10 minute read
` HOOFDSTUK 3: Welk nut hebben chemische reacties als energiebron?
Welk nut hebben chemische reacties als energiebron?
LEERDOELEN
Je kunt al:
Ltoelichten dat chemische energie tijdens een chemische reactie omgezet kan worden naar een andere energievorm;
Ltoelichten wat de termen synthese, analyse, thermolyse, fotolyse en elektrolyse betekenen.
Je leert nu:
Ldat chemische reacties gebruikt kunnen worden als energiebron voor toepassingen in het dagelijks leven;
Lhet verschil duiden tussen exo- en endo-energetische reacties;
Lbegrijpen dat de interactie tussen materie en energie kan leiden tot gewenste of ongewenste chemische reacties.
Energie kan niet ontstaan, noch gevormd worden. Dat is de wet van behoud van energie, waar je al van hoorde in de lessen fysica. Die wet is ook van toepassing op een chemische reactie. Wanneer we ons huis verwarmen door een open haard aan te steken, hebben we geen warmte ‘gemaakt’. De energie is vrijgekomen vanuit het hout: hout is een energiebron. De energie die een chemische stof bevat, noemen we de chemische energie (of inwendige
In dit thema werd al verschillende keren verwezen naar de verbranding van magnesium. Het is je zeker opgevallen dat er een fel wit licht verschijnt tijdens de reactie.
Tijdens een chemische reactie kan dus een energievorm (in dit geval licht- of stralingsenergie) vrijkomen, maar waar komt die energie vandaan? Welke energievormen zijn er nog? Kan ook het omgekeerde gebeuren, met andere woorden kan er tijdens een chemische reactie energie opgenomen worden?
197THEMA 06 HOOFDSTUK 3 3.1 Chemische energie energie) (E). Grootheid Symbool Eenheid chemische energie E J (joule)©VAN IN
Vul de tabel aan.
1 Noteer enkele voorbeelden van energievormen. 2 Noteer een proces uit het dagelijks leven waarbij die energie beschikbaar wordt.
Energievorm Voorbeeld uit het dagelijks leven
Bij glowsticks of handwarmers worden stoffen gebruikt om een energievorm te verkrijgen, respectievelijk licht en warmte.
Tijdens een chemische reactie is er meestal sprake van een verschil in chemische energie in de stoffen voor en na de reactie.
• De reactieproducten bezitten minder chemische energie dan de reagentia. = er is energie vrijgekomen tijdens de chemische reactie.
= exo-energetische reactie • De reactieproducten bezitten meer chemische energie dan de reagentia. = er is energie opgenomen tijdens de chemische reactie. = endo-energetische reactie Chemische stoffen bezitten een specifieke chemische energie-inhoud of inwendige energie (E). Tijdens een chemische reactie geldt de wet van behoud van energie: energie gaat niet verloren of wordt niet bijgemaakt. Energie kan wel worden omgezet van de ene energievorm in de andere of overgedragen van het ene systeem naar het andere. Tijdens een chemische reactie wordt dus meestal energie afgegeven (exo-energetische reactie) of opgenomen(endo-energetische reactie). Sommige reacties zijn energieneutraal, omdat er geen energieverschil is tussen de energie-inhoud van de reagentia en de reactieproducten. Op die reacties zullen we niet verder ingaan. WEETJE ©VAN IN
3.2 Exo-energetische reacties
Afb. 72
Afb. 73
Soms is iets zo vanzelfsprekend dat je er niet bij stilstaat: chemische reacties kunnen ons energie leveren. Enkele voorbeelden: • Tijdens een labo gebruik je een bunsenbrander om een proef uit te voeren (aardgas verbranden). • Voor vuurwerk wordt gebruikgemaakt van verschillende metalen, zoals aluminium, natrium, magnesium en koper. Die zorgen voor het licht- en knaleffect.
Tijdens die chemische reacties komt er energie vrij: we spreken van een exo-energetische reactie. Uit de wet van behoud van energie kun je dan concluderen dat de reagentia meer chemische energie hebben dan de reactieproducten (ER > EP, de reactie levert energie).
De reactie-energie (∆E) wordt gedefinieerd als het verschil tussen de chemische energie-inhoud van de reactieproducten (EP) en de chemische energie-inhoud van de reagentia (ER):
∆E = EP – ER
Een exo-energetische reactie wordt bijgevolg gekenmerkt door een negatieve reactie-energie: er komt energie vrij tijdens de reactie.
Een exo-energetische chemische reactie kan worden weergegeven in een
199THEMA 06 HOOFDSTUK 3 energiediagram. Wanneer warmte vrijkomt, spreekt een chemicus van een exotherme reactie. Een bekende toepassing daarvan is de hotpack. Door het activeren van de hotpack start een exotherme reactie: de omgevingstemperatuur stijgt. exo-energetische reactie: ∆E < 0 Grafiek 1 E (J) reactieenergie ΔE < 0 t (s) P E E R ©VAN IN
Valt het je op dat er altijd geredeneerd wordt vanuit de stoffen? De term ‘exo’ is afgeleid van het Latijn en betekent ‘uit’. Tijdens een exo-energetische reactie zal dus energie uit de stoffen komen. Kijk je naar de omgeving, dan zal de energie toenemen: bv. de omgevingstemperatuur stijgt.
OPDRACHT 14 DEMO
1 Hij/zij voert de proeven uit. 2 Noteer je waarneming in de tabel.
!
VEILIGHEIDSVOORSCHRIFT
HCl + NaOH
Afb. 74
exotherme reactie
42 °C
25 °C
zoutzuur
magnesium
Proef 1 Proef 2
• • Voeg bijtende soda-oplossing (NaOH) toe aan de zoutzuuroplossing (HCl). Lees de temperatuur af. 200 THEMA 06 HOOFDSTUK 3
• Vul een proefbuis voor 1/3 met zoutzuur (HCl). • Rol het lintje Mg op en breng het in de oplossing. • Lees de temperatuur af. Waarneming: Waarneming: 3 Welke stof zou er gevormd kunnen zijn tijdens de tweede proef (reactie tussen Mg en HCl)? Magnesium wordt ook gebruikt in een vuurstarter. Door met een mes of de bijgeleverde schraper over het magnesium staafje te schrapen, komen vonken vrij die het vuur kunnen doen starten. Een tip: gebruik berkenbast, die is zeer geschikt als brandstof. WEETJE ©VAN IN
Soms is een exo-energetische reactie net iets wat je níet wilt meemaken, ze worden namelijk ook weleens gebruikt in een foute context. Denk maar aan de grote hoeveelheid energie die vrijkomt bij de explosie van buskruit. Tijdens die reactie komt er niet alleen warmte vrij, maar ook kinetische energie die grote schade kan aanbrengen.
Een exo-energetische reactie energie vrijkomt. is een chemische reactie waarbij een vorm van
E (J)
E
R
E
P reactieenergie ΔE < 0
Grafiek 2
t (s)
• • Een reactie waarbij warmte vrijkomt, is een exotherme reactie. Een exo-energetische reactie kan voor grote schade zorgen bij verkeerd gebruik.
201THEMA 06 HOOFDSTUK 3©VAN IN
3.3 Endo-energetische reacties
Analyse en synthese zijn tegengestelde reacties. Kunnen we dat doortrekken naar energie-reacties? We weten nu dat sommige chemische reacties energie leveren: ze zijn exo-energetisch. Wanneer we die reacties omdraaien, zal er energie nodig zijn om de reactie uit te voeren. Tijdens zo’n reacties wordt er dus energie opgenomen: het zijn endo-energetische reacties. Uit de wet van behoud van energie kun je concluderen dat de reagentia minder chemische energie hebben dan de reactieproducten (ER< EP). In de eerste graad heb je al kennisgemaakt met zo’n reactie: de fotosynthese.
OPDRACHT 15
Bekijk de chemische reactie en los de vragen op.
6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2
1 Welk biologisch proces wordt hier weergegeven?
2 Welke energievorm wordt er gebruikt tijdens de reactie?
3 Kruis de juiste uitspraak aan. Fotosynthese is een exo-energetische reactie. Fotosynthese is een endo-energetische reactie. Een endo-energetische reactie wordt bijgevolg gekenmerkt door een positieve reactie-energie: er wordt energie toegevoegd tijdens de reactie. Een endo-energetische chemische reactie kan worden weergegeven in een energiediagram. 202 THEMA 06 HOOFDSTUK 3 Endo-energetische reactie: ∆E = E n - E voor > 0
Grafiek 3
reactieenergie t (s) E (J) R E P ΔE > 0 E ©VAN IN
1 Je leerkracht voert de proef uit. 2 Noteer je waarneming in de tabel. Gebruik een thermometer.
Proef • Meng enkele citroenzuurkristallen met een beetje bakpoeder in een proefbuis. • Voeg eventueel een beetje water toe. • Monitor de temperatuursverandering tijdens de hele proef. Waarneming:
In opdracht 16 daalt de omgevingstemperatuur. De reactie heeft energie nodig om te kunnen plaatsvinden: ze neemt warmte op uit de omgeving. We spreken dan van een endotherme reactie. Een bekende toepassing is het coldpack.
Bij sporters wordt vaak een zakje ijs gebruikt om bij een kwetsuur de zwelling tegen te gaan. Zulke zakjes sluiten echter niet goed af rond de kwetsuur en werken minder efficiënt. Daarom werden coldpacks ontwikkeld. De meeste bevatten een gel die niet bevriest in een diepvries. Zogenaamde instant coldpacks bestaan intern uit twee zakjes; in het ene zit water, in het andere ammoniumnitraat (NH4NO3). Wanneer de stoffen bij elkaar komen, treedt er een endotherme reactie op waardoor de omgeving, in dit geval dus het gebied rond de kwetsuur, kouder wordt.
WEETJE
203THEMA 06 HOOFDSTUK 3 Net als bij een exo-energetische reactie kunnen bij een endo-energetische reactie niet alleen warmte-energie maar ook andere energievormen opgenomen worden. Bij bijvoorbeeld een fotolyse start lichtenergie een reactie op. Sommige reacties hebben geen zichtbaar licht nodig, maar maken gebruik van uv-straling. Een bekende toepassing heb je misschien al ervaren bij de tandarts. De uv-lamp die op een pas behandelde tand wordt geplaatst, zorgt ervoor dat de vulling uithardt. Dit is een endo-energetische reactie. WEETJE ©VAN IN
Naast licht- en warmte-energie kunnen ook andere energievormen een chemische reactie doen ontstaan. Zo werd er in thema 2 elektrische energie gebruikt om water te splitsen in waterstofgas en zuurstofgas (elektrolyse).
Het spontaan initiëren van een reactie door de opname van energie is niet altijd gewenst. Lichtenergie kan reacties opstarten die nadelig zijn.
Voorbeelden: • Stoffen worden vaak bewaard in een bruine fles om te voorkomen dat licht de chemische stof aantast. Wijn wordt bijvoorbeeld bewaard in een gekleurde fles omdat blootstelling aan zonlicht de wijn een azijnsmaak geeft. • Krantenpapier wordt geel als het te lang in de zon ligt. • Lange blootstelling aan licht kan ervoor zorgen dat de lange moleculen in kunststoffen worden opgebroken in steeds kleinere moleculen. In de volksmond zegt men dat de kunststoffen ‘verduren’, een fenomeen dat vaak voorkomt bij oude pvc-dakgoten.
Röntgenstraling kan schadelijk zijn en bijvoorbeeld leiden tot het ontstaan van kanker in ons lichaam. Röntgenstraling wordt in de medische wereld gebruikt voor het maken van beeldmateriaal van beenderen of organen. Bij radiologie wordt zo weinig röntgenstraling gebruikt dat de kans op schadelijke bijwerkingen bij de patiënt vrijwel te verwaarlozen is. Omdat een radioloog wel dagelijks in contact komt met straling, neemt hij tijdens de behandeling van een patiënt altijd plaats achter een muur met loden platen.
Ook een te hoge temperatuur kan ongewenste reacties opstarten. Styreen, een belangrijke grondstof voor kunststoffen, breekt af onder invloed van warmte. Thuis bewaar je voedsel in de koelkast, wijn wordt dan weer in een donkere kelder opgeslagen.
WEETJE
204 THEMA 06 HOOFDSTUK 3 ©VAN IN
Een endo-energetische reactie is een chemische reactie waarbij een vorm van energie wordt opgenomen.
E (J)
EP
E
R reactieenergie ΔE > 0
Grafiek 4
t (s)
• Een reactie waarbij warmte wordt opgenomen, is een reactie. endotherme
` Maak oefening 11.
OPDRACHT 17
1 Lees het artikel.
Is dit een exotherme of een endotherme reactie? Kruis aan.
Warmtepakken of hot packs stralen gedurende een halfuur tot maximaal een uur warmte uit. Nadien kunnen ze weer gebruiksklaar gemaakt worden door ze ongeveer zes minuten in kokend water te plaatsen.
In elke heat pack zit een muntje en een vloeistof die iets dikker is dan water. Buig je het muntje, dan stolt de vloeistof en wordt er warmte gecreëerd.
Na vijftien seconden is de vloeistof veranderd in een halfharde vulling die ongeveer dertig minuten nodig heeft om helemaal hard te worden. Tijdens dit proces blijft de plak warmte uitstralen. THEMA 06 HOOFDSTUK 3 205
De heat packs bereiken ongeveer 55 °C en zijn geschikt om bv. spierpijn te verhelpen. De inhoud van de plakken is niet giftig of gevaarlijk. Hij bestaat uit water en natriumacetaat, een stof die ook in voedsel gebruikt wordt. exotherm endotherm 2 Bekijk de ontdekplaat bij het onlinelesmateriaal en ontdek verschillende exotherme en endotherme reacties in het dagelijkse leven. ©VAN IN
