Samenvatting Chemie Overal 3 havo

Transcriptie

1 Samenvatting Chemie Overal 3 havo Hoofdstuk 3: Reacties 3.1 Energie Energievoorziening Fossiele brandstoffen zijn nog steeds belangrijk voor onze energievoorziening. We zijn druk op zoek naar duurzame energie (windmolenparken, zonnecellen, waterstof, kernenergie). Sommige reacties, zoals verbrandingsreacties, leveren energie. Voor andere reacties, zoals het winnen van ijzer uit ijzererts, is juist energie nodig. Niet alleen bij verbranding van brandstoffen, maar bij alle chemische reacties treedt een energie-effect op. 3.2 Kenmerken van een chemische reactie Hoe herken je een chemische reactie? Een chemische reactie kun je herkennen aan het veranderen van stofeigenschappen. Tijdens een chemische reactie veranderen de beginstoffen in reactieproducten. Exotherm en endotherm Bij elke chemische reactie treedt een energie-effect op. Soms komt er energie vrij, dan heet de reactie exotherm, en soms is er energie nodig, dan heet de reactie endotherm. 3.3 Reactieomstandigheden Reactietemperatuur Voor elke chemische reactie is een bepaalde minimale temperatuur nodig. Dit noemen we de reactietemperatuur. Een chemische reactie verloopt pas als de temperatuur even hoog of hoger is dan de reactietemperatuur. Extra stof Factoren die invloed hebben op de reactiesnelheid Niet alle reacties in de scheikunde verlopen even snel. Er zijn vijf factoren die invloed hebben op de reactiesnelheid: de soort stof; de verdelingsgraad van de beginstof(fen); de concentratie(s) van de beginstof(fen); de temperatuur van het reactiemengsel; de aanwezigheid van een katalysator. De wet van het behoud van massa of de wet van Lavoisier Bij een chemische reactie is de totale massa van de beginstoffen gelijk aan de totale massa van de reactieproducten. Let op bij reacties waarbij gassen betrokken zijn: die moet je wel meewegen! 1

2 Reactieschema Een reactieschema is een verkorte weergave van de beschrijving van een reactie. Achter elke stofnaam zet je de toestandsaanduiding: s, l, g of aq (= opgelost in water). Voorbeeld: Bij de reactie tussen koolstof en zuurstof ontstaat koolstofdioxide. Het reactieschema is dan: koolstof (s) + zuurstof (g) koolstofdioxide (g) Wanneer stopt een reactie? Een chemische reactie stopt als één van de beginstoffen op is. Dan blijft er van één van de beginstoffen nog wat over. Het deel dat overblijft, noem je de overmaat. 3.4 Formuletaal Molecuulformules Een molecuulformule geeft aan welke atomen in een molecuul voorkomen en hoeveel er zijn van elke soort. De index is het getal dat in een molecuulformule rechtsonder elk symbool staat. De index geeft het aantal atomen van elke soort in het molecuul weer. De coëfficiënt is een getal dat vóór een molecuulformule staat. De coëfficiënt geeft het aantal moleculen van een stof weer. Molecuulformules van elementen Een element is een stof die uit één atoomsoort bestaat, zie figuur Het aantal atomen per molecuul hangt af van het element. Molecuulformules van verbindingen Een verbinding is een stof die uit twee of meer atoomsoorten bestaat, zie figuur Leer de namen en de molecuulformules uit je hoofd (de molecuultekening hoef je niet zelf te kunnen maken). 3.5 Van reactieschema naar reactievergelijking Verklaring van de wet van Lavoisier De beginstoffen bevatten evenveel atomen van elke soort als de reactieproducten, zie figuur Dat betekent dat er vóór en achter de pijl van een reactieschema evenveel atomen van elke soort moeten staan. Zo n reactieschema heet een reactievergelijking. Als je van de beginstoffen en de reactieproducten de formules kent, kun je in plaats van een reactieschema een reactievergelijking opstellen. 2

3 De vorming van ammoniak Ammoniak (NH 3 ) ontstaat door een reactie van waterstofgas (H 2 ) met stikstofgas (N 2 ). Hoe stel je de reactievergelijking voor deze reactie op? In het reactieschema: waterstof (g) + stikstof (g) ammoniak (g) Vervang je elke stofnaam door de bijbehorende molecuulformule, zie figuur H 2 (g) + N 2 (g) NH 3 (g) Nu nog de reactievergelijking kloppend maken. Gebruik coëfficiënten: kom nooit aan de indexen! Kloppend maken Als je begint met de atoomsoort stikstof, dan zie je vóór de pijl twee atomen staan. Om achter de pijl ook twee atomen stikstof te krijgen, moet je het getal 2 vóór de formule van ammoniak zetten: H 2 (g) + N 2 (g) 2 NH 3 (g) Door het getal 2 vóór de formule van ammoniak staan er achter de pijl nu zes atomen waterstof. Dus moet je vóór de pijl het getal 3 voor de formule van waterstof zetten. Dan staan er ook links van de pijl zes waterstofatomen. 3 H 2 (g) + 1 N 2 (g) 2 NH 3 (g) Als controle tel je nog een keer de aantallen atomen, zie figuur Er zijn geen atomen bijgekomen of verdwenen. De verbranding van aardgas Methaan (CH 4 ) heeft voor verbranding zuurstof (O 2 ) nodig. De reactieproducten zijn koolstofdioxide (CO 2 ) en water (H 2 O). Hoe luidt de reactievergelijking voor deze reactie? In het reactieschema: methaan (g) + zuurstof (g) koolstofdioxide (g) + water (l) Vervang je elke stofnaam door de bijbehorende molecuulformule, zie figuur CH 4 (g) + O 2 (g) CO 2 (g) + H 2 O (l) Nu kloppend maken. 1 CH 4 (g) +... O 2 (g) 1 CO 2 (g) + 2 H 2 O (l) 1 CH 4 (g) + 2 O 2 (g) 1 CO 2 (g) + 2 H 2 O (l) Controleren, zie figuur

4 Bij het kloppend maken moet je ervoor zorgen dat je altijd begint met een atoomsoort die maar in twee molecuulsoorten voorkomt. Een atoomsoort die in drie of meer molecuulsoorten voorkomt, bewaar je bij het kloppend maken voor het laatst. 3.6 Verbrandingsreacties Wat is een verbrandingsreactie? Een verbrandingsreactie is een reactie van een stof met zuurstof, waarbij meestal vuurverschijnselen te zien zijn. Er zijn drie voorwaarden voor het verlopen van een verbrandingsreactie: er moet een brandbare stof zijn; er moet voldoende zuurstof zijn; de ontbrandingstemperatuur moet bereikt zijn. Bij een verbrandingsreactie komt warmte vrij, het is dus een exotherme reactie. Dit kan leiden tot het optreden van vuurverschijnselen: vlam: een hoeveelheid gloeiend gas; vonken: wegspringende deeltjes van een gloeiende vaste stof. Na de verbranding kun je te maken hebben met: rook: een fijn verdeeld vast reactieproduct; as: een vast reactieproduct dat niet zo fijn verdeeld is, of het deel van de brandstof dat niet brandbaar was. Verbranden van elementen Als je een element verbrandt, ontstaat maar één reactieproduct, een oxide, zie figuur Een oxide is een verbinding die bestaat uit twee atoomsoorten: de atoomsoort zuurstof en één andere atoomsoort. De namen van de metaaloxiden spreken voor zichzelf. Van sommige niet-metalen bestaan twee of meer oxiden. Om die van elkaar te onderscheiden, hebben ze verschillende namen. Verbranden van verbindingen Bij de verbranding van een verbinding ontstaan twee of meer oxiden. Elke atoomsoort in de verbinding levert zijn eigen oxide, zie figuur Dat geldt niet voor de atoomsoort zuurstof. Voorbeelden Methaan: 1 CH 4 (g) + 2 O 2 (g) 1 CO 2 (g) + 2 H 2 O (l) De verbinding C 4 H 4 S: C 4 H 4 S (l) + 6 O 2 (g) 4 CO 2 (g) + 2 H 2 O (l) + SO 2 (g) drie atoomsoorten drie oxiden 4

5 Onvolledige verbranding Als er onvoldoende zuurstof wordt toegevoerd, kan een onvolledige verbranding optreden. Meestal ontstaan de verbrandingsproducten C en CO 2 naast elkaar. Bij hoge temperatuur reageren C en CO 2 namelijk met elkaar tot koolstofmono-oxide, CO. De reactievergelijking luidt: C (s) + CO 2 (g) 2 CO (g) Koolstofmono-oxide is een levensgevaarlijke stof omdat het een kleurloos en reukloos gas is dat bijzonder giftig is. Reagentia Een reagens is een stof die zichtbaar van kleur verandert in aanwezigheid van de stof die je wilt aantonen. Een reagens voldoet aan twee voorwaarden: Het moet selectief en gevoelig zijn. Wit kopersulfaat is een reagens op water. Kalkwater is een reagens op koolstofdioxide. Broomwater is een reagens op zwaveldioxide. Snelle verbranding De kans op een explosie (figuur 3.31) is het grootst als een gasvormige brandstof in de juiste verhouding is vermengd met zuurstof. Extra stof Factoren die invloed hebben op het verlopen van een verbrandingsreactie soort stof Brandbaarheid is niet voor alle stoffen gelijk. verdelingsgraad Een fijn verdeelde brandbare vaste stof die in aanwezigheid van zuurstof boven zijn ontbrandingstemperatuur komt, kan exploderen. Deze rook- of stofexplosies zijn vaak verantwoordelijk voor het overslaan van branden. concentratie beginstoffen Als de concentratie van de zuurstof in de lucht daalt, verloopt de verbrandingsreactie steeds langzamer. Het normale zuurstofgehalte van de lucht is ongeveer 20%. temperatuur Als de temperatuur van een stof lager is dan de ontbrandingstemperatuur, kan hij niet branden. katalysator Om de naverbranding van de uitlaatgassen van een auto goed te laten verlopen, gebruiken we een driewegkatalysator. 5

6 3.7 Rekenen met massaverhoudingen De massa van een atoom Elk atoom heeft zijn eigen massa (figuur 3.36) die we uitdrukken in de atomaire massa-eenheid: u. Een massa van 1 u komt overeen met 1, gram. Een massa van 1 gram komt overeen met 6, u. Massaverhouding Een reactievergelijking geeft aan hoeveel moleculen van elke soort met elkaar reageren en hoeveel er ontstaan. Door gebruik te maken van de atoommassa s uitgedrukt in u kun je nu ook de massaverhouding berekenen. Voorbeeld: Fe (s) + S (l) FeS (s) De verhouding waarin atomen ijzer en zwavel met elkaar reageren is 1 : 1. Eén atoom ijzer weegt 55,85 u en één atoom zwavel weegt 32,06 u. De massaverhouding waarin ijzer en zwavel met elkaar reageren is dus 55,85 : 32,06, zie figuur De massaverhouding waarin ijzer en zwavel met elkaar reageren blijft hetzelfde, zie figuur De massaverhouding waarin stoffen met elkaar reageren is voor elke reactie verschillend, zie figuur Je kunt allerlei berekeningen uitvoeren met behulp van deze tabel. Rekenen aan de reactie van ijzer en zwavel Voorbeeld 1 Je laat 15,0 gram ijzer reageren met zwavel. Hoeveel gram zwavel kan maximaal reageren en hoeveel gram ijzersulfide kan er ontstaan? Maak een rekenschema en vul in: ijzer zwavel ijzersulfide massaverhouding 55,85 32,06 87,91 hoeveelheid stof (g) 15,0 x y Uit dit rekenschema (of uit deze tabel) volgt de verhoudingstabel: 55,85 32,06 87,91 15,0 x y Door gebruik te maken van kruisproducten krijg je: 15,0 32,06 x 8,61 en 55,85 15,0 87,91 y 23,61. 55,85 Er reageert dus 8,61 g zwavel met 15,0 g ijzer. Er ontstaat 23,61 g ijzersulfide. 6

7 Voorbeeld 2 Je mengt 15,0 gram ijzer met 12,0 gram zwavel en laat een reactie plaatsvinden. Hoeveel gram van welke stof(fen) is na de reactie aanwezig? Je schat in dat er na de reactie geen ijzer meer over is. Hoeveel zwavel is daarvoor nodig? ijzer zwavel massaverhouding 55,85 32,06 hoeveelheid stof (g) 15,0 y 15,0 32,06 y 8,61 55,85 Je hebt 8,61 g zwavel nodig om met 15,0 g ijzer te reageren. Je hebt 12,0 g zwavel. Er blijft dus 12,0 8,61 = 3,39 g zwavel over. Na de reactie zit er 3,39 g zwavel in het reactievat en 8, ,0 = 23,61 g ijzersulfide. Je zegt nu dat in deze reactie zwavel in overmaat aanwezig is. Je kunt natuurlijk ook zeggen dat ijzer in ondermaat aanwezig is. 7