Module 8 Chemisch Rekenen aan reacties

Transcriptie

1 1

2 Inleiding In deze module ga je leren hoe je allerlei rekenwerk kunt uitvoeren aan chemische reacties. Dat is van belang omdat in veel bedrijven wordt gerekend aan reacties onder andere om te bepalen hoeveel grondstoffen ze moeten kopen om hun producten te maken. Bedrijven als DSM, Sabic doen veel met chemisch rekenwerk. Afbeelding: Fabriek van Volkswagen Bron:VW-Werk Wet van behoud van massa Deze fabrieken hebben allemaal geluk dat de wet van behoud van massa geldt voor chemische reacties. Anders zouden chemische fabrieken nooit op tijd hun voorraad grondstoffen op peil kunnen houden als ze een product moeten maken. De wet van behoud van massa zegt dat de massa van een chemische reactie constant zal blijven, ongeacht de processen die binnen het systeem plaatsvinden. Dit impliceert, dat voor ieder chemisch proces in een gesloten systeem, de totale massa van de beginstoffen gelijk moet zijn aan de totale massa van de reactieproducten (eindstoffen). In chemische reacties kunnen atomen niet gemaakt worden en ook niet worden vernietigd. De wet van behoud van massa werd in 1789 geformuleerd door Antoine Lavoisier. Om deze reden is deze regel ook bekend als de Wet van Lavoisier. Lavoisier wordt om deze reden vaak gezien als de grondlegger van de moderne scheikunde. Stja wat moeten wij met dit allemaal hoor je de leerlingen nu denken, we gaan jullie dat proberen uit te leggen met een aantal voorbeelden! 2

3 Bewijs wet van behoud van massa In de les hebben jullie op enkele filmpjes gezien die de wet van behoud van massa bewijzen voor chemische reacties. Hieronder zie je aan afbeelding waarbij CaCl 2 (calciumchloride) en Na 2 SO 4 met elkaar gaan reageren. Hierbij treedt een kleurverandering op en er ontstaat een nieuwe witte stof tijdens de reactie. De massa van de beginstoffen voor de reactie is: 300,23 gram De massa van de reactieproducten na de reactie is: 300,23 gram Beginstoffen Mengen en in contact brengen van de begin- Eindstoffen ofwel reactieproducten Conclusie: Voor bovenstaande chemische reactie geldt massa voor = massa na Wet van behoud van massa op moleculair niveau Indien waterstof reageert met zuurstof reageert ontstaat water. Stel dat 16 waterstofatomen reageren met 8 zuurstofatomen dan ontstaan er 8 water moleculen. Voor de reactie: 16 waterstof atomen en 8 zuurstofatomen Na de reactie : 16 waterstof atomen en 8 zuurstofatomen Massa van de atomen voor de reactie is gelijk aan de massa van de atomen na de reactie 3

4 Je zet een kaars op een massabalans (weeschaal) en weegt de massa voordat je de kaars aansteekt. De massa blijkt dan 30 gram te zijn. Nadat de kaars een tijdje gebrand heeft wordt deze uitgeblazen. De verbrandingsreactie stopt dan! De kaars wordt opnieuw gewogen en blijkt dan 20 gram te wegen. MMMM Klopt die theorie wel van Massa Voor = Massa Na? Er is 10 gram kaarsvet verdwenen, wat is er nu allemaal gebeurd?? Massabalans Gelukkig heb je ondertussen al wat verstand van scheikunde en besef je dat er een chemische reactie heeft plaatsgevonden. Namelijk de verbranding van kaarsvet. Reactieschema: Kaarsvet (s) + zuurstof (g) koolstofdioxide (g) + water (g) Je ziet nu ook wat er gebeurd is namelijk de vaste stof kaarsvet is verbrand en er zijn twee gassen ontstaan namelijk koolstofdioxide gas en waterdamp. Dat verklaart de afname van de massa van de kaars tijdens de verbranding, een deel van het kaarsvet wordt simpelweg omgezet in andere gasvormige stoffen. Voorbeeld 1 4 gram ijzer wordt volledig verbrand. Na de reactie is 5.7 gram ijzeroxide ontstaan. Met hoeveel gram zuurstof heeft ijzer dan gereageerd? Reactieschema: ijzer (s) + zuurstof (g) ijzeroxide (s) 4 gram x gram 5,7 gram Massa Voor = Massa Na toepassen: 4 + x = 5,7 x= 5,7 4 = 1,7 gram 4

5 Voorbeeld 2 : Chemische reactie de productie van dieetzout kaliumchloride Dieetzout kan worden geproduceerd door het metaal kalium te laten reageren met het giftige gas chloor. Daardoor ontstaat het zout kaliumchloride en er komt energie vrij in de vorm van licht en warmte! Bron Onderstaande afbeeldingen: Afbeelding. Beginstof Het metaal kalium Afbeelding. Het gas chloor Afbeelding. Reactie kalium en Chloor Afbeelding. reactieproduct kaliumchloride Chemische Reactie Indien verwarmd kalium wordt toegevoegd aan chloorgas gaan beide stoffen heftig met elkaar reageren. Er komt energie vrij tijdens de reactie in de vorm van licht en warmte. Kalium is een vaste stof, chloor een gas en kaliumchloride een vaste stof. Samenvattend: Kalium (vast) + Chloor (gas) Kaliumchloride (vast) + Energie Bovenstaande samenvatting wordt een reactieschema genoemd. 5

6 Vervolg voorbeeld 2 Kalium (vast) + Chloor (gas) Kaliumchloride (vast) Het blijkt dat kalium en chloor volgens vaste massaverhoudingen met elkaar reageren: Vaste massaverhoudingen: Kalium en chloor reageren volgens vaste verhoudingen met elkaar Voor fabrieken is het gunstig dat stoffen reageren volgens vaste massaverhoudingen, zo kan een fabriek precies uitrekenen hoeveel grondstoffen ze moet inkopen om een bepaald eindproduct te maken. 1,1 gram kalium + 1 gram chloor 2,1 gram kaliumchloride 11 gram kalium + 10 gram chloor 21 gram kaliumchloride 110 gram kalium gram chloor 210 gram kaliumchloride Hoe kan het nu dat stoffen volgens bepaalde massaverhoudingen reageren? Bij een chemische reactie reageren moleculen met elkaar en er ontstaan dan nieuwe stoffen. Hieronder staat getekend hoe dit op moleculair niveau uitziet. + Twee kalium atomen. Kalium is een metaal en hiervoor geld het metaalmodel Bovenstaande tekening is vereenvoudigd. Chloor, zit in het rijtje van Fientje dus komt met twee atomen voor Kaliumchloride. kaliumchloride is een zout, de tekening die je hierboven ziet is een vereenvoudigde weergave. Later zul je leren hoe de structuur van een zout is! 6

7 39 35, ,5 35,5 2 K (s) 1 Cl 2 (g) 2 KCl (s) 39 35,5 Zoals jullie al weten heeft iedere atoomsoort een eigen unieke atoommassa. Hierboven staat met tekeningen een kloppend gemaakte reactievergelijking. In de tekening staan de atoommassa s vermeld. (in units) We gaan bovenstaande reactie omzetten in formulevorm: 2 K (s) + 1 Cl 2 (g) 2 KCl (s) 2 x 39 : 1 x (2x35,5) : 2 x (39+35,5) 2 x 39 : 1 x 71 : 2 x 74,5 78 : 71 : X 10 Massaverhoudingen: Kalium (K) 78 1,1 11 Chloor (Cl 2 ) 71 1,0 10 Kaliumchloride (KCl) 149 2, X 10 7

8 Voorbeeld 3 De ontleding van water Met het toestel van Hoffman en elektrische stroom wordt water ontleed tot waterstof en zuurstof. Zie hiervoor Module 2 stoffen. Water molecuul Zuurstof molecuul Waterstof molecuul Reactieschema: Water (l) -> waterstof (g) + zuurstof (g) Reactievergelijking met tekeningen + + Reactievergelijking met molecuulformules: 2 H 2 O (l) 1 O 2 (g) + 2 H 2 (g) Bij alle chemische reacties gaat dit zo. Er is altijd sprake van een vaste reactieverhouding, waarin de beginstoffen met elkaar reageren. De reactieproducten ontstaan ook altijd in een vaste verhouding. Dit komt doordat alle atomen van de beginstoffen na de reactie terug te vinden zijn in de moleculen van de reactieproducten. 8

9 Voorbeeldopgave 3 Bereken hoeveel gram waterstof en zuurstof ontstaan indien je 30 gram water ontleed! Aanpak: Stap 1 Maak een kloppende reactievergelijking Stap 2 Bereken de molecuul massa s van de deelnemende stoffen Stap 3 Bereken met bovenstaande stappen de massaverhoudingen Stap 4 Maak een verhoudingstabel en zet hierin al je gegevens! Stap1 Kloppende reactievergelijking 2 H 2 O (l) 1 O 2 (g) + 2 H 2 (g) Stap 2 Bereken de molecuul massa s van de deelnemende stoffen Massa watermolecuul berekenen: 2 x H + 1 x O Massa H atoom = 1 unit Massa O atoom = 16 units Massa watermolecuul: 2 x H + 1 x O = 2 x x 16 = 18 units Massa zuurstofmolecuul berekenen: 2 x O Massa H atoom = 1 unit Massa O atoom = 16 units Massa watermolecuul: 2 x H + 1 x O = 2 x x 16 = 18 units Massa waterstofmolecuul berekenen: 2 x H Massa H atoom = 1 unit Massa watermolecuul: 2 x H = 2 x 1 = 2 units Stap 3 Bereken met bovenstaande stappen de massaverhoudingen 2 H 2 O (l) 1 O 2 (g) + 2 H 2 (g) 2 x 18 1 x 32 2 x 2 36 : 32 : 4 x (30:36) = 0.83 Stap 4 Verhouding Gram Gram Uitkomst Water Zuurstof x 0.83= Waterstof 4 4 x 0.83= x (30:36) =

10 Rekenen met overmaat Reacties verlopen in vaste verhoudingen, maar als wij in een practicum een proef uitvoeren is het natuurlijk moeilijk om de exacte verhoudingen bij elkaar te doen. Als een bakker een brood bakt moet hij natuurlijk de ingrediënten in de juiste verhoudingen bij elkaar doen anders krijgt het brood iedere keer een andere smaak en krijg je ontevreden klanten. Ook fabrieken moet stoffen laten reageren in de juiste verhoudingen om producten te maken. Wat gebeurt er als je producten NIET in de juiste verhoudingen met elkaar laat reageren? Overmaat Op de volgende pagina zie je de reactie van aluminium met broom uitgebeeld met foto s. Je kan ook het filmpje op Youtube bekijken. Hieronder staat de link naar Youtube. Op dit filmpje zie je de reactie van broom met aluminium, er word heel erg veel broom in een bekerglas gedaan en daarna een klein beetje aluminium. Daardoor blijft na de reactie uiteraard ook een deel van het broom over. In dit geval is broom de overmaat! Tegenwoordig eten kleine kinderen erg veel das ook overmaat..zelfs aan een trompet wordt gesmikkeld... 10

11 Reacties met overmaat: Hieronder zie je een aantal afbeeldingen van het verloop van de reactie van broom met aluminium. Broom is een bruine vloeistof die bij kamertemperatuur verdampt en er ontstaat dan een bruin gas. Aluminium reageert zeer heftig (afbeelding 7)met broom en er ontstaat dan AlBr 3 (Aluminiumbromide) 5 Aluminiumpoeder wordt in het bekerglas met broom gedaan 7 Er ontstaat een heftige reactie tussen broom en aluminium. Aluminium is een onedel metaal, onedele metalen reageren heel erg heftig met de halogenen zoals broom, jood, chloor en fluor. 8 Het reactieproduct is aluminiumbromide Na de reactie blijft er een overmaat broom over omdat er teveel broom was toegevoegd. Aluminium (s) + Broom (g) Aluminiumbromide (s) Na de reactie blijft er dus broom over dat is dan de overmaat! 7 8 Aluminiumbromide is een vaste stof 11

12 Voorbeeld 4 Met overmaat:(zie de afbeeldingen van de vorige pagina) 200 gram broom reageert met 3 gram aluminium. Bereken hoeveel gram aluminiumbromide (AlBr 3 ) ontstaat en hoeveel gram overmaat broom er zal zijn. Gegeven: Al atoom= 27 u; Br atoom = 80 u Oplossingstrategie Stap 1 Maak de kloppende reactievergelijking Stap 2 Bereken de massaverhouding waarmee de stoffen reageren Stap 3 Maak de verhoudingstabel en bepaal welke stof de overmaat Stap 4 Maak de verhoudingstabel en bereken de hoeveelheden 1.Reactievergelijking: Massa Br 2 = 2*80 = 160 gram Massa AlBr 3 = = 267 gram 2 Al (s) + 3 Br 2 (g) 2 AlBr 3 (s) 2 x 27 : 3 x 160 : 2 x : 480 : Verhoudingstabel bepaal welke stof de overmaat is: 3/54 = x 0,055 Aluminium 54 3 Broom ,055 is kleiner dan 0,42 dat betekent dat we met dit getal gaan verder rekenen in de volgende verhoudingstabel! 200/480 = x 0,42 0,42 is groter dan 0,055 dat betekent dat broom de overmaat is! 4. Verhoudingstabel X 0,055 Aluminium 54 3,0 gram Broom ,4 gram Aluminiumbromide ,4 gram 200 gram broom is dus de overmaat dus die laten we in deze tabel weg en berekenen hier opnieuw hoeveel gram broom daadwerkelijk reageert! X 0,055 12

13 5. Bereken de overmaat broom Aluminium (s) + Broom (g) Aluminiumbromide (s) 3 gram + 26,4 gram 29,4 gram Aluminium 54 3,0 gram gereageerd Broom ,4 gram gereageerd Aluminiumbromide ,4 gram ontstaan Uit deze tabel blijkt dat er 26,4 gram broom reageert met 3 gram aluminium In de gegevens van de opgave staat dat 200 gram broom wordt gebruikt. Als maar 26,4 gram broom reageert moet er na de reactie dus broom overblijven: DE OVER- MAAT. De overmaat is: ,4 = 173,6 gram broom 13

14 Voorbeeld 5: ijzer reageert met zwavel. Er onstaat 50 gram ijzer-sulfide. Hoeveel ijzer en zwavel hebben met elkaar gereageerd? Voor de hoeveelheid ijzer Stap 1: Noteer de reactievergelijking. Fe + S > FeS Stap 2: Bepaal de massaverhouding waarin ijzer en zwavel reageren. Bepaal ook de massa van het FeS molecuul Fe + S > FeS 55,8 : 32,1 87,9 Stap 3: Stel de verhoudingstabel op met de verhouding Fe en S. X 50/87.9 = 0.57 Fe 55,8 x X = 0.57 * 55,8 = gram S 32,1 y Y = 0.57 * 32,1 = gram FeS 87,9 50 = 50,00 gram X 50/87.9 =

15 Deze voorbeelden zijn bedoeld voor degenen die bij wiskunde gewend zijn om alles terug te rekenen naar 1. Je kunt dus kiezen welke methode jij het makkelijkst vind! Voorbeeld 6: ijzer reageert met zwavel tot ijzer-sulfide. Er is 50 gram ijzer aanwezig. Hoeveel zwavel reageert met deze 50 gram ijzer/ Stap 1: Noteer de reactievergelijking. Fe + S > FeS Stap 2: Bepaal de massaverhouding waarin ijzer en zwavel reageren. Fe + S > FeS 55,8 : 32,1 Stap 3: Stel de verhoudingstabel op met de verhouding Fe en S. Zoek in Binas (Periodiek systeem) op wat de atoommassa s zijn van Fe en S : 55,8 x 50 Fe 55, S 32,1 Stap 4: Vul nu het onderste gedeelte van de tabel in door dezelfde berekeningen uit te voeren als boven: : 55,8 x 50 Fe 55, S 32,1 0, ,77 g : 55,8 x 50 15

16 Overmaat Wanneer de massa s gegeven zijn van beide reagerende stoffen, dan kun je via de massaverhouding bepalen of 1 van de stoffen in overmaat aanwezig is. In feite voor je precies dezelfde berekening uit als op de vorige bladzijde, alleen zul je zien dat de hoeveelheden massa niet precies kloppen. Voorbeeld 7: 50 gram ijzer reageert met 30 gram zwavel. Welke stof is in overmaat aanwezig? Stap 1: Noteer de reactievergelijking. Fe + S FeS Stap 2: Bepaal de massaverhouding waarin ijzer en zwavel reageren. Fe + S FeS 55,8 : 32,1 Stap 3: Stel de verhoudingstabel op met de verhouding Fe en S. : 55,8 x 50 Fe 55, S 32,1 Stap 4: Vul nu het onderste gedeelte van de tabel in door dezelfde berekeningen uit te voeren als boven: : 55,8 x 50 Fe 55, S 32,1 0, ,77 g : 55,8 x 50 zoals je ziet reageert ijzer met 28,77 gram zwavel. Er is 30 gram zwavel aanwezig; zwavel is in overmaat aanwezig waardoor 1,23 gram zwavel NIET wordt reageert 16

17 De reactielijn: Je kunt de massaverhouding van de reagerende stoffen ook weergeven in een grafiek. Deze grafiek heet dan de REACTIELIJN Voordelen van het tekenen van de reactielijn: De reactielijn maakt het mogelijk om heel snel af te lezen of een bepaalde stof bij een bepaalde reactie in overmaat is of juist niet. De reactielijn maakt het mogelijk om snel uit te lezen welke hoeveelheid van een stof nodig is om een bepaalde reactie optimaal te laten plaatsvinden, zonder eerst alle berekeningen uit te hoeven voeren. De reactielijn geeft overzicht; je maakt voor jezelf zichtbaar hoeveel van de verschillende stoffen er tijdens een reactie worden gebruikt. Het tekenen van de reactielijn is heel simpel. (1) Bepaal de massaverhouding. (2) Noteer de massaverhouding op de beide assen van het assenstelsel (3) Teken de coördinaat in die bij de beide massa s hoort. (4) Teken de grafiek vanuit de oorsprong (0, 0) naar de coördinaat van de massaver houding (55,8, 32,1) Bepaal de massaverhouding waarin ijzer en zwavel reageren. Fe + S FeS 55,8 : 32,1 Oorsprong 17

18 Aantal gram aluminiumbromide Module 8 Chemisch Rekenen aan reacties Reactielijn (grafiek) Stel dat je een grafiek (reactielijn) wil maken van de reactie tussen aluminium en broom. Dan zul je dus de massaverhoudingen moeten uitrekenen. Een grafiek maken met de getallen 54:480:534 is natuurlijk lastig. Het is handiger om een van die getallen om te rekenen naar 1. Een verhoudingstabel is ook handig om de coördinaten van de grafiek te berekenen. 1.Reactievergelijking: 2 Al (s) + 3 Br 2 (g) 2 AlBr 3 (s) 54 : 480 : 534 Verhoudingstabel 54 Deze kolom zijn mogelijke coördinaten van je grafiek Aluminium Broom 480 8,88 17,76 Aluminiumbromide 535 9,91 19,82 Deze rij komt niet in de grafiek 54 Zet in een grafiek het verband uit tussen de hoeveelheid aluminium en de hoeveelheid aluminiumbromide die hieruit kan ontstaan. Haal de coördinaten van de grafiek uit de verhoudingstabel: Reeks ,5 1 1,5 2 2,5 Aantal gram aluminium 18