D E C H E M I S C H E R E AC TI E
1 Thema
CHEMIE TUSSEN STOFFEN
Openingsvraag
Waarover gaat dit thema In dit thema vragen we ons eerst af wat het verschil is tussen fysische verschijnselen en chemische reacties. Dat leidt ons dan naar de volgende vraag: hoe kunnen stoffen met elkaar reageren? Daarna leren we hoe we chemische reacties kunnen voorstellen door een reactievergelijking. Tot slot komen we te weten dat chemische reacties gepaard gaan met uitwisseling van energie.
Maarten heeft een pan met frituurvet op het gasfornuis verhit om er hamburgers in te bakken. Op het ogenblik dat hij de bevroren hamburgers in de pan doet, begint het vet hevig te bruisen en te spatten. Daardoor slaat de vlam in de pan en begint het vet te branden. Wat kan Maarten nu het best doen?
o Het gas uitdoen en het deksel op de pan zetten. o Het gas uitdoen en water op de vlammen gooien. o De pan oppakken en ermee naar buiten lopen.
Inhoud 1 Fysisch verschijnsel of chemische reactie? 13 2 Reageren is botsen 15 3 Chemische reactievergelijkingen 17 3.1 Reagentia en reactieproducten 17 3.2 Deeltjesmodel en reactievergelijkingen 18
4 Soorten reacties 4.1 Uitwisseling van warmte 4.1.1 Exotherme reacties 4.1.2 Endotherme reacties 4.2 Uitwisseling van andere energievormen 4.2.1 Elektrische energie 4.2.2 Lichtenergie
21 21 21 22 22 22 23
5 Een bijzondere reactie: de verbranding 24 5.1 Wat is er nodig bij een verbranding? 5.2 Het gaat verkeerd! Brand!!
24 26
Opgaven 27 Samenvatting 29
De oplossing vind je op p. 27.
12
1
Fysisch verschijnsel of chemische reactie? Het verschil tussen een fysisch verschijnsel en een chemische reactie kunnen we best uitleggen door een hele reeks experimenten uit te voeren.
Experiment 1 Onderzoeksvraag Wat gebeurt er met een metaal als je het in de vlam van een bunsenbrander houdt? Werkwijze 1 Houd eerst een staafje ijzer met een klem in de vlam van een bunsenbrander. 2 Houd daarna een reepje magnesium met een klem in de vlam van een bunsenbrander. Opgelet: te lang in de vlam kijken is slecht voor de ogen! Waarneming Wat gebeurt er met het ijzeren staafje?
IJzer begint te gloeien en kan zelfs roodgloeiend worden. Wat zie je nadat het ijzer is afgekoeld?
Bij afkoeling verdwijnt de rode gloed en zien we opnieuw hetzelfde metaal; de stof ijzer is gebleven. Wat gebeurt er met het magnesium?
Magnesium daarentegen brandt met een erg heldere vlam. Is het magnesium veranderd?
Na de reactie ontstaat een wit poeder. Ook na afkoeling blijft het witte poeder bestaan; we noemen het ‘magnesiumoxide’. Besluit Beide metalen reageren op een totaal verschillende manier als ze in de vlam van een bunsenbrander gehouden worden. Na de proef wordt bij ijzer de oorspronkelijke stof teruggevonden. Dit is een fysisch verschijnsel. Bij magnesium is een nieuw product ontstaan tijdens een chemische reactie.
Experiment 2 Onderzoeksvraag De P-zin 378 vermeldt: ‘Blussen met …’. Mag er dan niet altijd met water geblust worden? Werkwijze 1 Leg een klontje suiker in een beker water. 2 Laat een klein deel van de verkregen oplossing uitkristalliseren. 3 Leg nu een stukje natrium in water. Dit is nog veel overtuigender als je vooraf een druppeltje fenolftaleïne (een bepaalde indicator) toevoegt. 4 Laat tot slot een deeltje van de paarse oplossing uitkristalliseren.
Thema 1: Chemie tussen stoffen
13
Waarneming Wat gebeurt er met het suikerklontje?
Het brokkelt geleidelijk uiteen tot het uiteindelijk verdwijnt: de suiker is opgelost. Is de suiker veranderd?
Enkele eigenschappen van de suiker zijn verdwenen, namelijk de kristalvorm en de kleur. Welke eigenschap van suiker is niet veranderd?
De zoete smaak daarentegen is gebleven. Wat gebeurt er bij stap 2?
Er ontstaat opnieuw een witte, kristallijne stof, nl. suiker (de vorm van het klontje komt niet terug). Wat gebeurt er met het stukje natrium?
Er vindt een opvallend verschijnsel plaats: het natrium loopt als een vinnig bolletje over het wateroppervlak. Natrium reageert hevig met water. Wat gebeurt er na stap 3?
Na de reactie met natrium krijgt de oplossing een mooie, paarse kleur. Wat gebeurt er bij stap 4?
Bij indampen van een deel van de oplossing ontstaat een wit, poedervormig product. Is dat nog natrium?
Dat is een heel ander product dan het oorspronkelijke natrium. Besluit Bij het oplossen en herkristalliseren van suiker blijven praktisch alle eigenschappen van de suiker bewaard. Het gaat hier om een fysisch verschijnsel. Bij de chemische reactie tussen natrium en water ontstaan nieuwe producten. Aangezien natrium heftig reageert met water, mag je niet blussen met water als dit metaal ergens aanwezig is.
Opdracht 1 Zijn de volgende feiten een chemische reactie of een fysisch verschijnsel? – aardappelen koken
chemische reactie
– zout oplossen
fysisch verschijnsel
– koffiezetapparaat ontkalken chemische reactie – chocolade smelten
fysisch verschijnsel
– bloem zeven
fysisch verschijnsel
Bij een fysisch verschijnsel worden geen nieuwe stoffen gevormd. Bij een chemische reactie worden nieuwe stoffen gevormd met andere eigenschappen dan de oorspronkelijke stoffen. We zeggen dat die stoffen met elkaar reageren tot vorming van nieuwe stoffen. 14
2
Reageren is botsen Experiment 3 Onderzoeksvraag Kunnen we aan de hand van een experiment achterhalen hoe deeltjes reageren met elkaar? Werkwijze 1 Zet een petrischaal op de retroprojector en vul ze voor de helft met gedemineraliseerd water. 2 Strooi aan de ene kant een spatelpunt kleurloos kaliumthiocyanaat (KSCN, stof A) en aan de andere kant een spatelpunt geel ijzertrichloride (FeCl3, stof B). Waarneming Wat gebeurt er?
Uit de kleurloze stof A en de gele stof B ontstaat een fel rode halve maan. Verklaring Hoe kan je dit verschijnsel verklaren?
De beide stoffen lossen op en verspreiden zich in het water: je ziet dat de twee vlekken zich naar elkaar bewegen. Waar de vlekken elkaar raken, ontstaat een rode halve maan. Waarop wijst dat?
De rode vlek wijst op het ontstaan van een nieuwe stof. Wat is de wetenschappelijke naam van zo’n verschijnsel?
Een chemische reactie. Geef een correcte wetenschappelijke omschrijving voor zo’n chemische reactie.
Bij een chemische reactie worden uit de oorspronkelijke stoffen (reagentia) nieuwe stoffen gevormd (reactieproducten). Dit type reactie gebeurt door ‘botsing’: de kleurloze moleculen van stof A botsen met de gele moleculen van stof B. Bij die botsingen ontstaat de nieuwe rode stof. Niet alle botsingen leiden tot een reactie. Voorbeeld We nemen de reactie tussen diwaterstof (witte bolletjes op de figuren hieronder) en di-jood (groene bolletjes) onder de loep. De reactie tussen die twee stoffen is slechts mogelijk als ze met elkaar in contact komen. De moleculen van beide stoffen bewegen door elkaar en botsen voortdurend. Meestal hebben die botsingen geen verdere gevolgen. Het is alsof er twee biljartballen tegen elkaar botsen: na de botsing blijven ze volkomen intact. In dat geval bezaten de moleculen te weinig bewegingsenergie om de binding in de moleculen te breken.
Thema 1: Chemie tussen stoffen
15
Als de snelheid van de moleculen groot genoeg is, dan houdt de botsing wel voldoende energie in. Het gevolg is dat er bindingen in diwaterstof en di-jood verbroken worden. Er kunnen dan nieuwe bindingen ontstaan tussen de H- en de I-atomen. Er wordt een nieuwe stof gevormd.
Bij andere botsingen bezitten de moleculen wel voldoende energie, maar valt de oriëntatie van de botsing ongunstig uit.
Opdat uit een botsing tussen moleculen nieuwe stoffen zouden ontstaan, moet de botsing voldoende energie en een goede oriëntatie hebben. We spreken dan van een effectieve botsing.
OPDRACHT 2 Lucht is in hoofdzaak een mengsel van dizuurstof en distikstof. Beide moleculen botsen voortdurend tegen elkaar. Reageren deze stoffen met elkaar?
Nee Waarom (niet)?
De botsingen tussen de moleculen zijn niet effectief.
Stoffen kunnen met elkaar reageren als de deeltjes waaruit de stoffen opgebouwd zijn met elkaar botsen. Niet elke botsing levert een reactie op. Een botsing is effectief als tegelijkertijd aan twee voorwaarden is voldaan. − De botsing tussen de deeltjes is goed georiënteerd. − De botsing tussen de deeltjes is krachtig genoeg. Daarvoor moeten de deeltjes voldoende energie bezitten en dat is pas mogelijk als de snelheid ervan groot genoeg is. Effectieve botsingen tussen de reagentia vormen nieuwe stoffen, die we de reactieproducten noemen.
16
3 3.1
Chemische reactievergelijkingen Reagentia en reactieproducten Van nu af aan zal je in de chemielessen voortdurend in contact komen met het begrip ‘chemische reactie’. Bij een chemische reactie worden telkens stoffen omgezet in andere stoffen. We starten met bepaalde stoffen: uitgangsproducten of reagentia. Na afloop van de reactie zijn nieuwe stoffen gevormd: reactieproducten. Om onnodig schrijfwerk te vermijden, zullen we die chemische reacties voorstellen in reactievergelijkingen. In het linkerlid worden de reagentia genoteerd, in het rechterlid schrijven we de reactieproducten. Een reactiepijl symboliseert de verandering of de omzetting die gebeurt. reagentia
reactieproducten
Opmerking De zin van de pijl duidt aan dat de aard van de stoffen bij het begin van de reactie, niet gelijk is aan de aard van de stoffen aan het einde van de reactie. Vervang de reactiepijl dus nooit door ‘=’. We oefenen die schrijfwijze bij het volgende experiment. Omdat we de reagentia en de reactieproducten alleen in woorden noteren, spreken we hier nog over een reactieschema.
Experiment 4 Onderzoeksvraag Welke reactieproducten ontstaan er bij de reactie tussen magnesium en waterstofchloride? Werkwijze 1 Giet enkele ml van een verdunde waterstofchloride-oplossing (2 mol/l) in een proefbuis en voeg een reepje magnesium toe. 2 Vang het gevormde gas op in een omgekeerde proefbuis. Houd daarna een brandende lucifer in de opening van de omgekeerde proefbuis. 3 Laat tot slot een klein deel van het reactiemengsel indampen op een horlogeglas. Waarneming Wat gebeurt er bij stap 1?
Magnesium reageert met waterstofchloride, waarbij er een gas gevormd wordt. Wat gebeurt er bij stap 2?
Het gas ontploft met een knal. Wat zie je bij stap 3?
Er ontstaat een wit poeder. Bespreking Bij de reactie tussen magnesium en waterstofchloride ontstaat een gas. Met de knalgasproef kunnen we aantonen dat het waterstofgas of diwaterstof is. Het witte poeder dat ook gevormd wordt, is magnesiumdichloride.
Thema 1: Chemie tussen stoffen
17
Reactieschema magnesium + waterstofchloride magnesiumdichloride + diwaterstof Dat lezen we als volgt: magnesium reageert met waterstofchloride met vorming van magnesiumdichloride en diwaterstof (waterstofgas).
Chemische reacties worden in een reactievergelijking genoteerd. In het linkerlid worden de reagentia genoteerd, in het rechterlid schrijven we de reactieproducten. Een reactiepijl symboliseert de verandering of omzetting die gebeurt. reagentia
3.2
reactieproducten
Deeltjesmodel en reactievergelijkingen We hebben al geleerd dat bij een chemische reactie moleculen met elkaar botsen. Bij een effectieve botsing worden de oorspronkelijke bindingen tussen de atomen van een molecule verbroken en ontstaan er nieuwe bindingen tussen andere atomen. Reageren is dus in feite niets anders dan het herschikken van atomen. We maken dat duidelijk met een aantal voorbeelden. Voorbeeld 1 Bekijk opnieuw de reactie tussen magnesium en waterstofchloride. Reactieschema magnesium + waterstofchloride
magnesiumdichloride + diwaterstof
Vorig jaar heb je geleerd dat al die chemische stoffen opgebouwd zijn uit moleculen en atomen en dat je ze kunt voorstellen door deeltjesmodellen. Zo kan je magnesium voorstellen door: Voor waterstofchloride is het deeltjesmodel: Voor magnesiumdichloride: En ten slotte voor diwaterstof: Ook de reactievergelijking kunnen we in een deeltjesmodel schrijven:
In dat reactieschema vallen enkele dingen op. – Reageren is in feite niets anders dan het herschikken van atomen, waarbij nieuwe moleculen gevormd worden. – Vóór de reactiepijl staat één waterstofatoom, achter de pijl vind je twee waterstofatomen terug. Hetzelfde geldt voor chloor: vóór de reactie is er één chlooratoom aanwezig en na de reactie zijn dat er twee.
18
Dat laatste kan uiteraard niet. Atomen kunnen niet uit het niets ontstaan of zomaar verdwijnen. Als je dat begrijpt, is het even eenvoudig om aan te nemen dat het aantal atomen van een bepaalde soort voor en na de reactie gelijk moet zijn. Eén ding is daarbij heel belangrijk: aan de deeltjesmodellen van de stoffen mag je niets veranderen. Om de reactievergelijking juist te maken, kun je dus alleen het volgende doen: Nu is er inderdaad één magnesiumatoom aanwezig voor en na de reactie, en zijn er twee waterstofatomen en twee chlooratomen links en rechts van de reactiepijl. Het reactieschema ‘klopt’ dus. Het is dan een koud kunstje om de reactie in formulevorm weer te geven. We noteren: Mg + 2 HCl
MgCl2 + H2
Deze voorstelling van een reactie noemen we een reactievergelijking. Voorbeeld 2 We werken nog een voorbeeld uit. Door een chemische reactie kan water ontleed worden in diwaterstof en dizuurstof. Dat gebeurt onder invloed van een elektrische stroom.
OPDRACHT 3 Noteer het reactieschema bij deze chemische reactie.
water
diwaterstof + dizuurstof
Opnieuw stellen we die reactie voor met een deeltjesmodel:
Je merkt meteen dat dit niet klopt: het aantal waterstofatomen is juist, maar voor de reactie is er één zuurstofatoom aanwezig en na de reactie zijn er twee. Als je aan het linkerlid een tweede molecule water toevoegt, kun je het reactieschema in orde brengen. Als je ook nog de juiste formules invult, vind je de echte reactievergelijking: 2 H2O
2 H2 + O2
In de twee voorbeelden hierboven hebben we telkens het deeltjesmodel genoteerd, maar in feite is die tussenstap niet nodig. We moeten dan wel gebruik maken van een formuletabel (p. xxx-xxx) waarin de naam van de chemische stoffen staat en hun overeenkomstige formule.
OPDRACHT 4 Wat is de formule voor: – octazwavel S8 – calciumdihydroxide Ca(OH)2 – dialuminiumtrioxide Al2O3 – koolstofmono-oxide CO – kopersulfaat CuSO4 – zilvernitraat AgNO3 Thema 1: Chemie tussen stoffen
19
Met deze formuletabel bij de hand proberen we een reactievergelijking uit te schrijven zonder deeltjesmodel. Voorbeeld 3 Je weet dat magnesium brandt met een zeer heldere vlam (experiment 1). Bij de verbranding ontstaat een wit poeder dat we magnesiumoxide noemen. De eerste vraag die je je nu moet stellen is: welke stoffen reageren er met elkaar? Bij deze verbranding reageert magnesium met zuurstofgas: dat zijn dus de reagentia. Wat zijn de reactieproducten? Er is slechts sprake van één reactieproduct, namelijk een wit poeder, dat we magnesiumoxide genoemd hebben. Het reactieschema ziet er als volgt uit: magnesium + dizuurstof
magnesiumoxide
De formules van de betrokken stoffen kun je opzoeken in de tabel (p. 215-216). Vul je die in het reactieschema in, dan wordt dat: Mg + O2
MgO
Het valt meteen op dat het aantal atomen voor en na de reactie niet gelijk is. Links zie je één magnesiumatoom en rechts ook: dat is dus goed. Links staan echter twee zuurstofatomen en rechts maar één. Om dat in orde te krijgen, schrijven we in het rechterlid de coëfficiënt 2 voor magnesiumoxide, zodat zowel links als rechts twee zuurstofatomen aanwezig zijn. Mg + O2 2 MgO Laat je niet beetnemen, want door het rechterlid goed te maken, wordt het linkerlid fout. Inderdaad: nu klopt het aantal magnesiumatomen niet meer. De coëfficiënt 2 voor magnesium brengt ook dat voor elkaar. Uiteindelijk wordt de reactievergelijking: 2 Mg + O2
2 MgO
Je merkt het: ook zonder deeltjesmodel kom je tot een goed resultaat. Opmerking Coëfficiënten zijn altijd gehele getallen. Bovendien moeten ze zo klein mogelijk zijn. Het is verkeerd de reactievergelijking te schrijven als: 4 H2 + 2 O2 omdat de coëfficiënten deelbaar zijn door twee. − 4 H2O − H2O H2 + ½ O2 omdat een van de coëfficiënten geen geheel getal is.
Opdracht 5 Als je een mengsel van ijzer en zwavel verhit, ontstaat er ijzersulfide. Noteer het reactieschema.
ijzer + zwavel
ijzersulfide
De reactievergelijking is: Fe + S
FeS
Wat is er fout aan de onderstaande reactievergelijking? 2 Fe + 2 S 2 FeS
Alle coëfficiënten zijn deelbaar door 2.
Reageren is in feite het schikken en/of herschikken van atomen tot nieuwe moleculen. Een reactie wordt weergegeven in een reactievergelijking. – Zowel de reagentia (linkerlid) als de reactieproducten (rechterlid) worden voorgesteld door molecuulformules. – Het aantal atomen van een bepaalde soort moet voor en na de reactie gelijk zijn. In een reactievergelijking geven we dat aan door de juiste coëfficiënten (kleinste gehele getallen) in te voeren. 20
4
Soorten reacties Iedereen weet dat een auto alleen rijdt als je een of andere brandstof (benzine, diesel of autogas) tankt, die in de motor wordt verbrand. Die verbranding is een chemische reactie. Daarbij worden uitgangsstoffen (de reagentia brandstof en dizuurstof) omgezet in eindproducten (de reactieproducten CO2 en H2O) en komt er ook energie vrij. Het gaat om warmte-energie (denk maar aan de verwarmingsinstallatie van een auto), die in de motor wordt omgezet in bewegingsenergie (de auto rijdt immers!). Algemeen: bij de meeste chemische reacties wordt er waarneembaar energie uitgewisseld.
4.1
Uitwisseling van warmte
4.1.1
Exotherme reacties Experiment 5 Onderzoeksvraag Bestaan er reacties waarbij er warmte wordt afgestaan? Werkwijze 1 Giet 40 ml natriumhydroxide (NaOH, 2 mol/l) in een erlenmeyer van 250 ml. 2 Sluit hem af met een doorboorde stop waar een thermometer doorheen steekt en lees nauwkeurig de begintemperatuur af. 3 Voeg dan 40 ml waterstofchloride-oplossing (HCl, 2 mol/l) toe. 4 Lees na de reactie de eindtemperatuur af. Waarneming Is de temperatuur veranderd?
Ja Zo ja, hoe is de temperatuur veranderd?
Ze is gestegen. Besluit Bij deze reactie komt er energie vrij in de vorm van warmte. We spreken van een exotherme reactie. Bij een exotherme reactie wordt warmte afgegeven aan de omgeving. In het dagelijks leven maken we veel gebruik van chemische reacties waarbij warmte vrijkomt. Denk maar aan de verbranding van steenkool, petroleum, aardgas enz. Eerlijkheidshalve moeten we vertellen dat we voor die verbranding eerst een klein beetje energie toevoegen. Het hout in de haard wordt bijvoorbeeld ‘aangestoken’ door brandend papier. Heel wat reacties (maar niet die van experiment 5) blijken zo’n ‘duwtje’ nodig te hebben om van start te kunnen gaan; we spreken daarom van ‘activeringsenergie’. Doorgaans gaat het om een kleine hoeveelheid energie. Zodra de reactie goed op gang gekomen is, zorgt de vrijgekomen energie ervoor dat de rest van de stof verder reageert.
Thema 1: Chemie tussen stoffen
21
4.1.2
Endotherme reacties Experiment 6 Onderzoeksvraag Bestaan er reacties waarbij er warmte wordt opgenomen? Werkwijze 1 Meng 8 g ammoniumchloride (vaste stof NH4Cl) met 16 g bariumdihydroxide (vaste stof Ba(OH)2)1 in een beker van 200 ml. 2 Houd een rood lakmoespapiertje boven het reactiemengsel. 3 Voel aan de beker en lees de eindtemperatuur af. Waarneming Wat gebeurt er met het lakmoespapiertje?
Het papiertje kleurt blauw. Is de temperatuur veranderd?
Ja Zo ja, hoe is de temperatuur veranderd?
Ze is sterk gedaald (ongeveer 10 °C). Besluit Het lakmoespapiertje wordt blauw, waardoor we aangetoond hebben dat bij de reactie ammoniakgas (NH3) gevormd wordt. Bij deze reactie wordt er warmte onttrokken aan de omgeving. We spreken van een endotherme reactie. Bij een endotherme reactie wordt warmte opgenomen uit de omgeving.
Chemische reacties kunnen we indelen volgens de uitwisseling van warmte-energie. − Bij een exotherme reactie wordt warmte afgegeven aan de omgeving. − Bij een endotherme reactie wordt warmte opgenomen uit de omgeving.
4.2
Uitwisseling van andere energievormen Er zijn ook chemische reacties waarbij andere vormen van energie worden uitgewisseld. – Reacties waarbij er energie vrijkomt, noemen we exergonische reacties (exo-energetisch). – Reacties waarbij energie opgenomen wordt, noemen we endergonische reacties (endoenergetisch).
4.2.1
Elektrische energie Bij de elektrolyse van water bijvoorbeeld wordt er elektrische energie opgenomen. Er kan tijdens een chemische reactie ook elektrische energie geproduceerd worden. We tonen dat aan met een experiment. Als je wil, kan je het heel eenvoudig zelf uitvoeren.
1
22
De te gebruiken stof is bariumdihydroxide-water(1/8) of bariumdihydroxide-octahydraat: Ba(OH)2 · 8H2O.
Experiment 7 Onderzoeksvraag Kan je elektriciteit uit fruit halen? Werkwijze 1 Rol een citroen tussen je handen, zodat hij goed mals wordt. 2 Maak twee sneetjes in de citroen en duw een koperen muntstukje in de ene gleuf en een nagel of een gegalvaniseerde nagel in de andere. 3 Verbind het muntstukje en de nagel met de multimeter zoals de foto toont. Een multimeter is een elektrisch meetinstrument waarmee je een aantal elektrische grootheden kunt meten (spanning, stroomsterkte, weerstand). Het zwarte snoer steek je in de COM-aansluiting en het rode snoer in de V/立-aansluiting. Waarneming Welke spanning lees je af op jouw multimeter?
Ongeveer 1 volt (0,8 V bij een gewone nagel; 1,1 V bij een gegalvaniseerde nagel). Besluit Bij chemische reacties kan er elektrische energie ontstaan.
4.2.2 Lichtenergie Bij de verbranding van magnesium wordt een grote hoeveelheid licht uitgestraald. Bij die reactie komt dus lichtenergie vrij. Bij andere reacties wordt er lichtenergie opgenomen.
Experiment 8 Onderzoeksvraag Is er soms lichtenergie nodig om bepaalde reacties te laten gebeuren? Werkwijze 1 Maak een suspensie van zilverbromide (een witte, vaste stof) en verdeel die over twee proefbuizen. 2 Wikkel rond de ene proefbuis aluminiumfolie en zet ze in een pikdonkere kast. We moeten dus vermijden dat er licht bij het reactiemengsel komt. 3 Zet de andere proefbuis in het licht. 4 Wacht 15 minuten en vergelijk daarna de inhoud van beide proefbuizen. Waarneming Wat is er gebeurd met de suspensie die in het donker gestaan heeft?
De suspensie is nog altijd wit. Wat is er gebeurd met de suspensie die in het licht gestaan heeft?
Ze is grijszwart geworden. Verklaring De grijszwarte kleur is het gevolg van een neerslag van zilver. Anders gezegd: het zilverbromide is onder invloed van het licht gesplitst in zilver en dibroom.
Thema 1: Chemie tussen stoffen
23
Experiment 9 Onderzoeksvraag Kan er lichtenergie vrijkomen bij een chemische reactie? Voorbereiding – Bereiding van 1 liter oplossing A: los 0,5 g luminol op in 1 liter NaOH-oplossing (0,1 mol/l). – Oplossing B: verdun geconcentreerd H2O2 (30 V%) tienmaal tot een oplossing 3 V% H2O2. Werkwijze 1 Verduister het lokaal. 2 Giet 50 ml van oplossing A in een maatcilinder van 100 ml en voeg er 10 ml van oplossing B bij. 3 Laat er enkele kristallen K3Fe(CN)6 in vallen. Waarneming Wat gebeurt er?
Er ontstaat een helblauw licht dat enkele minuten blijft nagloeien.
Bij een exergonische (exo-energetisch) reactie komt er energie vrij. Bij een endergonische (endo-energetisch) reactie wordt er energie opgenomen.
5 5.1
Een bijzondere reactie: de verbranding Wat is er nodig bij een verbranding? Opdat er een verbranding zou kunnen plaatsgrijpen, hebben we uiteraard een brandbare stof nodig. Bij de verbranding komt er energie vrij; het is dus een exotherme reactie. Maar er is meer ...
Fig. 1.1 Bij verbranding komt er energie vrij.
24
Experiment 10 Onderzoeksvraag Wat is er nog nodig bij een verbranding? Werkwijze 1 Zet een theelichtje op een labotafel en steek het aan. 2 Plaats er daarna een hoog bekerglas overheen. 3 Herhaal stap 1 en stap 2, maar haal het bekerglas weg net voordat de kaars uitdooft. Waarneming Wat gebeurt er bij stap 2?
De kaars dooft uit. Wat gebeurt er bij stap 3?
De kaars wakkert opnieuw aan. Verklaring Bij de verbranding hebben we dizuurstof nodig. Het zuurstofgas zit in lucht. Lucht bestaat immers voor 4/5 uit stikstofgas en voor 1/5 uit zuurstofgas. We hebben nu al aangetoond dat er een brandbare stof en dizuurstof nodig zijn voor een verbranding. Dat is echter nog niet alles.
Experiment 11 Onderzoeksvraag Waarom zullen de meeste stoffen niet spontaan ontbranden? Werkwijze Voer deze proef uit in een trekkast. 1 Breng in twee porseleinen kroesjes respectievelijk een weinig rode fosfor en een kleine hoeveelheid methanol. 2 Probeer met behulp van een gloeiende houtspaander (die heeft dan een temperatuur van ongeveer 400 °C) beide stoffen in brand te steken. 3 Probeer het daarna met een brandende houtspaander (ongeveer 700 °C). Waarneming Welke stof ontbrandt er met behulp van de gloeiende houtspaander?
rode fosfor Welke stof ontbrandt er met de brandende houtspaander?
methanol Besluit Er is dus een bepaalde temperatuur waarbij een bepaalde stof gaat ontbranden. We noemen dat de ‘ontbrandingstemperatuur’. De ontbrandingstemperatuur van methanol ligt dus hoger dan die van rode fosfor.
Bij een verbranding hebben we een brandbare stof, zuurstofgas en een gepaste ontbrandingstemperatuur nodig.
Thema 1: Chemie tussen stoffen
25
5.2 Het gaat verkeerd! Brand!! Je hebt geleerd dat bij een verbranding drie factoren noodzakelijk zijn: − brandbare stof − zuurstofgas − de geschikte ontbrandingstemperatuur. Ontbreekt een van die factoren, dan kan er geen verbrandingsreactie optreden. Twee van de drie factoren zijn al vlug voorhanden: een brandbare stof en zuurstofgas (gewoon in de lucht aanwezig). Wees dus extra voorzichtig als je werkt met wasbenzine, ether of een ander ontvlekkingsproduct (we noemden ze ‘licht ontvlambare producten’) en vermijd de aanwezigheid van een open vuur, een brandende sigaret, de waakvlam van een geiser enz. Ondanks al die veiligheidsmaatregelen gebeurt het soms toch dat er een ‘ongecontroleerde’ brand uitbreekt. Denk maar aan brandende olie in een frituurketel, bosbranden of een brandend boorplatform. In die gevallen probeert men de brand zo snel mogelijk onder controle te krijgen met een geschikt blusmiddel. Meestal is dat water, maar het is niet altijd geschikt: soms kun je de brand er zelfs mee aanwakkeren. Fig. 1.2
Het blussen van een bosbrand
Experiment 12 Onderzoeksvraag Waarom is blussen met water soms gevaarlijk? Werkwijze 1 Plaats twee porseleinen schaaltjes op een brandvrije ondergrond. Doe in het ene schaaltje enkele houtspaanders en in het andere een beetje benzine. 2 Steek beide brandstoffen aan met een lange, brandende houtspaander. 3 Probeer daarna de brand te blussen met behulp van een spuitfles met water. Waarneming Welke brandstof kunnen we blussen met water?
De houtspaanders Verklaring Blussen met water koelt de houtspaanders af tot onder de ontbrandingstemperatuur, waardoor de brand uitdooft. Bovendien zorgt het water ervoor dat de zuurstof (lucht) minder goed bij het vuur geraakt. Benzine is echter niet mengbaar met water en is ook lichter. De benzine drijft op het water en blijft dus gewoon doorbranden. Bovendien kan de brand zich op die manier over een groter oppervlak uitbreiden. Afsluiten van de lucht is hier de enige manier om de brand te blussen. Bij een klein porseleinen schaaltje is dat geen groot probleem: je zet er gewoon een deksel over. Maar wat als je een plas van enkele vierkante meter brandende benzine zou moeten blussen? De volgende proef geeft je het antwoord.
26
ExpErimEnt 13 Onderzoeksvraag Hoe kunnen brandweermannen een grote brand blussen? Werkwijze Plaats een theelichtje in een open beker en steek het aan. Waarneming Wat gebeurt er?
Het theelichtje dooft uit, hoewel het niet afgesloten is van de lucht. Verklaring Je weet al dat bij een verbranding koolstofdioxidegas ontstaat. Dat heeft een grotere massadichtheid dan lucht, dus wordt de smalle beker geleidelijk opgevuld met het gas. Als dat gas bij de vlam gekomen is, wordt het zuurstofgas verdrongen: het theelichtje dooft uit. Datzelfde koolstofdioxidegas wordt in brandblusapparaten onder hoge druk samengeperst tot het vloeibaar wordt. Bij het blussen verdampt het vloeibare koolstofdioxide plots heel sterk. Daardoor koelt het zo fel af, dat het vast wordt. Die zogenaamde ‘koolzuursneeuw’ brengt de brandende stof vrij vlug onder zijn ontbrandingstemperatuur. Bovendien sublimeert de vaste koolzuursneeuw vrijwel onmiddellijk en legt als het ware een deken van koolstofdioxidegas over de vlammen. De brand dooft dan uit, niet alleen door de sterke afkoeling, maar ook doordat er geen zuurstofgas meer bij de vlammen geraakt.
Oplossing openingsvraag Maarten moet het gas uitdoen en het deksel op de pan zetten. Door het gas uit te doen, gaat hij de temperatuur zo snel mogelijk doen dalen. Door het deksel op de pan te zetten, neemt hij de aanvoer van zuurstofgas weg, zodat de verbranding ook zal ophouden.
een brand kan worden geblust door de brandbare stof – onder zijn ontbrandingstemperatuur te brengen – en/of ze af te sluiten van zuurstofgas.
Opgaven 1
Zijn volgende verschijnselen fysisch of chemisch? – sublimeren van di-jood
fysisch
– opkloppen van eiwit
fysisch
– roesten van ijzer
chemisch
– aansteken van een ledlamp
fysisch
– aanvriezen van een vensterraam
fysisch
– verzuren van wijn
chemisch
Thema 1: Chemie tussen stoffen
27
2
a Als je een zilveren bestek waaraan confituur hangt, afwast, is dat dan een chemische reactie?
Neen, de confituur lost op in het water en wordt zo verwijderd van het bestek. b Welk soort verschijnsel vindt er plaats als je dat zilveren bestek daarna met zilverpoets schoonmaakt?
Dit is een chemisch proces, want er wordt een laagje zwart zilversulfide verwijderd. 3
Kauw een hele tijd op een stukje brood. Verandert de smaak? Hoe? Verklaar.
Het brood wordt zoet. Dit komt omdat de enzymen in het speeksel het zetmeel omzetten in suiker. 4
Wat is er fout aan de volgende reactievergelijkingen? Gebruik de tabel op p. 215-216. H+O
H2O
P + 5 O2
De juiste reactievergelijking is: 2 H2 + O2 2 P2O5
N + 1,5 H2
4
De formules voor diwaterstof en dizuurstof zijn fout. De formule voor tetrafosfor is fout. De juiste reactievergelijking is: P4 + 5 O2
NH3
2 H2O 2 P2O5
De formule voor stikstofgas is fout en de coëfficiënten zijn geen gehele getallen. De juiste reactievergelijking is: N2 + 3 H2
2 NH3
Als je een fles ether breekt in een vrij kleine ruimte mag je zeker geen licht maken. Dat kan zware ongelukken veroorzaken. Welke en waarom?
Ether verdampt zeer gemakkelijk en is bovendien heel brandbaar. De kleine vonk in de schakelaar bij het aansteken van het licht kan dan voldoende zijn om de ether te laten ontvlammen. 6
De motor van een auto heet een ‘verbrandingsmotor’. Waarom?
Omdat de benzine verbrand wordt in de motor. Geef twee redenen waarom je de motor niet mag laten ‘draaien’ in een gesloten garage.
Als de motor al te lang draait in een gesloten garage, raakt het zuurstofgas opgebruikt. Bovendien wordt er samen met CO2 altijd CO gevormd; CO is een erg giftig gas.
28
Samenvatting 1
Fysisch verschijnsel of chemische reactie Bij een fysisch verschijnsel worden geen nieuwe stoffen gevormd. Bij een chemische reactie worden nieuwe stoffen gevormd met andere eigenschappen dan de oorspronkelijke stoffen. We zeggen dat die stoffen met elkaar reageren tot vorming van nieuwe stoffen.
2
Reageren is botsen Stoffen kunnen met elkaar reageren als de deeltjes waaruit de stoffen opgebouwd zijn met elkaar botsen. Niet elke botsing levert een reactie op. Een botsing is effectief als tegelijkertijd aan twee voorwaarden is voldaan. − De botsing tussen de deeltjes is goed georiënteerd. − De botsing tussen de deeltjes is krachtig genoeg. Daarvoor moeten de deeltjes voldoende energie bezitten en dat is pas mogelijk als de snelheid ervan groot genoeg is. Effectieve botsingen tussen de reagentia vormen nieuwe stoffen, die we de reactieproducten noemen.
3
Chemische reactievergelijkingen
3.1
Reagentia en reactieproducten Chemische reacties worden in een reactievergelijking genoteerd. In het linkerlid worden de reagentia genoteerd, in het rechterlid schrijven we de reactieproducten. Een reactiepijl symboliseert de verandering of omzetting die gebeurt. reagentia
3.2
reactieproducten
Deeltjesmodel en reactievergelijkingen Reageren is in feite het schikken en/of herschikken van atomen tot nieuwe moleculen. Een reactie wordt weergegeven in een reactievergelijking. – Zowel de reagentia (linkerlid) als de reactieproducten (rechterlid) worden voorgesteld door molecuulformules. – Het aantal atomen van een bepaalde soort moet voor en na de reactie gelijk zijn. In een reactievergelijking geven we dat aan door de juiste coëfficiënten (kleinste gehele getallen) in te voeren.
4
Soorten reacties
4.1
Uitwisselen van warmte Chemische reacties kunnen we indelen volgens de uitwisseling van warmte-energie. − Bij een exotherme reactie wordt warmte afgegeven aan de omgeving. − Bij een endotherme reactie wordt warmte opgenomen uit de omgeving.
Thema 1: Chemie tussen stoffen
29
4.2
Uitwisselen van andere energievormen Bij een exergonische reactie komt er energie vrij. Bij een endergonische reactie wordt er energie opgenomen.
5 Een bijzondere reactie: de verbranding 5.1
Wat is er nodig bij een verbranding? Bij een verbranding hebben we een brandbare stof, zuurstofgas en een gepaste ontbrandingstemperatuur nodig.
5.2
Het gaat verkeerd! Brand!! Een brand kan worden geblust door de brandbare stof – onder zijn ontbrandingstemperatuur te brengen – en/of ze af te sluiten van zuurstofgas.
30