de biodiesel zijn 2 lagen ontstaan. De polaire laag en de apolaire laag. De apolaire laag bestaat uit biodiesel en eventueel niet weggereageerde olie. De polaire laag bestaat uit glycerol, de katalysator en het overgebleven methanol. Deze lagen moeten van elkaar gescheiden worden. Vervolgens is het belangrijk dat de biodiesel gewassen wordt. De reden hiervoor is dat de laatste verontreinigingen verwijderd moeten worden. Het nadeel bij deze stap is dat er een klein deel water oplost in de biodiesel. Als laatste stap moet de biodiesel worden gedroogd. Milieuvoordeel Het belangrijkste milieuvoordeel van biodiesel is dat de basisgrondstof (PPO, pure plantaardige olie) biologisch afbreekbaar is, niet giftig is en geen zwavel en aromaten bevat. Daarentegen zijn de benodigde chemicaliën voor de verestering dan wel weer toxisch. Bij verbranding komt veel minder zwaveloxide en koolstofmonoxide vrij dan bij gewone brandstoffen. Maar er komen wel meer stikstofoxiden vrij, die bijdragen tot de vorming van zure regen. Met een katalysatorsysteem in autouitlaten zijn deze stikstofoxiden goed te verwijderen. De belangrijkste drijfveer voor het gebruik van biodiesel is de neutralisering van de CO 2 -uitstoot, veronderstellend dat de hoeveelheid CO 2 die geproduceerd wordt door verbranding, eerder door de plantaardige bron uit de lucht werd gehaald tijdens het groeiproces. Een gedeelte van deze milieuwinst wordt tenietgedaan door het energieverbruik tijdens productie en transport van de grondstoffen. Verder gaat dit alleen maar op als de voor de biodiesel benodigde aanplant geplant wordt op een plek waar voorheen geen beplanting stond. Vaak wordt hiervoor echter bos gekapt (dat al CO 2 uit de lucht haalde), waardoor er niet méér CO 2 uit de lucht wordt gehaald dan voorheen. Wel komt er minder CO 2 in de lucht omdat er nu geen aanspraak wordt gedaan op de 'C-voorraad' in de aardbodem. Het voordeel van biodiesel ten opzichte van pure plantaardige olie is dat de viscositeit ervan goed Pagina 35

37 overeenkomt met die van conventionele dieselolie. Daardoor kunnen de meeste motoren er zonder aanpassingen op lopen. Echter voor permanent biodieselgebruik moeten brandstofleidingen en pakkingen van een materiaal zijn dat zich niet laat aantasten door de hogere zuurgraad van biodiesel. Dit vraagt in veel gevallen om aanpassing. Een nadeel is dat biodiesel een iets lagere energiewaarde heeft dan diesel, m.a.w. je komt minder ver met een volle tank. Verder moet, zoals gezegd, de grondstof voor biodiesel eerst bewerkt worden, hetgeen milieubelastend is, terwijl deze grondstof ook in pure vorm gebruikt kan worden als PPO. Het toenemende gebruik van biodiesel en bio-ethanol zorgt voor veel extra vraag naar gewassen waaruit olie kan worden gewonnen. Een van de grootste zorgen is met name het kappen van tropische wouden om zo ruimte te maken voor de aanbouw van de lucratieve oliepalm, zoals in de Filipijnen en op Indonesië. Naast ontbossing en erosie komen daardoor bijzondere plantensoorten en beschermde diersoorten zoals de oerang-oetang in het gedrang. Bovendien kost het transport van dit tropische biodiesel ook de nodige brandstof voor het in Nederland aan de pomp verkrijgbaar is. Economisch gezien heeft de grote vraag in westerse landen naar biobrandstoffen vergaande gevolgen. In het voorjaar van 2007 was, door de grote vraag naar maïs voor gebruik als biobrandstof in bijvoorbeeld Amerika, de prijs voor maïs en tortilla's in Mexico meer dan verdubbeld. In Nederland ook werd gewaarschuwd voor hogere prijzen voor grondstoffen door de toenemende vraag naar biobrandstoffen. Denk hierbij aan prijsstijgingen van producten als eieren en kippenvlees. Bierproducent Heineken waarschuwde al begin 2007 dat de bierprijzen, door de toenemende vraag naar o.a. tarwe, zullen gaan stijgen. Voor westerse consumenten betekent de opkomst en wettelijke verplichting van biobrandstoffen een stijging van de voedselprijzen, in de derde wereld zal dit mogelijk tot een voedselcrisis leiden. Naast het prijseffect stonden de effectiviteit voor het reduceren van de broeikasgasuitstoot en het risico van ontbossing en aantasting van de biodiversiteit ook ter discussie. De stijgende wereldwijde vraag naar landbouwgewassen, inclusief vanuit de biobrandstoffenindustrie, en het gebrek aan voorraden leidde tot extra druk op het landgebruik en de landbouwmarkt. Bron: Wikipedia Pagina 36

38 TOETS Toets koolstofchemie kn.nu/1mlz6 Rechtsonder in de bovenstaande tekening is een structuurformule in de zogenaamde Fischerprojectie getekend. De atomen A en B steken naar achteren en de atomen C en D steken naar voren. Linksboven zie de perspectivische tekening hiervan. In deze toets kom je de Fischerprojectie en perspectivische tekeningen tegen. Als je de toets hebt afgerond, kun je op de knop 'Bewijs van deelname/overzicht' drukken. Je krijgt eerst een overzicht van het aantal goede en foute vragen te zien. Als je verder scrolt, kom je bij een samenvatting. Hier staan de vragen, het antwoord dat jij hebt gegeven en het juiste antwoord op de vraag. Daarnaast krijg je nog een stukje achtergrond informatie bij de foute antwoorden en vaak ook bij de goede antwoorden. Voor deze toets is ongeveer 45 minuten nodig. Veel succes! Geef de juiste systematische naam Pagina 37

39 a. 3,5-dimethylhexaan b. 2,4-dimethylhexaan c. 4-ethyl-2-methylpentaan d. 2-ethyl-4-methylpentaan Een bepaalde stof heeft de volgende structuurformule: Wat is de juiste systematische naam van deze stof? a. 2,3-dimethylpentaan b. 2-ethyl-3-methylbutaan c. 3-ethyl-2-methylbutaan d. 3,4-dimethylpentaan Rangschik de volgende alkanolen naar opklimmend kookpunt. A. 2-methylpropaan-2-ol B. butaan1-1ol C. butaan-1-ol a. A - B - C b. C - B - A c. B - C - A d. B - A - C e. A - C - B f. C - A - B Door destillatie van aardolie ontstaan een aantal fracties, die van elkaar verschillen in de hoogte van de kookpunten, of nog beter gezegd, in de ligging van de kooktrajecten. Naast andere zijn LPG en kerosine twee van deze aardoliefracties. Beoordeel de volgende twee uitspraken: I het kooktraject van LPG ligt hoger dan van kerosine II de (gemiddelde) ketenlengte van de moleculen in LPG is langer dan de (gemiddelde) ketenlengte van de moleculen in kerosine Welke van deze twee uitspraken is juist? Pagina 38

40 a. alleen I b. zowel I als II c. Alleen II d. geen van beide Quadricyclaan is een verzadigde koolwaterstof waarvan het koolstofskelet samengesteld is uit vijf ringstructuren met een ruimtelijke structuur zoals hieronder getekend is: a. C7H7 b. C7H16 c. C7H8 d. C7H14 a. 5-ethylhept-3-een b. 4,4-diethyl-1-methylbut-2-een c. 3-ethylhept-4-een d. 4-ethyl-1-methylhex-2-een Wat is de juiste systematische naam? Pagina 39

41 a. 4-methylpent-4-een b. 4-metheenpentaan c. 2-metheenpentaan d. 2-methylpent-1-een Wat is de juiste systematische naam voor de onderstaande verbinding? a. 2,2-dibroombutaan b. 2-dibroombutaan c. 3,3-dibroombutaan d. 3-dibroombutaan Bij de verbranding van brandstoffen ontstaan er rookgassen, waarin een aantal stoffen voorkomen die in de atmosfeer luchtverontreiniging veroorzaken en/of bijdragen aan het broeikaseffect in de atmosfeer. Welk bestanddeel van de rookgassen is geen vorm van luchtverontreiniging en is ook geen broeikasgas? a. stikstofmonoxide en stikstofdioxide b. koolstofdioxide c. zwaveldioxide d. waterdamp Pagina 40

42 Bij hoge temperatuur kan olie gekraakt worden. Hierbij kunnen koolwaterstoffen met lange ketens omgezet worden in koolwaterstoffen met kortere ketens. Wat zou na kraken de samenstelling van het mengsel kunnen zijn als één molecuul nonaan, C 9 H 20, wordt omgezet in 3 kleinere moleculen? a. 1 molecuul propeen en 2 moleculen propaan b. 2 moleculen propeen en 1 molecuul propaan c. 3 moleculen propeen d. 3 moleculen propaan Welke vergelijking geeft de reactie aan die plaatsvindt bij de volledige verbranding van lampolie in de vorm van octanol, C 8 H 18 O(l)? a. 2C8H18O + 3O2? 2C17H34O + 2CO2 + 2H2O b. C8H18O + 12O2? 8CO2 + 9H2O c. C8H18O + 2O2? C7H16O + CO2 + H2O d. 2C8H18O + 25O2? 16CO2 + 18H2O Gegeven: - de formule van een bepaald onverzadigd vetzuur is C 19 H 31 COOH - in de bouw van dit molecuul vetzuur komt geen ringstructuur voor. Door een reactie met waterstofgas kan het onverzadigd vetzuur omgezet worden in een verzadigd vetzuur. Hoeveel waterstof kan bij deze reactie maximaal opgenomen worden door één molecuul van dit vetzuur? a. 8 moleculen b. 2 moleculen c. 1 molecuul d. 4 moleculen Pagina 41

43 a. 1-methylcyclopent-4-een b. 3-methylcyclopent-1-een c. 1-methylcyclopent-2-een d. 5-methylcyclopent-1-een Gegeven: een reageerbuis bevat óf hexaan óf hex-1-een Foppe wil onderzoeken welke stof in de reageerbuis aanwezig is door een klein beetje broom toe te voegen, dan sluit hij de buis en schudt even goed en zet de buis in het donker. Na ca. 5 minuten haalt hij de buis uit het donker kijkt hij goed naar de kleur in de vloeistof en trekt op grond van die waarneming een bepaalde conclusie. Welk antwoord geeft de waarneming aan met de bijbehorende juiste conclusie? a. Als de vloeistof geel-bruin kleurt dan is het onderzoek mislukt. b. Als de vloeistof ontkleurt dan bevat de buis hex-1-een. c. Als de vloeistof geel-bruin kleurt dan bevat de buis hex-1-een. d. Als de vloeistof ontkleurt dan bevat de buis hexaan. Butaan is een koolwaterstof met de molecuulformule C 4 H 10. Als in een molecuul butaan twee waterstofatomen worden vervangen door twee broomato men dan ontstaat dibroombutaan Hoeveel verschillende isomere dibroombutaanmoleculen zijn er dan mogelijk? a. 5 b. 2 c. 3 d. 4 Propaan heeft de molecuulformule C 3 H 8. Als in een molecuul propaan twee waterstofatomen worden vervangen door twee chloorato men dan ontstaat dichloorpropaan. Hoeveel verschillende isomere dichloorpropaanmoleculen zijn er dan mogelijk? a. 3 b. 4 c. 2 d. 8 Hoeveel verschillende stoffen worden hier weergegeven? Pagina 42

44 a. 4 b. 2 c. 3 d. 1 Welke stoffen zijn isomeer met but-2-yn? a. alleen II b. zowel I als II c. alleen I d. geen van beide Men laat but-2-een reageren met broom, waarbij een additiereactie plaatsvindt. Wat is de naam van het reactieproduct dat dan ontstaat? Pagina 43

45 a. 1,2-dibroombutaan b. 2,2,3,3,-tetrabroombutaan c. 2,3-dibroombut-2-een d. 2,3-dibroombutaan Geef de juiste systematische naam van een halogeenkoolwaterstof a. 1-broom-2-methylbutaan b. 4-broom-3-methylbutaan c. 3-broommethylbutaan d. 2-broommethylbutaan Pagina 44