Naturalis 5 R. Berckmoes M. Dirkx P. Maesen M. Sanne LEERWERKBOEK NATUURWETENSCHAPPEN
Inleiding Beste leerling Je zit nu in het vijfde jaar. Naturalis 5 is een leerwerkboek voor het vak natuurwetenschappen. Onze samenleving zal altijd nood hebben aan goed opgeleide wetenschappers, die creatief denken over nieuwe producten en kunnen inspelen op de noden van onze veranderende maatschappij. Ook voor jou, leerling in een niet specifiek wetenschappelijke richting, is het belangrijk kennis te maken met de vele mogelijkheden die de wetenschap ons biedt. Hierdoor kan ook jij je steentje bijdragen in het maatschappelijk debat rond wetenschappelijke problemen. De hele leerstof is opgedeeld in 11 THEMA S waarin tal van onderwerpen van de klassieke chemie, biologie en fysica verweven zijn. Elk thema begint met een inleidende tekst om deze leerstof in een breder kader te plaatsen. Grote leerstofdelen worden bondig samengebracht in een overzichtelijk SAMENGEVAT. TER INFO is geen specifieke leerstof maar behandelt randinformatie of historische feiten. Het kan een leuke aanzet zijn voor een verder klasgesprek. We wensen je een fijn jaar toe! Beste collega Naturalis 5 is een leerwerkboek gebaseerd op het leerplan (D/2006/0279/012) voor Natuurwetenschappen 3de graad aso. Dit is een graadleerplan dat werkt rond vier contextgebieden. Voor het vijfde jaar voorzien we 2 delen. Deel 1 MATERIE, ENERGIE EN LEVEN wordt behandeld in 7 thema s. In deel 2 GEZONDHEID EN VOEDING komen 4 thema s aan bod. Het boekdeel van het zesde jaar (Naturalis 6) voorziet volgende delen die ook in thema s worden behandeld. Deel 3 EVOLUTIE EN INFORMATIEOVERDRACHT. Deel 4 VERKEER EN VEILIGHEID. De leerwerkboeken zijn gelijmd uitgevoerd zodat u in volle vrijheid, samen met de leerlingen, delen en thema s kan combineren. De auteurs 3
Thema 8 Straling en chemie in je eigen leefwereld Een gsm zou straling uitzenden die niet gezond is. Maar welke straling geeft een gsm? En hoe zit dat met gsmzendmasten? THEMA 8 STRALING EN CHEMIE IN JE EIGEN LEEFWERELD Je gaat in dit deel op zoek naar de eigenschappen van elektromagnetische golven zoals licht, microgolven of röntgenstraling. En met die kennis probeer je een antwoord te vinden op bovenstaande vragen. Je onderzoekt bovendien de verschillende soorten straling naar hun nut en hun gevaar. Want dit kan belangrijk zijn voor je gezondheid. Ook bij het gebruik van chemische stoffen liggen gevaar en gezondheid dicht bij elkaar. Denk maar aan poetsmiddelen zoals javel: gevaarlijk in gebruik, maar met een ontsmettende werking door het bestanddeel chloor. Of denk aan het gebruik van een zure ontkalker in het huishouden om kalkaanslag (CaCO 3 ) in apparaten te neutraliseren. Bij het omgaan met chemische stoffen als zwavelzuur (diwaterstofsulfaat) ben je zeker uiterst voorzichtig! Toch kunnen zuren en basen ook perfect samenwerken. Maagzuur of het bestanddeel HCl kan aanleiding geven tot zure oprispingen. Dit geeft een brandend gevoel. Je arts schrijft medicijnen voor die deze oprispingen neutraliseren. Deze medicijnen behoren tot de antacida. Weet jij wat de chemische werking is van dit medicijn? 164
1 Elektromagnetische stralen en je gezondheid 1.1 Basisbegrippen trilling en golf A Trilling De aarde draait in één dag, 24 uur, eenmaal rond haar as. De aarde beweegt in één jaar, 365 dagen, eenmaal rond de zon. Dit zijn twee bekende voorbeelden van periodieke verschijnselen. De beweging herhaalt zich na een vaste tijd die we de periode noemen. Toen je als klein kind op de paardenmolen zat, heb je al ontdekt dat de paardenmolen steeds op dezelfde plaats terugkomt. De draaibeweging van de paardenmolen is een periodieke beweging. Het heen en weer bewegen met een schommel is een periodieke beweging die je zeker al eens geprobeerd hebt. Het deel van de beweging dat zich steeds herhaalt, wordt een cyclus van de beweging genoemd. Een beweging waarbij een massa heen en weer beweegt, heet een trilling. De tijd om één cyclus uit te voeren, is de periode T en wordt uitgedrukt in seconde (s). Het aantal cyclussen per seconde is de frequentie f en wordt uitgedrukt in aantal per seconde of hertz (Hz). B Golf Een golf ontstaat wanneer een trilling zich verder uitbreidt in de ruimte. Bij een trilling op water kun je waarnemen dat de trilling over het water beweegt als een watergolf. Bij geluidsgolven bewegen trillingen door de lucht totdat ze je oor bereiken en jij ze kunt horen. Watergolven en geluidsgolven zijn de meest bekende golven, omdat je ze gewoon kunt waarnemen als golf. Daarnaast hebben verschillende experimenten aangetoond dat licht ook een golf is. Definities De golfsnelheid is de snelheid waarmee de golf vooruit beweegt. De golflengte λ is de afstand door de golf afgelegd in één periode T. De golffrequentie is gelijk aan de trilfrequentie f. 165
Het verband tussen deze begrippen volgt eenvoudig uit de formule van de snelheid: snelheid = afstand tijd v = λ T = λ f Opdrachten THEMA 8 STRALING EN CHEMIE IN JE EIGEN LEEFWERELD Opdracht 1 De geluidssnelheid in lucht is ongeveer 330 m/s. Je hoort de donder 14 s nadat je de bliksemflits hebt gezien. Hoever is het onweer van jou verwijderd? Opdracht 2 De lichtsnelheid heeft een constante waarde: c = 3,0.10 8 m/s. De afstand van de aarde tot de zon is ongeveer 150.10 9 m. Hoe lang is het licht van de zon onderweg voordat het de aarde bereikt? Opdracht 3 Radiogolven bewegen ook met de lichtsnelheid. Bepaal de golflengte van de radiozender Q-music, die uitzendt in de frequentie 103,1 MHz. Wat is de golflengte van Q-music? 1.2 Ontstaan van elektromagnetische golven Elektromagnetische golven ontstaan wanneer elektrische ladingen versnellen (trillen) of wanneer elektronen in een atoom van een hogere energiebaan naar een lagere energiebaan terugvallen. We bespreken beide situaties in detail. 1.2.1 Elektromagnetische golven van trillende elektronen In 1861 bewees Maxwell in zijn theorie over het elektromagnetisme dat een trillende lading een energiestraling uitzendt die een snelheid heeft gelijk aan de lichtsnelheid. Met deze kennis heeft Hertz in 1888 deze straling opgewekt door een hoogfrequente wisselspanning op te wekken tussen twee bollen. De straling uitgezonden door overspringende elektronen wordt elektromagnetische straling genoemd. 166
Om elektromagnetische golven op te wekken, moeten we elektrische lading, of beter elektronen, laten trillen. We kunnen de elektronen in een draad op en neer laten bewegen door de draad aan te sluiten op een wisselspanningsbron. De elektronen in de draad bewegen op de frequentie van de wisselspanning op en neer en sturen daarbij energie uit in de vorm van elektromagnetische straling. Deze straling heeft de frequentie van de wisselspanningsbron. Om technische reden kan men op deze wijze slechts elektromagnetische golven opwekken met een golflengte tot 1 mm. Elektromagnetische straling uit een antenne antenne antenne straling Dit systeem wordt gebruikt om elektromagnetische straling te genereren in een radiozender of in een gsm. TER INFO De antenne in een gsm Gsm-toestellen zenden signalen uit in de vorm van elektromagnetische golven. De frequentie van deze signalen liggen in twee bandbreedtes: 75 MHz boven en onder 900 MHz (825 MHz 975 MHz), 75 MHz boven en onder 1 800 MHz ( MHz - MHz). Hoe groot is de golflengte van de golven met frequentie 900 MHz? De snelheid van radiogolven is ongeveer c = 3,0 10 8 m/s (lichtsnelheid). Walkietalkie met antenne Vlakke antenne van de gsm 167
De frequenties van een gsm-signaal behoren tot de soort van de microgolven (300 MHz tot 1 GHz). Een gsm die je dichtbij het hoofd houdt, stuurt dus microgolven uit die ook je hoofd bereiken en kunnen binnendringen. Over de schadelijkheid van deze golven zijn reeds vele studies gebeurd, maar de conclusie is altijd dat te veel met gsm bellen zeker niet goed is. De eerste soort gsm had een antenne in de vorm van een staaf. Deze gsm stuurde zijn energie in alle richtingen. Nieuwere gsm-toestellen hebben een vlakke antenne aan de achterzijde die naar binnen is afgeschermd. Deze stuurt de straling weg van de gebruiker en is daarmee veel minder belastend. THEMA 8 STRALING EN CHEMIE IN JE EIGEN LEEFWERELD 1.2.2 Elektromagnetische golven uitgezonden door een atoom De meeste elektromagnetische golven worden opgewekt door de elektronen in een atoom. Wanneer we een atoom energie geven, bijvoorbeeld door op te warmen of door elektrische stroom, kan een elektron deze energie opnemen en overspringen naar een hogere energiebaan. Wanneer het elektron terugvalt naar zijn lagere baan zal het elektron de overtollige energie uitsturen in de vorm van elektromagnetische straling. Bij het terugvallen zal het elektron niet onmiddellijk op zijn nieuwe baan aankomen, maar eerst enkele keren trillen rond zijn nieuwe baan. Het is door deze trilling dat het elektron de elektromagnetische straling opwekt en zijn energie uitstuurt. Een elektron stuurt op deze wijze een stukje van een elektromagnetische golf uit dat door Einstein een foton genoemd werd. De energie van het foton is gelijk aan het energieverschil tussen de twee banen ΔE = E hoog E laag. elektron De frequentie van deze elektromagnetische golf is bepaald door de frequentie van de trilling van het elektron op zijn nieuwe baan. Elektronen kunnen slechts op welbepaalde banen bewegen, wat betekent dat ook slechts bepaalde frequenties kunnen voorkomen. In de kwantumfysica heeft men ontdekt dat de evenredigheid tussen de frequenties en de energie van een foton wordt gegeven door de constante van Planck, h. Het verband tussen de energie en de frequentie van een foton wordt beschreven door de volgende formule: ΔE = h f. kern De constante van Planck heeft de waarde h = 6,63. 10-34 J.s. Elektron stuurt een foton foton 168
Besluit 1 Wanneer een elektron overgaat van een hogere energiebaan naar een lagere energiebaan stuurt het een stuk elektromagnetische golf uit met een frequentie die afhangt van het energieverschil tussen de twee banen. 2 f = E/h met h = 6,63. 10-34 J.s, de constante van Planck. 3 Dit energiedeeltje wordt een foton genoemd. 1.3 Het elektromagnetisch spectrum In het dagelijkse leven ken je verschillende golven die behoren tot de elektromagnetische golven. Noem enkele soorten elektromagnetische golven: Het enige verschil tussen deze golven is de frequentie (en de golflengte). Zo hebben de LF (lage frequentie) radiogolven een golflengte van enkele honderden meters, terwijl de gammastralen een golflengte hebben van ongeveer 0,1 pm (= 10-13 m). Hieronder staat het volledige spectrum van de elektromagnetische golven afgebeeld. We bespreken de voornaamste delen, beginnende bij de laagste frequentie. frequentie (Hz) Afmeting 10 22 3.10 14 golflengte 10 21 3.10 13 10 20 gammastralen 3.10 12 10 19 3.10 11 atoom 10 18 röntgenstralen 3.10 10 10 17 3.10 9 nanometer 10 16 ultraviolet 3.10 8 10 15 3.10 7 10 14 zichtbaar licht 3.10 6 micrometer 10 13 infrarood 3.10 5 10 12 3.10 4 Het elektromagnetisch spectrum 10 11 10 10 10 9 microgolven 3.10 3 3.10 2 3.10 1 centimeter 10 8 10 7 10 6 tv, FM radio 3.10 0 3.10 1 3.10 2 meter 10 5 10 4 10 3 radiogolven 3.10 3 3.10 4 3.10 5 kilometer golflengte (m) 169
1.3.1 Radio- en tv-golven THEMA 8 STRALING EN CHEMIE IN JE EIGEN LEEFWERELD De frequentie van radiogolven varieert van 1 khz tot 106 khz. Dit betekent dat de golflengte ligt tussen enkele kilometers en één meter. Radiogolven zijn de eerste soort elektromagnetische golven die kunstmatig opgewekt werden in de proeven van Hertz (1888). Ze worden gebruikt om via antennes radio- en tv-signalen door te sturen. De radiogolven met een grote golflengte (> 1 km) hebben weinig problemen met obstakels, zoals bomen en huizen, en kunnen door weerkaatsing met de elektrisch geladen lagen in de ionosfeer (tussen 70 en 300 km hoogte) rond de aarde bewegen. Zo werden vroeger, toen er nog geen communicatiesatellieten waren, de signalen van de Wereldomroep rond de wereld uitgezonden tot in Australië. 1.3.2 Microgolven Microgolven hebben een golflengte van 1 m (bij een frequentie van 300 MHz) tot 1 mm (bij een frequentie van 300 GHz). In een microgolfoven worden in een hogere energieconcentratie microgolven met een frequentie van 2,45 GHz gebruikt. De microgolven hebben invloed op de polaire moleculen in het voedsel. De moleculen van water, suiker, eiwit en vet zijn bijvoorbeeld polair. Deze moleculen proberen zich te richten naar het steeds veranderende veld van de microgolven. De moleculen gaan heviger bewegen en het voedsel wordt warmer. Deze warmte zorgt voor het garen van het voedsel. De frequenties waarop gsm-toestellen ontvangen en uitzenden, zijn ook gelegen binnen de frequenties van de microgolven. Een gewone gsm werkt met twee frequentiebanden rond de frequenties 900 MHz en 1800 MHz. Een nieuwe frequentieband rond 2500 MHz wordt gebruikt voor het ontvangen van tv-beelden op de gsm. 1.3.3 Infrarood of warmtestraling Warmtestraling van een gebouw 170
Infraroodstraling ligt in het gebied met golflengtes tussen 10-3 m en 7,8 10-7 m. De frequenties variëren dus van 3 10 11 Hz tot 4 10 14 Hz. Infraroodstraling wordt uitgezonden door moleculen die trillen door de warmte. Infraroodstraling kun je niet zien, maar voel je aan als warmtestraling. Daarom wordt infraroodstraling ook warmtestraling genoemd. In het leger gebruikt men nachtkijkers die het onzichtbare infrarood licht omzetten in een zichtbaar licht met grijstinten. Hiermee kan men levende (warme) wezens ontdekken tegen de koude achtergrond. 1.3.4 (Zichtbaar) licht De meest bekende elektromagnetische golven zijn de lichtgolven. Dit heeft natuurlijk alles te maken met het feit dat we lichtgolven kunnen zien. Lichtgolven hebben een golflengte die ligt tussen 7,8 10-7 m en 3,8 10-7 m. Dit komt overeen met de frequenties 4 10 14 Hz en 8 10 14 Hz. Ons oog is een gevoelige sensor die in staat is om een verschil in frequentie waar te nemen in de vorm van de verschillende kleuren. In stijgende lijn volgens de golflengte zijn de kleuren in de regenboog: 1.3.5 Ultraviolet Elektromagnetische golven met een golflengte net beneden het violet (3,8 10-7 m tot 6,0 10-8 m golflengte) worden ultraviolet stralen genoemd. Uv-stralen kunnen onze huid verbranden of bruinen, maar ook huidkanker veroorzaken. Zo vormt de zon een belangrijke bron van uv-stralen op aarde. Gelukkig dat de ozonlaag (O 3 ) het grootste deel van de schadelijke uv-straling tegenhoudt, anders was het leven op aarde niet mogelijk. Een goede zonnecrème absorbeert een groot deel van de schadelijke uv-straling die op onze huid terechtkomt zomer. in de 171
TER INFO Is een zonnebankkuur gezond? De zonnebanken zenden zichtbaar licht, uven infraroodstraling (warmte) uit. THEMA 8 STRALING EN CHEMIE IN JE EIGEN LEEFWERELD Algemeen onderscheiden we bij de uvstraling drie typen: uv C (60-280 nm): komt niet op het aardoppervlak, maar wordt door de ozonlaag geabsorbeerd; uv B (280-320 nm): verantwoordelijk voor de bruining van de huid, maar ook voor de verbranding, verhoogt risico op huidkanker. Uv B is energierijker dan uv A (maar minder energierijk dan uv C); uv A (320-380 nm): (circa 95 % van alle uv): versnelt veroudering huid, bevordert allergieproblemen en verhoogt ook de kans op huidkanker. Afhankelijk van het type lamp zal de zonnebank een bepaald spectrum uitzenden. Als vuistregel mag men ervan uitgaan dat grotendeels uv A wordt uitgezonden (98-99 %) en een beetje uv B (1-2 %). De gebruiker mag niet worden blootgesteld aan uv C. Voor het lichaam wordt meestal de gewone solariumlamp gebruikt (100-160 W), voor de gezichtsbruiner de hogedruklamp (ca. 400 W). Vergelijking met de zon Er zijn verschillen tussen het spectrum dat een zonnebank uitzendt en het spectrum van de zon. In het uv B-gebied is de zonnebank vergelijkbaar met de middagzon op een midzomerdag. In het uv A-bereik is de intensiteit soms 6 tot 10 (gezichtsbruiner) maal zo groot als van de zon. Effecten zonnebank Pure uv A uit de zonnebank zorgt nauwelijks voor verdikking van de huid. Zodoende geeft een zonnebad in het solarium geen bescherming voor een zonvakantie. Pure uv A stimuleert ook niet de aanmaak van vitamine D3. Volgens deskundigen zal het gebruik van minder dan 10 zonnebanksessies per jaar geen significante bijdrage geven aan de kans op het krijgen van huidkanker. Bij frequenter gebruik (met name door jongeren) zou dit wel het geval kunnen zijn. 172
1.3.6 X-stralen of röntgenstralen Röntgenstralen hebben een golflengte tussen 10-13 m en 10-8 m. Deze röntgenstralen kunnen dwars door ons lichaam heen bewegen, maar worden toch door delen met een verschillende dichtheid meer of minder gemakkelijk doorgelaten. In de medische beeldvorming gebruikt men deze röntgenstraling om de delen met een verschillende dichtheid in ons lichaam zichtbaar te maken. Röntgenstraling wordt meestal opgewekt als remstraling waarbij elektronen met hoge snelheid (en hoge energie) plots afgeremd worden door de botsing met een elektrode. Anderzijds kan röntgenstraling ook (zoals licht) opgewekt worden door elektronen in atomen van een hoge naar een lage energiebaan te laten overspringen. 1.3.7 Gammastralen Gammastralen zijn elektromagnetische golven die uit de atoomkern voortkomen. Ze hebben een golflengte van 10-10 tot 10-14 m, zodat de bijbehorende frequenties variëren van 3 10 18 Hz tot 3 10 22 Hz. Gammastralen komen meestal vrij bij het radioactief verval van een atoomkern. De overtollige bindingsenergie van de kern wordt uitgezonden in de vorm van gammastraling. Gammastraling is net zoals röntgenstraling een ioniserende straling die gevaarlijk is voor levende wezens. 1.4 Licht en materie A Kleur Gewoon wit licht bestaat uit zeer veel fotonen die elk een verschillende frequentie hebben en die onafhankelijk van elkaar bewegen. In gewoon wit licht zijn alle kleuren aanwezig. Spectrum van wit licht 173
experiment Neem een glas water en plak tegen het glas een stuk karton met een nauwe opening. Plaats dit glas met water in het zonlicht en bestudeer het licht dat door de opening en door het water op de vensterbank schijnt. Waarneming Waar heb je dit fenomeen nog gezien? THEMA 8 STRALING EN CHEMIE IN JE EIGEN LEEFWERELD Hoe zien we kleuren? Hoe ziet ons oog kleuren? Wanneer licht in trui? ons oog valt, geven de fotonen hun energie af aan de kegeltjes in ons netvlies. Eenvoudig kun je stellen dat er drie soorten kegeltjes zijn die elk gevoelig zijn voor één van de primaire kleuren. De primaire kleuren zijn. Alle andere kleuren worden door onze hersenen gezien volgens de relatieve aanwezigheid van de drie primaire kleuren. Wanneer in het licht bijvoorbeeld rood en groen aanwezig is, zie je de kleur. Opdracht Hoe ontdek je dat een trui rood gekleurd is? Teken de kleur die de trui weerkaatst naar de persoon. Wat gebeurt er met de andere kleuren? Wat gebeurt er bij een witte trui? Wat gebeurt er bij een zwarte 1 74
B Fluorescentie In het donker is het veilig om fluorescerende kledingstukken te dragen zoals een veiligheidshesje. Waarom reflecteren sommige materialen beter dan andere? Zoek op het internet wat fluorescentie is en hoe het werkt. Waarom gebruikt men fluorescerende stoffen in waspoeder? Zoek nog minstens twee toepassingen van fluorescentie. 1 2 175
samengevat Een golf is een trilling die vooruit beweegt door een elastisch medium. De snelheid waarmee de golf vooruit beweegt, is de golfsnelheid (v). De frequentie (f) van een golf komt overeen met de frequentie van de trilling. De afstand door een golf afgelegd in één periode is de golflengte (λ). De formule voor de golfsnelheid: v = λ T = λ f. THEMA 8 STRALING EN CHEMIE IN JE EIGEN LEEFWERELD Zichtbaar licht is een deel van het elektromagnetisch spectrum. Het elektromagnetisch spectrum omvat alle soorten elektromagnetische straling: radio- en tv-golven, microgolven, infraroodstraling, zichtbaar licht, ultravioletstraling, röntgenstraling en gammastraling. Elektromagnetische golven bewegen allemaal met de (constante) lichtsnelheid van 2,998 10 8 m/s. 2 Zuurgraad te laag? Kennis van chemie helpt! Zure stoffen geven van nature aanleiding tot een alarmsignaal. Denk maar aan de zure geur van bedorven voeding of de zure smaak van een citroen. Bij het omgaan met chemische stoffen als zwavelzuur (diwaterstofsulfaat) ben je zeker uiterst voorzichtig! Toch kunnen zuren en basen ook perfect samenwerken. 2.1 De zuurgraad Water is een zeer zwak elektrolyt. Slechts enkele watermoleculen ioniseren in H 1 en OH 1- -ionen. Zuiver water bevat evenveel H 1 en OH 1- -ionen: je noemt water daarom een neutraal midden. De concentratie van zowel de positieve als negatieve ionen in zuiver water bedraagt 10-7 mol/l. Notatie: [H 3 O 1 ] = [OH 1- ] = 10-7 mol/l Een oplossing wordt zuur genoemd als de concentratie van de H 1 -ionen groter is dan die van de OH 1- ionen. In de praktijk komen er in water geen losse H 1 -ionen voor, maar is elk H 1 -ion gebonden aan water. Een dergelijke molecule wordt hydroxoniumion (H 3 O 1 ) genoemd. Notatie : H 2 O H 1 H 3 O 1 Wanneer in een oplossing de concentratie van OH 1- -ionen groter is, noem je dit midden. 176
In water is de concentratie van de hydroxonium-ionen (H 3 O 1 ) en hydroxide-ionen (OH 1- ) zeer klein. Daarom heeft de Deense geleerde Sörensen de grootheid ph ingevoerd als maat voor de zuurheid. De zuurgraad van een oplossing wordt aangegeven met de ph-waarde. Deze waarde wordt bepaald door de concentratie van de H 3 O 1 -ionen. Om de ph-waarde te berekenen, kun je op je rekenmachine deze formule gebruiken. ph = -log[h 3 O 1 ] Opdracht Voor een waterige oplossing geldt dat [H 3 O 1 ] [OH 1- ] = 10-14 (mol/l) 2. Vul de volgende tabel aan. [H 3 O 1 ] in mol/l 10 0 10-2 10-7 10-9 10-14 ph [OH 1- ] in mol/l Hoe groot is de ph als de concentraties [OH 1- ] gelijk is aan de concentratie [H 3 O 1 ]? 2.1.1 Meten van de zuurgraad Men gebruikt ph-papier om op een snelle manier bijvoorbeeld de zuurgraad van het leidingwater te bepalen. Door de verkleuring van het papierstrookje dat in de vloeistof gedompeld wordt, kun je de ph eenvoudig meten. Je vergelijkt de verkleuring met een kleurvergelijkingsschaal, zodat je een richtwaarde bekomt voor de ph. Deze ph-schaal gaat van 0 tot 14. Oplossingen met een ph die kleiner is dan 7 noem je zuur. Als de ph groter is dan 7 noem je de oplossing basisch. 177
2.1.2 De zuurgraad van dranken De volgende tabel geeft een overzicht van veel gebruikte dranken. De vloeistoffen zijn geplaatst op de ph-schaal. Ter vergelijking: maagzuur heeft een ph-waarde van 1 tot 2 en urine een ph van 5 tot 6. THEMA 8 STRALING EN CHEMIE IN JE EIGEN LEEFWERELD ph voedingsstof 1 tot 2 cola 2 tot 3 citroenzuur, azijn 3 tot 4 appelsap, sinaasappelsap, wijn, yoghurt 4 tot 5 tomatensap, bier 5 tot 6 zwarte koffie 6 tot 7 melk, thee 7 zuiver water Opdracht 1 Wat is de aard van het milieu waarin de vertering gebeurt? 2 Zijn de dranken eerder basisch of zuur? Besluit Vruchtensappen, wijn, koffie en bier hebben een zuur karakter. Ook frisdranken zijn zuur. Ze danken hun frisse smaak aan het toegevoegde zuur. De toevoeging van suiker verbergt echter de zure smaak. Hoe zuur mag een drank zijn? Te zure drank geeft aanleiding tot maagklachten en bij een ph onder de 5,5 in de mondholte kan het tandglazuur oplossen. Omdat het gebruik van frisdranken de laatste tijd fors is gestegen, komt erosie van het tandglazuur steeds meer voor. Met name cola is in dit opzicht berucht. Hoe zuurder de drank, hoe erosiever voor het gebit. Tanderosie 178
2.2 Zuur-base reactie 2.2.1 Protonacceptor en protondonor Zuren en basen zijn duidelijk twee verschillende stofsoorten. In 1923 formuleerden Brönsted en Lowry onafhankelijk van elkaar hun zuur-base theorie. Een zuur is elk deeltje dat als protondonor kan optreden, dat wil zeggen dat het een waterstofion kan. Een base is elk deeltje dat als protonacceptor kan optreden, dat wil zeggen dat het een waterstofion kan. Een deeltje kan slechts als protondonor optreden als er een protonacceptor aanwezig is. Als het ene deeltje zich gedraagt als protondonor en het andere als acceptor, is er sprake van een zuur-base reactie. oe f Voorbeelden Het maagzuur bevat onder andere zoutzuur (= een oplossing van HCl). Bij de samenvoeging van HCl en water, zal water optreden als base. HCl kan een proton afstaan en als optreden. H2O kan een proton opnemen en als optreden. Pr Vul de reactievergelijking aan. HCl (zuur) H2O (base) Water kan ook zuurgedrag vertonen. Bij toevoeging van een sterkere base zoals NH3, gaat water een proton. Vul de reactievergelijking aan. H2O (zuur) NH3 (base) 179
Besluit Sommige deeltjes kunnen zowel een zuur- als een basegedrag vertonen. De zuur-base eigenschappen van de deeltjes worden dus niet enkel door de ph-waarde bepaald. Ook de eigenschappen van de stofdeeltjes waarmee ze een interactie hebben, is belangrijk. 2.3 Neutralisatiereacties in je directe omgeving Als je een (opgelost) zuur wilt verzwakken in haar werking, kun je een (opgeloste) base toevoegen. Omgekeerd kun je de werking van een (opgeloste) base verzwakken door het toevoegen van een (opgelost) zuur. THEMA 8 STRALING EN CHEMIE IN JE EIGEN LEEFWERELD Een neutralisatiereactie is een reactie tussen een (opgelost) zuur en een (opgeloste) base. 2.3.1 Poetsmiddelen die neutraliseren De werking van poetsmiddelen is vaak gebaseerd op neutralisatiereacties. Hierdoor is het onbekwaam gebruik van speciale poetsmiddelen zoals javel, ontkalkers, zoutzuur niet zo bevorderlijk voor je gezondheid. Deze stoffen zijn gevaarlijk in de handen van kinderen! A Poetsmiddel met lage zuurgraad Zure commerciële reinigingsmiddelen zijn meestal gevaarlijke producten die vooral gebruikt worden om bijvoorbeeld kalkaanslag in de douche, waterkoker te verwijderen. Azijnzuur (HCOOH) is een minder sterk en minder schadelijk zuur. Het wordt daarom in het huishouden gebruikt om kalkaanslag (CaCO 3 ) in apparaten te neutraliseren. Als de voegen van een tegelvloer ingevoegd worden, laat dit vaak een moeilijk te verwijderen cementsluier na. Zoutzuur is een sterk zuur dat gebruikt wordt om deze pas geplaatste tegelvloer te reinigen. Zoutzuur is een oplossing van waterstofchloride (HCl) in water. Dit zoutzuur mag je niet toepassen op marmeren en natuurstenen oppervlakken omdat die hierdoor aangetast worden. Reactie met zoutzuur: CaCO 3 2 HCl CaCl 2 H 2 O CO 2 Herken je bij het zien van deze reactie het hoofdbestanddeel van marmer? B Poetsmiddel met hoge zuurgraad De meeste poetsmiddelen hebben een ph-waarde die eerder hoger is dan 7. Een heel bekend product is javel. Als je kleding zelfs maar even in contact komt met javel, zul je direct ontkleuring opmerken. 180
De sterkte van javel wordt uitgedrukt in graden. Deze gradenaanduiding is een maat voor de hoeveelheid natriumhypochloriet (NaOCl) in javel. De chloor die vrij kan komen uit NaOCl geeft aan javel ontsmettende eigenschappen. Goede waterkwaliteit is afhankelijk van de zuurgraad. De zuurgraad in bijvoorbeeld een aquarium wordt regelmatig getest. Door verontreiniging daalt de phwaarde en wordt het water meer zuur. Elke vissoort leeft in de meest ideale ph-omgeving. Een lage ph is voor sommige soorten dodelijk, voor andere dan weer levensnoodzakelijk. In het Amazonegebied vind je water met een ph-waarde tussen 5 en 6,8. Dit is ideaal voor tetra s. Hoe kun je het aquariumwater meer basisch maken indien het water te zuur is? Kardinaaltetra Wat zal er met de ph gebeuren als je een deel van het zure (vervuilde) aquariumwater vervangt door kraantjeswater? Ook voor mensen is de ph-waarde van water belangrijk. Denk maar aan je douchegel of shampoo die de ph van je huid kan ontregelen. De ph-waarde van zwembadwater wordt regelmatig gecontroleerd door de eigenaar. Deze waarde moet constant blijven (tussen 6,8 en 7,5) om het chloorgehalte op een veilige waarde te behouden en zo irritatie van ogen, huid of luchtwegen te vermijden. 181
TER INFO Ontstaan van hard water THEMA 8 STRALING EN CHEMIE IN JE EIGEN LEEFWERELD Hard water ontstaat doordat regenwater in contact komt met kalksteen in de grond. Kalksteen = calciumcarbonaat (CaCO 3 ) lost slecht op in water. Als in het water opgelost koolstofdioxide (CO 2 ) voorkomt, dan wordt het water lichtjes zuur en reageert het met het calciumcarbonaat. Regenwater bevat altijd koolstofdioxide. Vandaar dat de kalksteen door regenwater wordt aangetast. Kalksteen of calciumcarbonaat CaCO 3 (vast) H 2 O (vloeistof) CO 2 (gas) Ca 2 (opgelost) 2 HCO 3 (opgelost) 2.4 Massaberekeningen 2.4.1 Chemisch bepalen van de concentratie van azijnzuur door middel van een titratie Een titratie is een methode die steunt op de neutralisatie van een zuur of base. CH 3 -COOH-oplossing (c te bepalen) NaOH-oplossing (c gekend) ph meter meetelektrode magnetische roerder 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 ph EP titratiecurve V (NaOH) ml 182
Indien bijvoorbeeld een zure oplossing azijnzuur (CH 3 -COOH) in een bekerglas aangeboden wordt, kun je heel gedoseerd een basische oplossing toevoegen. Je doet dit tot het zuur-base mengsel neutraal wordt. Hierdoor weet je dat er evenveel mol van de base en het zuur aanwezig zijn. Met bijvoorbeeld een kleurindicator die toegevoegd wordt of een ph-meetsonde, kun je waarnemen dat hierdoor na enige tijd de ph van het mengsel 7 geworden is. Het equivalentiepunt (EP) is bereikt. Omdat je de concentratie van de toegevoegde zelf hebt kunnen bepalen, kun je zo ook de onbekende concentratie van het aanwezige azijnzuur bepalen. Herhaling De concentratie c van een oplossing geeft aan hoeveel opgeloste stof er aanwezig is in een bepaalde hoeveelheid oplossing. molaire concentratie = c = n (opgeloste stof) V (volume) hoeveelheid opgeloste stof (mol) hoeveelheid oplossing (liter) c = n V eenheid: mol l De molaire massa M is de getalwaarde die je bekomt door in het PSE de relatieve atoommassa s op te tellen van de atomen waaruit een molecule is opgebouwd. Zo bekom je de getalwaarde van de relatieve molecuulmassa. M = m g eenheid: n mol experiment Doel Concentratie van azijnzuur in tafelazijn bepalen door een titratie met NaOH. Benodigdheden Werkwijze erlenmeyer, bekerglas 100ml, pipet, buret NaOH-oplossing ( c = 0,10 mol/l), tafelazijn (massaprocent op etiket: 7 %) Indicator fenolftaleïne... 1 Werk volgens de geldende veiligheidsvoorschriften. 2 Breng met een pipet 10 ml azijn in een bekerglas. Verdun dit met gedemineraliseerd water tot 100 ml. 3 In de erlenmeyer breng je 10 ml van deze verdunde azijnzuuroplossing. Voeg enkele druppels fenolftaleïne toe. 183
4 Vul de buret met 20 ml NaOH. Noteer exact het beginvolume van je buret. 5 Voeg de NaOH-oplossing druppelsgewijs toe aan het azijnmengsel. Schud hierbij de erlenmeyer met de azijnzuuroplossing voortdurend. 6 Blijf NaOH toevoegen aan het azijnmengsel tot de indicator gedurende ongeveer 20 s een lichtroze kleur blijft hebben. 7 Noteer het eindvolume NaOH-oplossing in je buret en bereken zo het toegevoegde volume NaOH (V NaOH ). 8 Herhaal deze titratie. In de buurt van het vorige equivalentiepunt voeg je de NaOH-oplossing trager toe. Zo is je meting nog correcter. THEMA 8 STRALING EN CHEMIE IN JE EIGEN LEEFWERELD Berekening CH 3 COOH NaOH CH 3 COONa H 2 O n mol n mol n mol 1 Noteer het nauwkeurig afgemeten volume van de verdunde azijnzuuroplossing in de erlenmeyer. V CH3COOH-oplossing = 2 Vraag aan je leerkracht wat de exacte concentratie c NaOH is van de toegevoegde NaOH-oplossing. c NaOH = mol/l 3 Noteer je waarde van V NaOH = ml = 10-3 l 4 Bereken met de formule van de molaire concentratie het aantal mol NaOH (n NaOH ). c NaOH = n NaOH V NaOH 5 n NaOH = n CH3 COOH 6 Bereken nu de molaire concentratie van de verdunde azijnoplossing. c CH3 COOH (verdund) = n CH3 COOH V CH3 COOH (verdund) ml = = mol/l 7 De niet-verdunde azijnoplossing heeft een molaire concentratie die tienmaal groter is. c CH3 COOH = 10 = mol/l 8 Je weet nu hoeveel opgeloste CH 3 COOH (mol, symbool n) aanwezig is in 1 liter azijnzuuroplossing. In 100 ml is er dus 1/10 van deze hoeveelheid aanwezig. n CH3COOH in 100 ml = : 10 = mol 184
9 Bereken met de formule van de molaire massa M (= 60 g/mol d.m.v. PSE) het aantal gram azijnzuur ( m CH3COOH ) in 100 ml azijnoplossing. M = m CH 3 COOH CH3 COOH V CH3 COOH Dit getal geeft het aantal gram azijnzuur in 100 ml oplossing. m CH3 COOH = g/mol mol = g / 100 ml (massaprocent) Komt deze concentratie overeen met de opgegeven waarde door de producent? 2.5 Medische toepassing van een neutralisatiereactie Maagzuur of het bestanddeel HCl kan aanleiding geven tot zure oprispingen. Dit geeft een brandend gevoel. Baby s hebben vaak reflux. De meest voorkomende oorzaak is dat de onderste slokdarmkringspier tussen slokdarm en maag nog niet goed ontwikkeld is. Hierdoor wordt de maag niet goed afgesloten en kan de zure maaginhoud terugvloeien als de baby slaapt. Vanaf 6 tot 12 maand, wanneer de voeding gevarieerder (vaster) wordt en wanneer de slokdarmkringspier zich verder ontwikkeld heeft, komt hier verbetering in. De klachten verdwijnen dan meestal spontaan. Je arts kan medicijnen voorschrijven die deze oprispingen neutraliseren. Deze medicijnen behoren tot de antacida. De basische werking van bijvoorbeeld CaCO 3 maakt dat deze medicijnen zich binden aan het maagzuur (HCl). 2 HCl CaCO 3 CaCl 2 H 2 O CO 2 Opdracht Bestudeer bovenstaande formule aandachtig. Waarom klaagt men soms dat het nemen van antacida het laten van boeren veroorzaakt? Noteer de formule van de toegevoegde base: Welk zout wordt in deze reactie gevormd? 185
samengevat Water is een zeer zwak elektrolyt. Zuiver water bevat evenveel H 1 en OH 1- -ionen: je noemt water daarom een neutraal midden. De Deense geleerde Sörensen heeft de grootheid ph ingevoerd als maat voor de zuurheid. Deze ph-schaal gaat van 0 tot 14. Oplossingen met een ph die kleiner is dan 7 noem je zuur. Als de ph groter is dan 7 noem je de oplossing basisch. THEMA 8 STRALING EN CHEMIE IN JE EIGEN LEEFWERELD Tanderosie kan het gevolg zijn van het zure karakter van genuttigde vruchtensappen, wijn, koffie, bier Een deeltje kan slechts als protondonor optreden als er een protonacceptor aanwezig is. Als het ene deeltje zich gedraagt als protondonor en het andere als acceptor is er sprake van een zuur-base reactie. Een neutralisatiereactie is een reactie tussen een (opgelost) zuur en een (opgeloste) base. De werking van poetsmiddelen is vaak gebaseerd op neutralisatiereacties. Zure commerciële reinigingsmiddelen zijn meestal gevaarlijke producten die vooral gebruikt worden om bijvoorbeeld kalkaanslag in de douche, waterkoker te verwijderen. De meeste poetsmiddelen hebben een ph-waarde die eerder hoger is dan 7. Een heel bekend product is javel. Een titratie is een methode die steunt op de neutralisatie van een zuur of base. Als na vermenging de ph van het mengsel 7 geworden is, zeg je dat het equivalentiepunt (EP) is bereikt. Je arts kan medicijnen voorschrijven die zure oprispingen neutraliseren. Deze medicijnen behoren tot de antacida. De basische werking van bijvoorbeeld CaCO 3 maakt dat deze medicijnen zich binden aan het maagzuur (HCl). 186