Chemie (naar Chemie in contexten 1.2 – Uitgeverij De Boeck)
3 economie, 3 humane wetenschappen
Inhoudstafel
Hoofdstuk 1: stoffen en mengsels .............................................................................. 1 1.1 Wetenschappelijk onderzoek ............................................................................ 1 1.2 Kunnen we het stellen zonder chemie?............................................................. 2 1.3 Het experiment .................................................................................................. 2 1.4 Stoffen herkennen ............................................................................................. 6 1.5 Mengsels ........................................................................................................... 8 Hoofdstuk 2: water .................................................................................................... 11 2.1 Waarom is water zo belangrijk? ...................................................................... 11 2.2 Waar en hoe komt water in de natuur voor? ................................................... 11 2.3 Bestaat zuiver water? ...................................................................................... 15 2.3.1 Zeven ........................................................................................................ 15 2.3.2 Chromatografie ......................................................................................... 16 2.3.3 Filtreren..................................................................................................... 16 2.3.4 Indampen .................................................................................................. 17 2.3.5 Adsorptie................................................................................................... 18 2.3.6 Destillatie .................................................................................................. 19 2.3.7 Gefractioneerde destillatie ........................................................................ 20 2.3.8 Extractie .................................................................................................... 21 2.3.9 Decanteren ............................................................................................... 21 Hoofdstuk 3: vlammen en explosies ......................................................................... 23 3.1 Chemische energie ......................................................................................... 23 3.2 Exo-energetische reacties ............................................................................... 24 3.3 Endo-energetische reacties............................................................................. 24
3.4 Oxidatie ........................................................................................................... 25 3.5 Steenkool, aardgas en biogas ......................................................................... 26 3.6 Barbecue ......................................................................................................... 28 Hoofdstuk 4: stoffen en reacties ............................................................................... 31 4.1 Alchemie ......................................................................................................... 31 4.2 Keukenchemie ................................................................................................ 32 4.3 Enkelvoudige en samengestelde stoffen ......................................................... 32 4.4 Atomen ............................................................................................................ 33 4.5 Atoomsoorten worden symbolen ..................................................................... 35 4.6 Elementen in het gelid ..................................................................................... 35 4.7 Enkelvoudige stoffen ....................................................................................... 36 4.7.1 Niet-metalen ............................................................................................. 36 4.7.2 Metalen ..................................................................................................... 38 4.7.3 Edelgassen ............................................................................................... 40 4.8 Samengestelde stoffen.................................................................................... 42 Hoofdstuk 5: moleculen en atomen .......................................................................... 44 5.1 Inleiding ........................................................................................................... 44 5.2 Het chemisch tekenschrift ............................................................................... 44 5.3 Het chemisch tekenschrift voor de voorstelling van een zuivere stof .............. 45 5.3.1 De brutoformule van enkelvoudige stoffen: Ex .......................................... 45 5.3.2 De brutoformule van samengestelde stoffen, ExE’y .................................. 46 5.4 Nog enkele opmerkingen ................................................................................ 47 5.4.1 Typische brutoformules............................................................................. 47 5.4.2 Meerdere moleculen ................................................................................. 47 5.4.3 Volgorde van de symbolen ....................................................................... 47 Hoofdstuk 6: reactievergelijkingen ............................................................................ 49 6.1 Reactievergelijking .......................................................................................... 49
6.2 Enkele opmerkingen ....................................................................................... 52 6.2.1 Plaats ........................................................................................................ 52 6.2.2 Voorgetallen.............................................................................................. 52 6.2.3 Wiskunde versus chemie .......................................................................... 52 Hoofdstuk 7: redoxreacties ....................................................................................... 56 7.1 Lucht ............................................................................................................... 56 7.2 Roest ............................................................................................................... 56
Hoofdstuk 1: stoffen en mengsels 1.1 Wetenschappelijk onderzoek Pasgeboren baby’s ervaren onmiddellijk een nieuwe omgeving: de huid is gevoelig voor warm en koud, alles wat voorbij komt, wordt betast, de baby reageert op geluiden, proeft moedermelk en begint na een paar weken te zien, … Door in wisselwerking te treden met de omgeving, leert een baby inzicht krijgen in wat hem of haar omringt. Een belangrijk onderdeel hiervan is de natuur. Van kleins af aan leer je de natuur kennen door kennis te maken met natuurverschijnselen allerhande: als je valt, doe je je pijn, een blokje kan van je blokkentoren vallen, lammetjes in de wei worden schapen, zaadjes worden bloemen, elk jaar verliezen de bomen hun bladeren, maar elk jaar opnieuw groeien die bladeren terug, je moeder of vader bakt soms pannenkoeken of brood, … De studie van deze natuurverschijnselen kunnen we onderverdelen in drie grote domeinen: biologie, chemie en fysica. Biologie = ..................................................................................................................... ..................................................................................................................................... Chemie = ..................................................................................................................... ..................................................................................................................................... Fysica = ....................................................................................................................... ..................................................................................................................................... Onderlijn in de opsomming hierboven de biologische verschijnselen in groen, de chemische verschijnselen in rood en de fysische verschijnselen in blauw. Dit jaar gaan we ons op de chemische tak van de wetenschappen toeleggen. Weet je ook een ander woord voor chemie? ............................................................................ Er is geen verschil tussen deze twee termen. Het zijn synoniemen, maar toch gebruiken we beter de term chemie. Weet je waarom? ............................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... Bovendien gebruiken we in andere talen ook meestal een afgeleide term van chemie: chimie (Frans), chemistry (Engels), Chemie (Duits), chimica (Italiaans), …
Chemie 3/1
1
1.2 Kunnen we het stellen zonder chemie? Chemie kan zowel ten goede als ten kwade worden toegepast. In veel sectoren van de huidige samenleving is chemie een noodzakelijk goed/kwaad. Geef enkele voorbeelden van chemie uit het dagelijkse leven. •
.............................................................................................................................
•
.............................................................................................................................
•
.............................................................................................................................
•
.............................................................................................................................
•
.............................................................................................................................
1.3 Het experiment 1. Jantje giet wat vloeistof in een fles met een andere vloeistof. Er ontstaat meteen een hevige reactie met warmteontwikkeling en de fles barst open. De spatten op zijn broek terecht. Pas ’s avonds merkt hij de gaten. 2. “Zou dit bloemsuiker of zout zijn?” dacht Nicole, en ze proefde eens van het witte poeder. De rest van de dag was ze misselijk door de bijzonder bittere smaak. De dokter liet haar zo vlug mogelijk een tegengif nemen. 3. Peter wou van het experiment met natrium en water niets missen, maar de veiligheidsbril bleef in zijn zak zitten. Ellendig lang moest hij met de ogen onder de kraan hangen. 4. Annabel merkte niet dat haar mouw boven de bunsenvlam vuur vatte. Gelukkig lag er een branddeken klaar. 5. Kim las aandachtig de richtlijnen voor een proef toen hij een hete vloeistof uit een reageerbuis in zijn gezicht kreeg. De klasgenoten die naast hem aan het werk waren, hadden de reageerbuis wat te hevig verhit, zodat de inhoud eruit vloog, net in zijn richting. 6. Nieuwsgierig plaatste Marie haar neus boven de pas geopende fles en snoof de damp op. Een dag later had ze nog hoofdpijn. Schrijf de belangrijkste afspraken waaraan je je altijd moet houden hieronder op en vergeet ze nooit meer! •
............................................................................................................................. .............................................................................................................................
•
.............................................................................................................................
Chemie 3/1
2
............................................................................................................................. •
............................................................................................................................. .............................................................................................................................
•
............................................................................................................................. .............................................................................................................................
•
............................................................................................................................. .............................................................................................................................
•
............................................................................................................................. .............................................................................................................................
Bij practica of demonstraties in de lessen chemie wordt vaak gebruik gemaakt van laboratoriummateriaal. In dit practicum maken we kennis met de verschillende soorten materiaal en leren we de juiste benaming.
OPDRACHT 1: MATERIAALKENNIS
Plaats de juiste benaming bij elke afbeelding. balans
horlogeglas
reageerbuisrek
Verwarmingsplaat
bekerglas
klem
scheitrechter
volumepipet
bunsenbrander
maatcilinder
smeltkroesje
pipetpomp
buret
maatkolf
spatel
zuigpeer
draadnet
mortier en stamper
statief
borstel
driepikkel
pipet
trechter
roerstaafje
erlenmeyer
reageerbuis
veiligheidsbril
kroesjestang
OEFENING
1. Waarom proef je niet onmiddellijk aan een onbekende stof om ze te herkennen? 2. Je zou een onbekende vloeistof in een reageerbuis kunnen schudden door de duim op de opening te drukken en flink te schudden. Geef twee redenen waarom je dit niet zal doen.
Chemie 3/1
3
Chemie 3/1
4
Chemie 3/1
5
1.4 Stoffen herkennen Benoem vier voorwerpen die je om je heen ziet. ......................................................... ..................................................................................................................................... Voorwerpen worden gekenmerkt door een vorm, een functie en samenstellende stoffen. Voorwerp
Vorm
Functie
Samenstellende stof(fen)
Stoffen = ...................................................................................................................... ..................................................................................................................................... Uit de stof ijzer kunnen we verschillende voorwerpen maken: .................................... ..................................................................................................................................... Uiteraard is het moeilijker om voorwerpen te maken uit stoffen die op kamertemperatuur gasvormig of vloeibaar zijn. Bijvoorbeeld: ..................................... ..................................................................................................................................... Om stoffen te herkennen maak je gebruik van hun eigenschappen. Waarop steun je bijvoorbeeld om keukenzout, suiker, dijood, zinkmetaal, water, alcohol, ether en kwikmetaal van elkaar te onderscheiden? ................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... Hoe komt het dat je kwik en zink niet met elkaar verwart? .......................................... ..................................................................................................................................... Hoe onderscheid je ijzer van zink? .............................................................................. .....................................................................................................................................
Chemie 3/1
6
Hoe onderscheid je zout en suiker? ............................................................................ ..................................................................................................................................... En hoe onderscheid je water van ethanol (alcohol) als je neus verstopt zit door een verkoudheid? ............................................................................................................... ..................................................................................................................................... Intuïtief maak je gebruik van een hele reeks stofeigenschappen om stoffen te herkennen: kleur, hardheid, smaak, kookpunt, breekbaarheid, … Dit zijn fysische eigenschappen. De wetenschap maakt gebruik van dezelfde gegevens om stoffen ondubbelzinnig te definiëren. Als je boter zacht verhit, smelt ze: de gesmolten boter smaakt nog altijd naar boter. Smeltpunt is een fysische eigenschap. Als je boter blijft verhitten, wordt ze bruin en tenslotte zwart. Dat is geen boter meer! Zowel het smelten als het bruin worden van boter, noemt men een verschijnsel, omdat er in beide gevallen iets verandert, iets wijzigt. Na een fysisch verschijnsel kun je steeds terugkeren naar de begintoestand, na een chemisch verschijnsel is dit niet meer mogelijk. Denk aan de boter: gesmolten boter kunnen we terug hard laten worden, maar bruin geworden boter, kunnen we niet meer naar gewone boter laten terugkeren. Wat is een fysisch verschijnsel? .................................................................................. ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... Wat is een chemisch verschijnsel? .............................................................................. ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... Geef een ander woord voor ‘chemisch verschijnsel’. ...................................................
OPDRACHT 2: CHEMISCHE REACTIE
Neem een koperen plaatje en maak één zijde van het plaatje vetvrij met een watje met aceton. Maak met nagellak een tekening op het plaatje en laat drogen. Los intussen een kleine hoeveelheid ijzertrichloride op in wat warm water. Welk kleur krijgt deze vloeistof? .................................................................................................... Giet de ijzertrichloride-oplossing in een schaal en leg het koperen plaatje erin. Wat gebeurt er? ........................................................................................................... .....................................................................................................................................
Chemie 3/1
7
Na verloop van tijd haal je het plaatje uit de bak. Doe dit met een pincet. Spoel het plaatje af onder de kraan. Verwijder de nagellak met aceton. Wat zie je? ............................................................ OEFENING
3. Wat bedoelen we als we zeggen: lood is zwaarder dan ijzer? 1.5 Mengsels Bekijk een aantal stoffen in de reageerbuisjes die vooraan staan: -
reageerbuis 1: een mengsel van zand en water
-
reageerbuis 2: zeewater
-
reageerbuis 3: gedemineraliseerd water
-
reageerbuis 4: een mengsel van keukenolie en water
-
reageerbuis 5: kalkmelk (een mengsel van kalk en water)
Welke reageerbuisjes bevatten mengsels? ................................................................. Waarom denk je dat hierin mengsels zitten? ............................................................... ..................................................................................................................................... Kan je verschillende componenten onderscheiden, dan spreken we van een heterogeen mengsel. Kalkmelk is een heterogeen mengsel van een vaste stof met een vloeistof. We spreken van een .............................................................................. Anijshoudende dranken zoals Pastis en Pernod worden troebel door toevoegen van water. Dat komt omdat de fles een oplossing bevat van anijsolie-extract in 40% alcohol en 60% water. Bij een lager alcoholgehalte vormt de anijsolie minuscule druppeltjes die in het water-alcohol-mengsel blijven zweven: er
ontstaat
een
suspensie.
Bij
lagere
temperatuur lost de anijsolie zelfs niet op in 40% alcohol; in de koelkast wordt de inhoud van de fles troebel.
OPDRACHT 3: GELIJKAARDIGE STOFFEN ONDERSCHEIDEN
Breng van drie zouten uit de zee (natriumchloride, kaliumbromide en natriumjodide) telkens in een aparte reageerbuis ongeveer een halve koffielepel. Voeg gedestilleerd water toe tot het niveau in elk reageerbuisje ongeveer 2 cm boven de bodem reikt.
Chemie 3/1
8
Als je schudt, bekom je driemaal een kleurloze oplossing. Voeg bij elke oplossing nu een drietal druppeltjes zilvernitraatoplossing. Wat zie je? ............................................ Dit noemen we een ......................................................................................................
OPDRACHT 4: MENGSEL I
Schud wat water met fijn krijtpoeder. Wat zie je? ........................................................ ..................................................................................................................................... Dit is een ......................................................................................................................
OPDRACHT 5: MENGSEL II
Doe enkele dijoodkristalletjes in een kleine maatbeker gevuld met water. Wat zie je? ..................................................................................................................................... Breng nu een dijoodkristalletje over in wat ethanol. Wat merk je nu? .......................... ..................................................................................................................................... Herken je deze kleur? .................................................................................................. .....................................................................................................................................
Olie blijft boven water drijven. Die twee stoffen lossen niet op in elkaar. Als je een reageerbuisje met water en olie heftig schudt, krijg je tijdelijk een troebel geheel. Kleine oliedruppeltjes zijn overal verspreid in het water. Dit is een ............................. Mayonaise is strikt genomen een mengsel van water en olie. Maar toch lijkt mayonaise niet op het mengsel dat we maken door water en olie te mengen met elkaar. Hoe komt dat? .................................................................................................. ..................................................................................................................................... Dit noemen we een emulgator. Wat is de functie van een emulgator? ........................ ..................................................................................................................................... Wat denk je van zeewater? Kun je de samenstellende componenten zien? ............... We spreken van een .................................................................................................... Als je zelfs met een microscoop niet kan merken dat een mengsel bestaat uit verschillende bestanddelen, noemt men het mengsel een homogeen mengsel. Opgelet: een oplossing kan ook gekleurd zijn. Blauwe kopersulfaatkristallen vormen bijvoorbeeld een lichtblauwe oplossing in water. Als we daar een ammoniakoplossing aan toevoegen, wordt de kleur veel donkerder.
Chemie 3/1
9
Zeewater is een oplossing en dus een homogeen mengsel, maar moet een oplossing per definitie vloeibaar zijn? Kan lucht ook een homogeen mengsel zijn? .................... ..................................................................................................................................... Keer terug naar de reageerbuizen. Zie je een verschil tussen reageerbuis 3 en reageerbuis 2? ............................................................................................................. Als we beide reageerbuizen uitkoken, merken we wel een verschil: welk? ................. ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... Zeewater is een homogeen mengsel, gedemineraliseerd water is een ....................... Wat ontstaat er als een stof niet goed oplosbaar is? ................................................... Wat ontstaat er als een stof wel goed oplosbaar is? ................................................... MATERIE
……………………..
………………………………….
……………………..
……………………..
bv. ………………….
……………………..
……………………..
bv. ………………….
bv. ………………
OEFENINGEN
4. Hoe deelt men de materie in? 5. Beschrijf de samenstelling van gedemineraliseerd water, zeewater, spuitwater, chocolademelk. 6. Rangschik de volgende materies als zuivere stof, homogeen of heterogeen mengsel: wijn, boter, fruitsap, spuitwater, melk, keukenzout. 7. Kippensoep is een oplossing, een suspensie en een emulsie. Leg uit.
Chemie 3/1
10
Hoofdstuk 2: water 2.1 Waarom is water zo belangrijk? Alle leven op aarde is afhankelijk van water. Weet je waartoe water in ons lichaam dient? ........................................................................................................................... ..................................................................................................................................... Elke dag verwijdert je lichaam ongeveer 2,5 liter ‘gebruikt’ water. Via welke wegen gebeurt dit? .................................................................................................................. De voorraad aan water in je lichaam moet je dus elke dag aanvullen door te eten en te drinken. Waarvoor gebruik je dagelijks water? .......................................................................... ..................................................................................................................................... Dagelijks gebruiken we per persoon ongeveer 150 liter water. Zeven liter water per dag voor drank en voedselbereiding. Het huishoudelijk verbruik loopt veel hoger op: sanitair: 30 liter, wassen en baden: 30 liter, vaatwasser: 15 liter, wassen van kleding: 20 liter en schoonmaak: 10 liter. Niet alleen door huishoudens wordt water verbruikt. Welke segmenten van onze maatschappij verbruiken ook water? Probeer er vier op te sommen: -
...............................................................................................................................
-
...............................................................................................................................
-
...............................................................................................................................
-
...............................................................................................................................
Sommige bedrijven gebruiken zoveel water als alle inwoners van Brussel samen! De kerncentrale van Doel gebruikt bijvoorbeeld 90 000 000 liter koelwater per uur. Dat verklaart ook waarom veel bedrijven zich naast waterlopen vestigen. 2.2 Waar en hoe komt water in de natuur voor? Als je een foto van onze aarde bekijkt, welk kleur heeft die dan? ................................ Hoe komt dat? ............................................................................................................. Ondanks al dat water is het vaak moeilijk om zoet water te vinden. Dit komt omdat het grootste deel van het aanwezige water, het zoute water van de oceanen is. Van alle water op aarde is maar 2,78% zoet water en slechts een klein deel daarvan is bereikbaar. Veel water zit diep onder de grond of is bevroren in de ijskappen van de noord- en zuidpool.
Chemie 3/1
11
Plaats
Volume%
Atmosfeer (waterdamp)
0,0010
Oceanen en zeeën
97,2120
IJskappen en gletsjers
2,1500
Oppervlaktewater Zoetwatermeren
0,0090
Zoutwatermeren en binnenzeeën
0,0080
Rivieren
0,0001
Ondergronds water In verzadigde zone (bodemvocht)
0,0050
Ondiep grondwater (tot 800 meter)
0,3070
Diep grondwater (800 m – 5 km)
0,3070
Water staat niet stil. Soms beweegt het water zo langzaam dat je het nauwelijks of niet merkt. Water beweegt voortdurend en trekt doorheen een bepaalde kringloop. Die kringloop noemen we de watercyclus of waterkringloop.
OPDRACHT 6: WATERCYCLUS
Benodigdheden: water, aarde, knikker, grote bak, kleine kom, zware steen, plastic huishoudfolie, plakband, emmer. -
Plaats de kleine kom in het midden van de grote. Leg vervolgens een zware steen op de bodem van de kleine kom.
-
Vul je emmer met water en voeg er wat aarde aan toe zodat je een modderige brij krijgt.
-
Giet deze modderige brij in de grote bak. Zorg er voor dat er geen modder in de kleine kom terechtkomt. Als je kleine kom gaat drijven, moet je er extra gewicht in leggen (zware steen).
Chemie 3/1
12
-
Span over de bovenkant van de grote bak plastic huishoudfolie. Eventueel kun je dit vastmaken met plakband.
-
Leg je knikker bovenop de plasticfolie en net boven de kleine kom.
-
Plaats de bak op een zonnige plaats.
Wat neem je waar? ...................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... .....................................................................................................................................
Water komt niet steeds in de hoedanigheid van water voor. Onder welke vorm vinden we nog water in de natuur? ......................................................................................... Die verschillende vormen noemen we aggregatietoestanden. Niettegenstaande de eigenschappen van water in deze drie aggregatietoestanden erg verschillen, gaat het toch steeds om dezelfde stof. Dat komt doordat in elk van die drie toestanden de kleinste deeltjes water dezelfde zijn. Die kleinste deeltjes noemen we moleculen. Watermoleculen zijn zo klein dat je ze onmogelijk kunt zien. Toch zullen we proberen een voorstelling van een molecule te maken. Water is te beschouwen als een verzameling van watermoleculen. Een druppel water bevat ongeveer 1021 moleculen. In de gastoestand vliegen de moleculen snel en chaotisch op relatief grote afstand van elkaar. In een vloeistof rollen de moleculen wanordelijk over elkaar. In de vaste toestand bevinden de moleculen zich dicht bijeen en trillen ze rond vaste punten. Probeer dit hieronder voor te stellen.
Gas
Vloeistof
Vast
Elke stof kan in principe de drie aggregatietoestanden aannemen. Je kunt steeds overgaan van de ene aggregatietoestand naar de andere: Chemie 3/1
13
OPDRACHT 7: HET REGENT
Benodigdheden: fles, warm water, ijsblokjes. -
Vul de fles met warm water.
-
Laat de fles vijf minuten staan en giet vervolgens het meeste water uit de fles.
-
Leg de ijsblokjes op de hals van de fles.
Wat neem je waar? ...................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... .....................................................................................................................................
Vrijwel dagelijks zie je wolken voorbijschuiven. De waterdamp is hier gecondenseerd tot kleine druppels. Als deze kleine druppels gaan samensmelten worden ze groter en regent het. Je kan dit verschijnsel ook zien bij koud en vochtig weer wanneer je uitademt.
OPDRACHT 8: CONDENSATIE
Benodigdheden: fles, water, ijs en grenadine. -
Vul de fles met water, ijsblokjes en een klein beetje grenadine.
-
Meng alles goed.
Wat neem je waar? ...................................................................................................... ..................................................................................................................................... Hoe weet je zeker dat dit water niet uit de fles komt? .................................................. .....................................................................................................................................
OEFENING
8. Water is nat, een molecule niet. Hoe kun je dit verklaren? Chemie 3/1
14
2.3 Bestaat zuiver water? Bekijk de drie glazen water die op tafel staan. In één glas zit leidingwater, in één glas zit zeewater en in één glas zit regenwater. Kun je de juiste soorten water aan de juiste glazen toewijzen? ............................................................................................... Hoe kun je uitmaken welk water in welk glas zit? ........................................................
OPDRACHT 9: ZEEWATER VERSUS REGENWATER
In een reageerbuis verwarm je voorzichtig wat zeewater tot de reageerbuis volledig droog is. Wat zie je? .................................................................................................... Herhaal bovenstaand experiment, eerst met regenwater, daarna met leidingwater. Wat merk je nu? .......................................................................................................... ..................................................................................................................................... Wat is het verschil tussen leidingwater, zeewater en regenwater? .............................. ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... Afhankelijk van welke stof opgelost is in water, spreken we van suikerwater, zout water, kalkwater, … De stof waarin we iets oplossen, noemen we het oplosmiddel. Water is het meest gebruikt oplosmiddel. De stof die we oplossen in het oplosmiddel, noemen we de opgeloste stof. Meestal is het gemakkelijker om stoffen te mengen dan om ze te scheiden. In wat volgt gaan we enkele scheidingstechnieken zien. 2.3.1 Zeven Iedereen heeft vroeger op het strand wel met een zeef gespeeld. Wat scheiden kinderen op het strand? ............................................................................................... Als je een taart wil bakken, zeef je doorgaans eerst de bloem. Waarom doe je dat? ... ..................................................................................................................................... Hoe zou je zeven definiëren? ...................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... Welke mengsels kun je zeven? .................................................................................. .....................................................................................................................................
Chemie 3/1
15
2.3.2 Chromatografie OPDRACHT 10: CHROMATOGRAFIE
Vraag 5 ml aceton aan de leerkracht. Pipetteer de aceton met een zuigpipet in de maatbeker. Meet 25 ml gedemineraliseerd water in een maatcilinder. Voeg het water bij de aceton in een maatbeker van 400 ml. Knip uit filtreerpapier langwerpige strookjes van 2 cm breed. Zorg ervoor dat ze langer zijn dan de maatbeker. Plooi de strookjes een centimeter om, zodat je ze over de rand van de maatbeker kunt hangen. Plaats op een eerste strookje een dikke stip met de zwarte viltstift. Kies de plaats van de stip zodanig dat hij bij onderdompeling ongeveer 1 cm boven het oppervlak van de oplossing uitsteekt. Controleer dit door het strookje aan de buitenkant van de maatbeker te houden, zodat het strookje voorlopig nog droog blijft. Breng op een gelijkaardige manier op andere stroken stippen aan met andere kleuren viltstift. Dompel de onderkant van de repen in de oplossing en bevestig ze met de omgeplooide boord aan de beker. Als je goed gewerkt hebt, moeten de stippen een centimeter boven de vloeistofrand komen. Wat neem je waar? Wat kun je besluiten? Maak van dit proefje een leerlingenverslag.
Chromatografie is ........................................................................................................ ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... 2.3.3 Filtreren Meng in een reageerbuis een mespunt zand en ongeveer evenveel zout. Vul de reageerbuis voor de helft met zuiver water en schud. Hoe kun je het zout water nu van het zand scheiden? ............................................................................................... Hoe noemen we het zand dat op de filter achterblijft? ................................................. Het zoute water dat door het filtreerpapier loopt, is het ...............................................
Chemie 3/1
16
Filtreren is een scheidingsmethode die gebaseerd is op korrelgrootte. De zandkorreltjes zijn te groot om door de kleine poriën van het filtreerpapier te kunnen, waardoor ze achterblijven op de filter.
2.3.4 Indampen Ook het zoute water van het bovenstaand voorbeeld kunnen we nog verder scheiden. Als je het water laat verdampen, hou je enkel nog zout over. Deze scheidingsmethode noemen we indampen. zout + zand
FILTRATIE
……………………..
………………………………….
INDAMPEN
………….…………………….. Stel watermoleculen voor door blauwe bolletjes, zandmoleculen door gele bolletjes en zoutmoleculen door groene bolletjes. Teken op die manier het mengsel van zout water met zand. Dergelijke voorstelling noemen we een corpusculaire voorstelling. Opgelet: we gebruiken hier verschillende kleuren, maar moleculen zijn in werkelijkheid kleurloos! Verder in de cursus zullen we zien wat de werkelijke verschillen zijn tussen de verschillende deeltjes.
Chemie 3/1
17
De zanddeeltjes blijven zichtbaar. Er ontstaat dus een ............................................... Hoe kun je het filtreren van de suspensie corpusculair voorstellen?
En het scheiden van de zoutoplossing door indampen?
Het scheiden van een mengsel in zuivere stoffen komt dus neer op het sorteren van moleculen. Een zuivere stof kan je niet scheiden in verschillende stoffen omdat ze maar één soort moleculen bevat. In werkelijkheid zijn stoffen praktisch nooit volledig zuiver. Volgens de zuiverheidsgraad wordt in laboratoria onderscheid gemaakt tussen zuivere, zeer zuivere en hyperzuivere stoffen. Uiteraard uit zich dit in kostprijs: in de winkel kost 1 kg keukenzout (99% zuiver) 0,25 euro. Natriumchloride dat 99,9% zuiver is komt ongeveer op 15 euro per kilogram en zeer zuiver natriumchloride (99,99%) op zo’n 600 euro. 2.3.5 Adsorptie Los een mespunt inkt op in water. Schud met actieve kool en filtreer. Wat neem je waar? ...................................................................................................... Wat is er met de kleurstof gebeurd? ............................................................................ .....................................................................................................................................
Chemie 3/1
18
Adsorptie (met actieve kool) wordt toegepast bij gasmaskers, drinkwaterwinning, aquariumfilters, geurvreters in schoenen, … Een tube actieve kool zou tevens in elke huisapotheek aanwezig moeten zijn, want bij vergiftiging kan het het gif adsorberen. Let op: adsorptie is niet hetzelfde als absorptie. Adsorptie is een fenomeen dat optreedt aan het grensvlak van twee fasen: vloeistof-vast, vloeistof-vloeistof, vastvloeistof of vast-gas. Bij adsorptie hechten deeltjes van een gas of vloeistof zich aan het oppervlak van een vaste stof of vloeistof en bedekken deze daardoor met een laagje. Bij absorptie gaat het effectief om een opname van de ene stof in de andere. 2.3.6 Destillatie Waarom kun je zeewater niet scheiden door te filtreren? ............................................. ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... Wereldwijd is veel meer zout dan zoet water te vinden.
Zoet water uit België in ruil voor gas uit Qatar De Standaard, 19 januari 2011 GASBEDRIJF FLUXYS
EN WATERLEVERANCIER TMVW BEKIJKEN OF GASTANKERS OOK GESCHIKT ZIJN VOOR HET VERVOER VAN ZOET WATER.
De gastankers, die voor gasnetbeheerder Fluxys in Zeebrugge komen leveren, zullen in hun ballasttanks zoet Belgisch water meenemen op hun terugreis naar Qatar. Dat heeft Fluxys-voorzitter Daniël Termont gisteren in De Morgen gezegd. Daarvoor moet wel een groot reservoir voor zoet water worden gebouwd in de voorhaven van Zeebrugge. Deze tank komt dan naast vier bestaande grote opslagtanks voor vloeibaar gas. De schatrijke golfstaat Qatar is uitermate geïnteresseerd in het plan van de Belgen. De vraag naar zoet water in de zeer woestijnachtige golfstaat neemt almaar toe. Vandaag wordt zoet water gemaakt door zoet water te ontzilten. Dat is echter zeer duur en zeer energie-intensief. De Belgische gasnetbeheerder Fluxys en het intergemeentelijk waterbedrijf TMVW, dat zijn hoofdzetel heeft in Gent, de thuisstad van Termont, hebben naar verluidt al heel wat studiewerk gestoken in het plan. De voorbereiding staat blijkbaar ver genoeg. Fluxys en de Qatarese overheid ondertekenen begin februari al een principeakkoord. Voor drinkwaterwinning zijn sommige landen dan ook aangewezen op dit zoute water. Ontziltingsinstallaties zijn dan van levensbelang. Het meest aangewende procedé is een destillatieproces. Het gedestilleerde water is echter zo smaak- en zoutloos dat men nadien meestal wat zout toevoegt om het lekkerder te maken.
Chemie 3/1
19
Naast destilleren kan gewoon indampen ook voor drinkwater zorgen. De waterdamp wordt dan echter opgevangen en afgekoeld tot drinkbaar water.
OPDRACHT 11: DESTILLATIE
Breng zeewater met kleurstof in de kolf. Voeg een kooksteentje toe. Bevestig de koelwaterslangen aan de liebigkoeler en laat het koelwater zachtjes stromen. Verwarm het water in de kolf tot het kookt. Het gezuiverde water dat in de erlenmeyer druppelt, is het .........................................
2.3.7 Gefractioneerde destillatie Voor de scheiding van een mengsel van vloeistoffen wordt ook een soort destillatie aangewend als de kookpunten ver genoeg van elkaar verwijderd zijn. We spreken dan van gefractioneerde destillatie. Bij een bepaalde temperatuur zullen alle vloeistoffen waarvan het kookpunt overschreden is, verdampen. De andere
stoffen
blijven
achter.
Door
de
temperatuur telkens op te drijven, kunnen telkens andere fracties verkregen
worden.
Benzine en kerosine zijn twee voorbeelden van fracties die verkregen worden na het gefractioneerd destilleren van aardolie.
Chemie 3/1
20
2.3.8 Extractie In het dagelijks leven gebruik je voortdurend water. Hoe maak je bijvoorbeeld koffie? ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... Hoe noemen we dit proces chemisch? ........................................................................ Met wat wordt dit gecombineerd? ................................................................................ Koffiemaken is dus een combinatie van twee chemische processen! OPDRACHT 12: EXTRACTIE VAN AARDNOTENOLIE
Verbrijzel twee aardnoten in stukjes en breng die in een reageerbuis. Voeg enkele ml ether toe (maximaal 5 ml). Haal ether bij de leerkracht. Schud krachtig gedurende enkele seconden. Opgelet: sluit je reageerbuis af met je duim en let op voor spuiten door overdruk. Laat de stukjes aardnoot bezinken en schenk de vloeistof uit op een zuiver horlogeglas. Blaas horizontaal over het vloeistofoppervlak tot de ether volledig verdampt is. Er blijft een residu over van vet (vloeibaar en vast). Voer de vetvlektest uit: leg een beetje van dit vet op een stukje papier. Maak een leerlingenverslag van dit proefje.
Wat is extraheren? ....................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... Wat is in dit experiment het extractiemiddel? .............................................................. Wat is in dit experiment het extract? ............................................................................ 2.3.9 Decanteren OPDRACHT 13: ZAND EN WATER DECANTEREN DOOR AFGIETEN
Een mengsel van zand en water scheidt vanzelf in twee lagen zodra men het laat rusten: het zand bezinkt. De bovenste laag bestaat uit water en kun je voorzichtig afgieten. Dit proces noemen we .................................................................................. Hetzelfde kun je proberen te doen voor een mengsel van olie en water. In het laboratorium gebruikt men hiervoor een speciaal apparaat: een scheitrechter.
Chemie 3/1
21
OPDRACHT 14: SCHEITRECHTER
Maak een mengsel van olie en water en probeer beide stoffen van elkaar te scheiden door middel van een scheitrechter.
OEFENING
9. Je beschikt over 1 liter modderig rivierwater. Beschrijf hoe je kan nagaan hoeveel g opgeloste stof er aanwezig is. 10. Hoe verklaar je dat een oplossing van zout en water niet door filtratie kan gescheiden worden? 11. Verklaar waarom je bij het zetten van koffie de koffiebonen maalt. En waarom kook je het water?
Chemie 3/1
22
Hoofdstuk 3: vlammen en explosies 3.1 Chemische energie Maak een woordenwolk.
ONTPLOFFING
Explosies of ontploffingen hebben rechtstreeks te maken met energie. In de lessen fysica heb je reeds geleerd wat energie is: .................................................................. ..................................................................................................................................... Er bestaan vele vormen van energie: •
.............................................................................................................................
•
.............................................................................................................................
•
.............................................................................................................................
•
.............................................................................................................................
Vlammen bevatten energie: ......................................................................................... ..................................................................................................................................... Volgens de wet van behoud van energie kan energie nooit zomaar ontstaan of verdwijnen. Er kunnen zich enkel omzettingen voordoen van de ene energievorm naar de andere. Willen we bijvoorbeeld vuur of elektriciteit maken, dan moeten we vertrekken van een energiebron: ................................................................................. ..................................................................................................................................... Som zelf een aantal energiebronnen op. ..................................................................... ..................................................................................................................................... Chemische energie wordt tijdens chemische reacties vrijgemaakt uit energiebronnen.
Chemie 3/1
23
3.2 Exo-energetische reacties OPDRACHT 15: CHEMOLUMINESCENTIE
Chemoluminescentie betekent het uitstralen van licht tijdens een chemische reactie bij lage temperatuur (‘koud licht’). In een mengsel van 50 mg luminol opgelost in 1 ml dimethylsulfoxide, 50 ml water en 0,25
ml
waterstofperoxide,
laat
je
onder
aanhoudend
roeren
10
ml
natriumhypochlorietoplossing druppelen. Wat neem je waar? ...................................................................................................... ..................................................................................................................................... Geef het waarnemingsschema. ................................................................................... ..................................................................................................................................... Welke vorm van energie komt tijdens dit experiment vrij? ........................................... .....................................................................................................................................
Chemoluminescerende reacties worden gebruikt in allerlei gadgets. Zo verkopen winkels voor auto-accessoires light-sticks, waarbij het breken van een ingesloten ampul ervoor zorgt dat twee stoffen gemengd worden. De reactie maakt gedurende een half uur licht vrij. Dit is zeer handig om ‘s nachts een lekke band te verwisselen of een ongeval te signaleren. Hoe noemen we reacties waarbij energie onder één of andere vorm vrijkomt? .......... ..................................................................................................................................... 3.3 Endo-energetische reacties Sommige chemische reacties kunnen enkel optreden als je aan de uitgangsstoffen energie toevoegt. Dit zijn ............................................................................................. De energie die door exo-energetische reacties wordt vrijgemaakt, kun je gebruiken om endo-energetische reacties te laten doorgaan.
OPDRACHT 16: WATER BEVRIEZEN
Zet een kristalliseerschaal met een beetje water op een isolerend blokje en dompel een beker van 50 ml in het water. Meng in de beker 20 g kristallen gehydrateerd bariumhydroxide (Ba(OH)2) en 10 g vast ammoniumchloride (NH4Cl). Beide stoffen zijn giftig, zodat je ze niet met de vingers mag aanraken. Geef het waarnemingsschema. ................................................................................... ..................................................................................................................................... Chemie 3/1
24
Geef het reactieschema. .............................................................................................. ..................................................................................................................................... Geef de elementvergelijking. ....................................................................................... 3.4 Oxidatie Stel hieronder zelf een plan voor om de school in brand te steken. Wat zul je allemaal nodig hebben? ............................................................................................................. ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... Je ziet: om energie te produceren (vuur om de school in brand te steken) heb je energiebronnen nodig! Dit is een toepassing van de wet van behoud van energie. Wat heb je nodig om verbranding uit te voeren? Probeer deze drie zaken te achterhalen door zelf wat dingen voor de geest te halen die je gaat verbranden. Welke drie noodzakelijke voorwerpen keren steeds terug? -
...........................................................................................................................
-
...........................................................................................................................
-
...........................................................................................................................
Welk soort reactie is een verbrandingsreactie? ........................................................... Wat kun je allemaal verbranden? Geef enkele voorbeelden. ...................................... ..................................................................................................................................... Zijn dit enkelvoudige of samengestelde stoffen? ......................................................... Bij elke verbrandingsreactie voegen we zuurstof toe. Hoe noem je de reactie van een stof met zuurstof? ........................................................................................................ Het element van de enkelvoudige stof verbindt zich met het element zuurstof. Daarbij wordt een oxide gevormd. De reactie noemen we een oxidatie. Hoe stel je dit algemeen voor? .................................................................................... Dit noemen we een reactiepatroon. OEFENING
12. Is de ontploffing van dynamiet een endo- of exo-energetische reactie. Verklaar. 13. Roosteren van vlees is een endo-energetische reactie? Juist of vals? Verklaar. 14. Water is een mengsel van waterstofgas en zuurstofgas. Juist of vals? Verklaar.
Chemie 3/1
25
3.5 Steenkool, aardgas en biogas Wat zijn enkelvoudige stoffen? .................................................................................... ..................................................................................................................................... Wat zijn samengestelde stoffen? ................................................................................. ..................................................................................................................................... Lees onderstaande tekst (uit Chemie in contexten 1.2, uitgeverij DeBoeck, bladzijde 83 e.v.) en beantwoord de vraagjes.
Rond 1800 komt men onder meer in Engeland tot de vaststelling dat steenkool een samenstelling bezit die vergelijkbaar is met die van hout, doch veel rijker is aan nuttige stoffen. In cokesfabrieken ontstaan door verhitting van steenkool zonder toevoer van lucht volgende componenten: brandbare gassen (bruikbaar voor verlichting en
- 1ste fractie: verwarming) - 2de fractie: ammoniak (bruikbaar voor de bereiding van meststoffen) - 3de fractie: teer, bestaande uit een mengsel van honderden organische stoffen - residu: cokes, die bijna uitsluitend de enkelvoudige stof kool bevat (bruikbaar als waardevolle brandstof en als uitgangsstof bij de bereiding van ruw ijzermetaal uit ijzererts). De productie van de derde fractie heeft in de 19e eeuw in belangrijke mate bijgedragen tot de ontwikkeling van de organische chemie. Teer leverde de nodige grondstoffen om synthetische textielkleurstoffen te bereiden. De vrijstelling van brandbare gassen uit steenkool in de cokesfabrieken heeft sterk bijgedragen tot de industriële revolutie. In het begin van de 19e eeuw wordt steenkoolgas voor het eerst in Engeland gebruikt voor het verlichten van huizen, waarna alle grote Europese steden geleidelijk een net van gasleidingen uitbouwen om hun straten te verlichten. Vandaar dat er ook gesproken wordt van lichtgas. Rond diezelfde periode verwerven wetenschappers steeds meer inzicht in elektrische verschijnselen. De uitvinding van de gloeilamp door de Amerikaan Thomas Edison in 1879 veroorzaakt een ommekeer in de verlichtingsmethoden van huizen en steden. Het lichtgas blijft echter nog vele decennia in gebruik voor verwarming en in de keuken. Uit de samenstelling blijkt nochtans dat het zeer Chemie 3/1
26
giftig is. Lichtgas is een mengsel van ondermeer waterstofgas, methaan en het zeer giftige koolstofmonoxide. Bij inademen verbindt koolstofmonoxide zich met de hemoglobine van de rode bloedlichaampjes, zodat deze niet meer in staat zijn om zuurstofgas in de longen op te nemen. Rond 1960 schakelt men over op aardgas. Dit is een natuurlijk gas dat hoofdzakelijk bestaat uit methaan en dat evenals ruwe aardolie over miljoenen jaar heen ontstaan is in de aardbodem, als gevolg van zeer langzame reacties tussen organische stoffen. Naast het feit dat aardgas niet giftig is heeft het als bijkomend voordeel dat het bij verbranding tweemaal meer warmte afgeeft dan eenzelfde volume steenkoolgas. Vermits de bronnen voor aardgas niet onuitputtelijk zijn, zoekt men thans naar andere middelen om methaan op grote schaal te bekomen. Een methode die veel aandacht krijgt, is de bereiding van biogas. Door gisting van organisch afval, zoals uitwerpselen van paarden of koeien ontstaat er een mengsel van hoofdzakelijk methaan en koolstofdioxide. Onder impuls van de UGent wordt er in de Gentse kanaalzone geëxperimenteerd met biogas: het DRANCOproces (DRoge ANaërobe COmpostering). Deze installatie maakt biogas door anaërobe (dit wil zeggen zonder aanwezigheid van lucht) gisting van groenten-, fruit- en tuinafval (GFT). De chemische energie van het biogas wordt vervolgens omgezet in elektrische energie. Per ton afval wordt zo 203 kWh elektriciteit geproduceerd. Het afval dat na de gisting overblijft wordt nuttig gebruikt als compost. Het DRANCOproces heeft verschillende voordelen: het voorkomt nutteloze opeenstapeling van afval, zorgt voor energie en compost. Samenstelling in vol%
Steenkoolgas
Aardgas
Waterstofgas (H2)
48,6
-
Methaan (CH4)
22,2
81,3
Stikstofgas (N2)
15,4
14,4
Koolstofmonoxide (CO)
8,1
-
Koolstofdioxide (CO2)
3,2
0,9
Andere koolwaterstoffen dan methaan
2,0
3,3
Zuurstofgas (O2)
0,5
0,1
Wat is het belangrijkste verschil op gebied van veiligheid voor de samenstelling van aardgas en steenkoolgas? ........................................................................................... .....................................................................................................................................
Chemie 3/1
27
Vergelijk de hoofdcomponenten van aardgas en steenkoolgas. .................................. ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... Stel de verbranding van waterstofgas voor met een elementvergelijking. ................... ..................................................................................................................................... Als we steenkool verbranden, krijgen we een gas dat kalkwater troebel maakt. Steenkool bestaat uit het element koolstof. Stel dit voor door middel van een elementvergelijking. ..................................................................................................... Welk oxide wordt hierbij gevormd? .............................................................................. Methaan is het hoofdbestanddeel van aardgas. Is dit een enkelvoudige stof of een samengestelde stof? ................................................................................................... ..................................................................................................................................... Uit welke atomen wordt methaan gevormd? ................................................................ Probeer de elementvergelijking op te stellen voor de verbranding van methaan. ..................................................................................................................................... De verbrandig van een samengestelde stof is een reactie met zuurstofgas waarbij verschillende oxides worden gevormd. Geef het reactiepatroon. ................................ ..................................................................................................................................... 3.6 Barbecue Lees onderstaande tekst over de barbecue (Explosief 3.2, uitgeverij DeBoeck, bladzijde 84 en volgende) en los de vraagjes op.
Binnen enkele maanden is het weer lente. Op een zonnig weekend wordt de barbecue voorbereid voor een gezellig tuinfeest. Wij opteren ervoor de houtskool aan te steken met milieuvriendelijke middelen: geen gasbrander, geen benzine, geen zips of andere brandbare stoffen die onaangename geuren verspreiden. Verfrommel krantenpapier tot een prop met een aantal niet-verfrommelde uiteinden waar lucht aan kan. Leg zo verschillende proppen naast elkaar. Leg een voorraad geschikt hout aan, te vinden in het bos of in de tuin. Het hout mag niet groen en levendig zijn, want dan is het vanbinnen niet droog: alleen dor hout zonder bladeren is geschikt. Na een regenbui is dor hout nat aan de buitenzijde. Dat kan hinderen, maar het stelt geen onoverkomelijk probleem. Dor hout plooit niet, maar breekt met een knakkend geluid. De voorraad moet bestaan uit dunne, middelmatige en dikke takken. Breek de middelmatige en dikke takken allemaal op ongeveer dezelfde lengte, zodat ze in piramidevorm gemakkelijk in de barbecue passen.
Chemie 3/1
28
Leg op de proppen papier eerst de kleine takjes, kriskras door elkaar. Laat daarbovenop de middelmatige en ten slotte de dikke takken, kruisgewijs of in piramidevorm. Belangrijk: plaats de takken nooit netjes naast en tegen elkaar; voor één keer is wanorde noodzakelijk. Breng nu tussen en op de dikke takken de gewenste hoeveelheid houtskool aan. De stukken hoeven niet klein te zijn: de beste houtskool bestaat uit dikke briketten, want die branden het langst. Als je genoeg briketten aabrengt, kan de barbecue vele uren branden. Om de vrije uiteinden van het krantenpapier in brand te steken heb je lucifers nodig. Nu brandt het papier. De losse stukken branden onmiddellijk op, maar het branden van de proppen gebeurt moeizamer en duurt langer. Gelukkig zijn de kleinste takjes in brand geraakt door het papier en zorgen de proppen ervoor dat de takjes almaar heviger branden. Er is veel rookontwikkeling. Als het hout nog wat nat is, ontstaat er ook stoom. Hopelijk blust dat het vuurtje niet, want dan moet je opnieuw wat verfrommeld papier aanbrengen. Geleidelijk aan branden nu ook de middelmatige en ten slotte de dikke takken. De vlammen zijn duidelijk zichtbaar. Ze steken boven het hout uit en raken aan het oppervlak van de houtskool. Na enkele minuten ontstaat op de hoeken van de briketten een wit poeder en wat later gloeit de houtskool. Als het houtvuur vermindert, zorg je ervoor dat de gloeiende houtskool dicht tegen elkaar wordt geduwd, zodat alle briketten in brand raken. Zolang het hout en de houtskool zichtbaar branden, kunnen er giftige stoffen vrijkomen, want hout en houtskool bevatten nog ander elementen dan koolstof; Vooraleer het vlees te roosteren, moet je dus wachten tot er geen vlammen meer zijn. Verspreid de gloeiende houtskool over de hele breedte van de barbecue, zodat de gloeiende briketten los verdeeld zijn. Leg de stukken rood vlees, die je vooraf ingestreken hebt met olijfolie, op een rooster. Het vlees mag de hotuskool niet raken om niet gecontamineerd te worden. Als de olijfolie in brand schiet, moet je het rooster even wegtrekken om te beletten dat het vlees zou verkolen. Rood vlees bevat naast koolhydraten en water ook veel eiwitten. Dat zijn samengestelde stoffen die onder meer het atoom stikstof bevatten. Doe nog geen zout op het rauwe biefstuk, want het zout extraheert en adsorbeert de smakelijke stoffen uit het rode vlees, waaroor de biefstuk aan smaak zou verliezen. Bij het roosteren worden de eiwitten en koolhydraten van het rauwe vlees aan de buitenkant omgezet in smakelijke stoffen met een aangenaam aroma. Een aantal stoffen, onder andere water, ontsnappen aan de bovenzijde. Als je aan de bovenkant het van het rode vlees waterdruppeltjes ziet is het tijd om de biefstuk om te draaien, zoniet wordt het vlees te droog. Nu mag je zout en peper aanbrengen op de geroosterde zijde. Aan tafel! Chemie 3/1
29
Waarom moeten de uiteinden van de proppen papier bestaan uit losse bladeren? ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... Wat belet het branden van groene takken hout? ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... Wat gebeurt er als dor hout nat is? Waarom is dat geen onoverkomelijk probleem? ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... Waarom mag je de houten takjes niet netjes naast elkaar schikken? ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... Waarom branden dikke takken niet even snel als kleine takjes? Zoek een verklaring die te maken heeft met de oppervlakte. ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... Leg uit waarom wanorde in dit geval beter is dan orde. ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... Waarom treden de vlammen op tussen de houtskool en de takjes? ..................................................................................................................................... .....................................................................................................................................
Chemie 3/1
30
Hoofdstuk 4: stoffen en reacties 4.1 Alchemie
Bekijk dit schilderij van David Teniers. Wat wordt erop voorgesteld denk je? Welke voorwerpen uit het laboratorium herken je? ................................................................. ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... Reeds eeuwen geleden trachtten alchemisten een stof te maken die door aanraking onedele metalen zoals lood zou kunnen omzetten in goud. Weet je hoe deze mysterieuze stof genoemd werd? ................................................................................ Daarnaast werd door alchemisten ook gezocht naar het levenselixir. Waartoe diende dit (dacht men)? ........................................................................................................... ..................................................................................................................................... Alchemisten zijn niet in hun opzet geslaagd, maar door hun voortdurend onderzoek hebben ze een belangrijke bijdrage geleverd aan de ‘moderne chemie’. Door zelf te experimenteren kunnen wij ook veel te weten komen over stoffen en hun eigenschappen.
Chemie 3/1
31
4.2 Keukenchemie OPDRACHT 17: ENKELE EENVOUDIGE CHEMISCHE REACTIES
In een reageerbuisje met enkele ml geconcentreerde zoutzuuroplossing laat je een stukje marmer (calciumcarbonaat) vallen. Wat neem je waar? ................................... ..................................................................................................................................... Neem wat universeelindicator en voeg dat toe aan een zoutzuuroplossing. Wat neem je waar? ....................................................................................................................... Wat gebeurt er als je ammoniak toevoegt aan een oplossing van kopersulfaat? ........ ..................................................................................................................................... Wat gebeurt telkens in elk van bovenstaande experimentjes? .................................... ..................................................................................................................................... Hoe noemen we dit? .................................................................................................... 4.3 Enkelvoudige en samengestelde stoffen OPDRACHT 18: SUIKER VERBRANDEN
Verwarm een reageerbuis met wat kristalsuiker. Er zal een kleurloze vloeistof condenseren in het koudere gedeelte van de reageerbuis. Test dit met kobaltchloridepapier. Welke vloeistof is dit? ........................ Hoe hard en hoe lang je ook blijft verwarmen, op een bepaald moment zal de suiker niet meer veranderen van uitzicht. Wat blijft er over van de suiker? ............................ ..................................................................................................................................... Hoe noemen we dit? .................................................................................................... Waarin kan suiker ontleed worden? ............................................................................
Wat is een enkelvoudige stof? ..................................................................................... ..................................................................................................................................... Wat is een samengestelde stof? .................................................................................. ..................................................................................................................................... Is water nu een enkelvoudige of een samengestelde stof? Om dit te achterhalen, voer je een elektrolyse op water uit. Daartoe dien je een elektrolysetoestel te vullen met water. Stuur door dit water gedurende enkele minuten elektrische stroom. Je merkt dat er op twee plaatsen gassen ontstaan die zich bovenaan verzamelen. Het ene gas is zuurstofgas, het andere
Chemie 3/1
32
is waterstofgas. Zuurstofgas kun je detecteren door een gloeiende houtspaander erboven te houden. Deze gloeiende houtspaander ontbrandt direct. Waterstofgas herken je doordat het knalt bij een vlam (vandaar ook de naam ‘knalgas’). Water kan dus ontleed worden in twee gassen: zuurstofgas en waterstofgas. Is water dus een enkelvoudige of een samengestelde stof? ....................................... En wat is waterstofgas? ............................................................................................... En zuurstofgas? ........................................................................................................... Probeer de ontleding van suiker schematisch voor te stellen.
Hoe noemen we algemeen de reactie waarbij je overgaat van een samengestelde stof naar twee of meer enkelvoudige stoffen? ............................................................. En omgekeerd: hoe noem je de overgang van twee of meer enkelvoudige stoffen naar een of meer samengestelde stoffen? .................................................................. 4.4 Atomen Kool en suiker, waterstofgas en suiker, zuurstofgas en suiker bevatten blijkbaar iets gemeenschappelijks. Anders zou er onmogelijk, alleen door te verhitten, kool uit suiker, waterstofgas uit suiker en zuurstofgas uit suiker kunnen worden gevormd. Dat gemeenschappelijk iets werd door Demokritos (4e eeuw voor Christus) atomen (letterlijk: niet te delen) genoemd. Met andere woorden: kool en suiker bevatten gemeenschappelijke atomen, waterstofgas en suiker bevatten gemeenschappelijke atomen en zuurstofgas en suiker bevatten gemeenschappelijke atomen. Wat denk je wat er gebeurt met atomen in een chemische reactie? Probeer je voor je antwoord op de figuur te baseren. In deze figuur worden atomen voorgesteld als kleine ondeelbare bolletjes.
Chemie 3/1
33
..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... Je kunt dit ook proberen voor te stellen met DUPLO-blokken. Geef de wet van behoud van elementen: .................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... Atomen zijn geen stoffen. Het zijn de onveranderbare bestanddelen van stoffen. Een enkelvoudige stof bestaat uit slechts één soort atoom. Een samengestelde stof uit meerdere soorten atomen. John Dalton (Groot-Brittannië; 1766-1844) stelde vast dat het aantal atoomsoorten in de natuur beperkt was. Nu weten we dat er in het totaal 92 atoomsoorten voorkomen. Er zijn echter veel meer enkelvoudige stoffen. Het is immers niet zo dat enkelvoudige stoffen die hetzelfde atoom bevatten altijd aan elkaar gelijk zijn. Zo bevatten grafiet en diamant allebei enkel het atoom koolstof, maar de koolstoffen zijn in beide stoffen op een andere manier met elkaar verbonden, waardoor we toch van twee verschillende stoffen spreken. Vaak worden het atoom en de enkelvoudige stof met dezelfde naam aangeduid. Dit kan verwarring scheppen. Zo hoor je bijvoorbeeld “vis bevat kwik” en “er zit ijzer in spinazie” en “lood in benzine”. Met kwik, ijzer en lood wordt hier telkens het atoom bedoeld en niet de enkelvoudige stof. In de vis zitten geen bolletjes kwik zoals je in een thermometer vindt, in spinazie zitten geen ijzeren nagels, … Om de verwarring iets minder te maken kun je bijvoorbeeld waterstofgas, kwikmetaal en zuurstofgas gebruiken voor de enkelvoudige stoffen van respectievelijk waterstof, kwik en zuurstof. Met enkele tientallen soorten atomen kunnen we een zeer groot aantal samengestelde stoffen maken. Je kan de atomen vergelijken met de letters van het alfabet. Met 26 letters kan je alle woorden van vele talen vormen… Op het einde van deze cursus zullen we dit chemisch alfabet leren gebruiken. Wat zegt de atoomtheorie van Dalton? ........................................................................ ..................................................................................................................................... .....................................................................................................................................
Chemie 3/1
34
4.5 Atoomsoorten worden symbolen Elk element wordt voorgesteld door de eerste letter van de Latijnse naam: waterstof door H (hydrogenium), koolstof door C (carboneum), zuurstof door O (oxygenium), … Daar er meer elementen zijn dan letters, bestaat een symbool soms uit twee letters. Die afkortingen noemen we symbolen. Aluminium
Al
Chloor
Cl
IJzer
Fe
Kwik
Hg
Nikkel
Ni
Zilver
Ag
Argon
Ar
Chroom
Cr
Jood
I
Lood
Pb
Platina
Pt
Zink
Zn
Barium
Ba
Fluor
F
Kalium
K
Magnesium
Mg
Silicium
Si
Zuurstof
O
Broom
Br
Fosfor
P
Kobalt
Co
Mangaan
Mn
Stikstof
N
Zwavel
S
Cadmium
Cd
Goud
Au
Koolstof
C
Natrium
Na
Tin
Sn
Calcium
Ca
Helium
He
Koper
Cu
Neon
Ne
Waterstof
H
Voorlopig stellen wij namen van stoffen voor door middel van elementformules: tussen haakjes schrijf je dan alle soorten atomen die in een stof voorkomen, eventueel gescheiden door een komma. Stof
Elementformule
Stof
Water
(H,O)
Waterstofchloride
Kool
Zwavelzuur
Suiker
Ammoniak
Zuurstofgas
Keukenzout
Elementformule
4.6 Elementen in het gelid De 92 natuurlijke elementen worden gerangschikt in het periodiek systeem der elementen of de tabel van Mendeljev.
Chemie 3/1
35
Vanaf nu stellen we nog enkel de essentie voor van een chemische reactie door middel van een reactieschema. uitgangsstoffen
→
reactieproducten
reactieomstandigheden Eventueel kan je hierbij nog de aggregatietoestand van de stoffen weergeven (Xv voor vast, Xvl voor vloeibaar en Xg voor gasvormig). OEFENINGEN
16. Onder welke groep kunnen de volgende stoffen ingedeeld worden? IJzersulfide, ijzermetaal en zwavelbloem? 17. Hoe is het gesteld met de mogelijkheid om zuivere stoffen te scheiden? 18. Leg met atomen uit waarom kwikoxide een samengestelde stof is. 19. Leg met atomen uit waarom zuurstofgas een enkelvoudige stof is. 20. Leg met atomen uit waarom water een samengestelde stof is. 21. Zijn de cursieve woorden in de volgende zinnen elementen of stoffen? - Kikvorsmannen duiken met flessen zuurstofgas. - Water bestaat uit waterstof en zuurstof. - In water nemen de vissen opgelost zuurstofgas op via hun kieuwen. - In een thermometer zet kwikmetaal uit. - Smeedwerk wordt gemaakt uit ijzermetaal. - Spinazie bevat ijzer. 4.7 Enkelvoudige stoffen Hoe worden zuivere stoffen opgedeeld? ..................................................................... Enkelvoudige stoffen worden verder opgedeeld in metalen en niet-metalen. 4.7.1 Niet-metalen OPDRACHT 19: NIET-METALEN I
Op de tafels staan een heleboel niet-metalen uitgestald. Bekijk deze stoffen en vul voor elke stof het voorkomen/de kleur in en geef een typische eigenschap. Zoek als huistaak voor elk niet-metaal minstens één toepassing. Naam
Waterstofgas
Chemie 3/1
Voorkomen/kleur
Eigenschap
Toepassing
(H)
36
Naam
Voorkomen/kleur
Chloorgas
(Cl)
Dibroom
(Br)
Zuurstofgas
(O)
Ozon
(O)
Stikstofgas
(N)
Witte fosfor
(P)
Paarse fosfor
(P)
Diamant
(C)
Grafiet
(C)
Silicium
(Si)
Chemie 3/1
Eigenschap
Toepassing
/
/
/
37
OPDRACHT 20: NIET-METALEN II
Lees de tekst en vul de antwoorden op de vraagjes in.
Niet-metalen zijn enkelvoudige stoffen die we terugvinden rechts in het periodiek systeem der elementen. Voorbeelden zijn koolstof, stikstof, zuurstof, fosfor, zwavel en selenium. Ook de halogenen en waterstof worden vaak tot de niet-metalen gerekend. De meeste niet-metalen zijn slechte geleiders van elektriciteit, hoewel koolstof als grafiet daar een uitzondering op is. De niet-metalen kunnen bij kamertemperatuur gasvormig, vloeibaar of vast zijn. Bij lagere temperatuur vormen zij in het algemeen vaste stoffen. Er is meestal geen metaalglans. Een uitzondering hierop vormt dijood. Niet-metalen vormen met metalen tamelijk hechte verbindingen. Niet-metalen zijn ook belangrijk in de organische chemie en ons dagelijks leven. Denk maar aan potloden met grafiet, diamant in ringen, silicium in chips enzovoort. Geef vijf voorbeelden van niet-metalen. ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... Geef twee toepassingen van niet-metalen in ons dagelijks leven. ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... Geef drie eigenschappen van niet-metalen. ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... Is dijood een typisch niet-metaal? Waarom? ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... Welke aggregatietoestanden hebben niet-metalen bij kamertemperatuur? ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... 4.7.2 Metalen OPDRACHT 21: METALEN
Op de tafels staan een heleboel niet-metalen uitgestald. Bekijk deze stoffen en vul voor elke stof het voorkomen/de kleur in en geef een typische eigenschap. Zoek als huistaak voor elk niet-metaal minstens één toepassing.
Chemie 3/1
38
Naam
Voorkomen/kleur
Natrium
(Na)
Magnesium
(Mg)
Aluminium
(Al)
Zink
(Zn)
Lood
(Pb)
Tin
(Sn)
Kwik
(Hg)
Koper
(Cu)
Zilver
(Ag)
Goud
(Au)
Chemie 3/1
Eigenschap
Toepassing
/
39
Welke fysische eigenschappen hebben alle metalen gemeen? Geef vijf voorbeelden. ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... 4.7.3 Edelgassen Kijk in het periodiek systeem der elementen. Geef de naam van enkele atomen die je helemaal rechts ziet staan. .......................................................................................... ...................................................................................................................................... Hoe noemen we deze verzameling van elementen? .................................................... Deze atomen komen enkel in gasvormige toestand voor. Ze worden ‘edel’ genoemd omdat ze bijna niet reageren met andere stoffen (vergelijk met de verzamelnaam van goud en zilver: edelmetalen). Argon wordt gebruikt als vulling voor gloeilampen. Neon treffen we naast natrium aan in lampen van straatverlichting. En helium is na waterstofgas het lichtste gas. Weet je waarvoor dit gebruikt wordt?.......................................................................................... ..................................................................................................................................... OEFENINGEN
22. Hoe deelt men de enkelvoudige stoffen in en waarop steunt men daarbij? 23. Vergelijk het geleidingsvermogen van niet-metalen met dat van metalen. 24. Probeer bij elke figuur een stof en stofklasse (metaal, niet-metaal of edelgas) te plaatsen.
Chemie 3/1
40
Chemie 3/1
41
4.8 Samengestelde stoffen Hoe worden zuivere stoffen opgedeeld? ..................................................................... ..................................................................................................................................... Hoe worden enkelvoudige stoffen ingedeeld? ............................................................. ..................................................................................................................................... Samengestelde stoffen worden onderverdeeld in zuren, basen (hydroxiden) en neutrale stoffen. Naam Zuren
Andere naam
Eigenschap
Toepassing
(H,Z)
Waterstofchloride Zwavelzuur
Hydroxiden
(M,O,H)
Natriumhydroxide Calciumhydroxide
Ammoniak
Chemie 3/1
/
(N,H)
/
42
Naam Zouten
Andere naam
Eigenschap
Toepassing
(M,Z)
Natriumchloride Natriumwaterstofcarbonaat Calciumcarbonaat OEFENING
25. Probeer bij elke figuur een stof en stofklasse (zuivere stof, zuur, hydroxide) te plaatsen.
26. Neem onderstaand schema over en vul het in, uitgaande van het woord ‘materie’.
Chemie 3/1
43
Hoofdstuk 5: moleculen en atomen 5.1 Inleiding Als er onvoldoende zuurstof aanwezig is om koolstof volledig te verbranden, dan ontstaat er geen koolstofdioxide, maar het zeer giftige koolstofmonoxide. Dit is bijvoorbeeld het geval wanneer een kolenkachel slecht functioneert of een gasbrander in een gesloten badkamer te weinig lucht krijgt. Koolstofmonoxide en koolstofdioxide zijn twee zeer verschillende stoffen die nochtans beide uit dezelfde atomen gevormd worden: koolstof en zuurstof. De elementvergelijking (C,O) verschaft dus niet voldoende informatie om deze beide stoffen van elkaar te onderscheiden. Om het onderscheid te begrijpen, gaan we in de volgende lessen na hoe je formules schrijft en dus beide stoffen op een andere manier noteert. 5.2 Het chemisch tekenschrift In het voorafgaand gedeelte van de chemiecursus heb je reeds heel wat informatie gekregen in verband met stoffen. Zo leerde je mengsels onderscheiden van zuivere stoffen. Je leerde enkelvoudige stoffen van samengestelde stoffen onderscheiden en je maakte reeds kennis met de omzetting van stoffen (chemische reacties). We zijn genoodzaakt tot het hanteren van een sterk vereenvoudigde symbolentaal. Het chemisch
tekenschrift
is
een
uniek
voorbeeld
van
de
wijze
waarop
wetenschapsmensen erin slagen de complexiteit van de stoffelijke wereld te ontrafelen, te structureren en toegankelijk te maken met modelvoorstellingen, die vrij eenvoudig blijven dankzij het gebruik van een efficiënte symbolentaal. Het chemisch tekenschrift is een noodzakelijk communicatiemiddel tussen wetenschapsmensen. Het laat toe ingewikkelde stofstructuren en hun veranderingen op een relatief eenvoudige en internationaal begrijpbare wijze voor te stellen. Het is dus noodzakelijk dat ook jij dit tekenschrift leert gebruiken. Alle zuivere stoffen zijn opgebouwd uit atomen. Daarom is de grondslag van het chemisch tekenschrift een systeem waarbij aan elk element een symbool wordt toegekend. Deze symbolen vind je terug in het periodiek systeem der elementen.
Chemie 3/1
44
5.3 Het chemisch tekenschrift voor de voorstelling van een zuivere stof Een molecule is het kleinste deel van een stof dat toch nog de chemische eigenschappen van die stof bezit. Een druppel water bestaat bijvoorbeeld uit 1021 moleculen water. De moleculen van een enkelvoudige stof bestaan uit atomen van eenzelfde element. Een stuk ijzermetaal bestaat enkel uit ijzeratomen. De moleculen van een samengestelde stof bestaan uit atomen van minstens twee verschillende elementen. Water is bijvoorbeeld een verbinding van de elementen waterstof en zuurstof. Kwikoxide is een verbinding van de elementen kwik en zuurstof. Door gebruik te maken van symbolen, kan men met een brutoformule de inwendige bouw van een zuivere stof symbolisch weergeven. De stof water bijvoorbeeld is opgebouwd uit twee waterstofatomen en één zuurstofatoom. De brutoformule van water is H2O. Natriumchloride of keukenzout is opgebouwd uit bouwsteentjes van twee elementen, natrium en chloor, die in gelijke aantallen voorkomen. De brutoformule van natriumchloride is NaCl. 5.3.1 De brutoformule van enkelvoudige stoffen: Ex E staat voor het symbool van de atoomsoort en x is de index. Dit is een klein geheel getal dat het aantal atomen in één molecule weergeeft. De index slaat enkel op het atoom dat eraan voorafgaat. Als de index gelijk is aan 1, wordt hij niet geschreven. Meestal bestaat de molecule van enkelvoudige stoffen uit slechts één atoom. De brutoformule van deze stoffen komt dan overeen met het element-symbool van het atoom. Edelgassen komen steeds als geïsoleerde atomen voor. De stoffen helium en neon noteren we bijvoorbeeld als He en Ne. Metaalatomen vormen steeds een metaalrooster. Dit is een geordende stapeling van afzonderlijke metaalatomen. Meestal gaat het hierbij om miljoenen atomen. Omdat we niet met zo’n grote indices zouden moeten werken, wordt afgesproken dat metalen ook enkel met het atoom wordt voorgesteld. IJzer bijvoorbeeld wordt voorgesteld als Fe, kwik als Hg, … Bij de andere enkelvoudige stoffen bestaan de moleculen uit een beperkt aantal atomen van eenzelfde element: O2, N2, Cl2, H2, F2, Br2, I2, O3 en P4. Om de samenstelling van een molecule van een enkelvoudige stof ondubbelzinnig weer te geven, wordt gebruik gemaakt van Griekse telwoorden: O
Chemie 3/1
O2
O3
45
E(x=1)
Ofwel verwijst dit naar een stof die bestaat uit één atoom. In de benaming wordt dan gebruik gemaakt van het voorvoegsel ‘mono’. Ofwel verwijst dit naar het symbool van een bepaald atoom en wordt dus één losstaand atoom bedoeld. Ofwel verwijst dit naar een vast stofrooster opgebouwd uit atomen van één element.
Ex≠1
verwijst steeds naar een molecule.
De chemische symbolentaal geeft de inwendige bouw van de stof onvolmaakt weer. Er zijn bijvoorbeeld meerdere enkelvoudige stoffen mogelijk met eenzelfde brutoformule. Zo hebben de enkelvoudige stoffen grafiet en diamant beide de brutoformule C. De koolstofatomen zijn in een diamantrooster echter anders gestapeld dan in een grafietrooster. Deze verschillen in roosterstructuur bepalen grote verschillen in fysische eigenschappen.
5.3.2 De brutoformule van samengestelde stoffen, ExE’y Moleculen van samengestelde stoffen bevatten meerdere onderling verbonden atomen van minstens twee verschillende atoomsoorten. Voor elke atoomsoort wordt nu een aparte index weergegeven in de brutoformule. Vergeet niet dat de index enkel slaat op het atoom dat eraan voorafgaat. De naam van het molecule wordt gegeven door de Nederlandstalige naam van het eerste element te laten volgen door de Latijnse stam van het tweede element gevolgd door het achtervoegsel -ide. Om het aantal atomen van elke soort in een molecule expliciet weer te geven, laat men bij de naamvorming van de stof de naam
Chemie 3/1
46
van het symbool voorafgaan door het gepaste Griekse telwoord. Het voorvoegsel ‘mono-‘ wordt doorgaans weggelaten. Bijvoorbeeld: NaCl – natriumchloride, H2O – diwaterstofoxide of beter gekend onder de triviale naam water, Na2SO4 – dinatriumsulfaat en CaCl2 – calciumdichloride. In sommige brutoformules kunnen symbolen gegroepeerd staan (tussen haakjes), gevolgd door een index. De index na de haakjes slaat op alle atoomsoorten die tussen de haakjes staan aangegeven. Dit wordt zo gedaan om bepaalde eigenschappen van een stof te benadrukken. Bijvoorbeeld: Ca(OH)2 in plaats van CaO2H2 of Ca3(PO4)2 in plaats van Ca3P2O8. 5.4 Nog enkele opmerkingen 5.4.1 Typische brutoformules Een brutoformule is typisch voor een stof en blijft bijgevolg steeds gelijk voor elke aggregatietoestand van deze stof. Bijvoorbeeld: zowel ijs, water als waterdamp hebben als brutoformule H2O. 5.4.2 Meerdere moleculen Om meer dan één molecule van een zuivere stof voor te stellen, wordt een coëfficiënt of voorgetal geplaatst voor de brutoformule. Het voorgetal heeft betrekking op alle atomen van de formule, in tegenstelling tot de index. Twee moleculen water (H2O) symboliseert men dus door 2H2O. Niet door H4O2 want dit zou een andere stof voorstellen waarvan de molecule bestaat uit 4 waterstofatomen en 2 zuurstofatomen. 5.4.3 Volgorde van de symbolen De volgorde van de symbolen van de aanwezige atoomsoorten in de algemene voorstelling van een molecule (H2O of OH2?) is bij overeenkomst vastgelegd. Hierover leer je later meer. Een bepaalde schrijfwijze betekent dus niet dat dezelfde volgorde van de atomen in de stof reëel is. In het watermolecule H2O is de volgorde van de gebonden atomen H-O-H en niet H-H-O. OEFENINGEN
27. Wat kan uit een chemische formule afgelezen worden? 28. Welke informatie over de atomen en dus de moleculen van een stof kunnen uit een formule van de betreffende stof niet afgeleid worden? 29. Waarin verschillen formules van enkelvoudige stoffen van die van samengestelde stoffen? 30. Wat is het verschil tussen een index en een coëfficiënt? Chemie 3/1
47
31. Waarom zijn indexen steeds gehele getallen? 32. Hoe stelt men één molecule van een stof voor? Geeft twee voorbeelden. 33. Hoe stelt men drie moleculen van een stof voor? Geef twee voorbeelden. 34. Hoeveel moleculen van een stof en hoeveel atomen van elk element worden hier voorgesteld? 7 H2O; 2 CO2; 4 O2; 3 H2SO4; 2 HNO3. 35. Wat is het verschil tussen CO en CO2?
Chemie 3/1
48
Hoofdstuk 6: reactievergelijkingen 6.1 Reactievergelijking Bij een chemische reactie zetten één of meerdere uitgangsstoffen zich om in één of meerdere (andere) reactieproducten: stof A en stof BC worden bijvoorbeeld omgezet in stof AB en stof C. Ontledings- en verbindingsreacties (synthesereacties) zijn relatief eenvoudige voorbeelden van chemische reacties. Hoe stel je dit symbolisch voor? ............................................................................................................................. ...................................................................................................................................... Het wezenlijke van al deze chemische reacties blijft een verbreking van bepaalde chemische bindingen tussen atomen in de moleculen van de uitgangsstoffen en het ontstaan van nieuwe combinaties tussen deze atomen, dit wil zeggen, de vorming van nieuwe moleculen en dus ook de vorming van nieuwe stoffen (reactieproducten). Het chemisch tekenschrift voor de voorstelling van zuivere stoffen is eveneens geschikt om een chemische reactie symbolisch weer te geven. Deze symbolische voorstelling heet reactievergelijking. Een reactievergelijking bestaat uit twee leden, gescheiden door een naar rechts gericht enkel pijltje. Links van het pijltje staan de uitgangsstoffen
(reagentia),
rechts
van
het
pijltje
de
gevormde
stoffen
(reactieproducten). Bijvoorbeeld: A + BC → AB + C. Bij het voorstellen van een reactievergelijking doorloop je vier opeenvolgende vragen. Deze vier stappen worden hieronder toegelicht aan de hand van de knalgasreactie. Waarnemingsschema: waterstofgas + lucht + vlam → knal Eerste vraag: wat is het reactieschema? Stel het reactieschema op aan de hand van het waarnemingsschema. Waterstofgas + zuurstofgas → water Tweede vraag: wat is de elementvergelijking Stel aan de hand van het reactieschema de elementvergelijking op. Hiervoor word je verondersteld te weten uit welke atomen alle moleculen in je reactievergelijking bestaan. Je kunt altijd een extra controle uitvoeren: links en rechts van het pijltje moet je steeds alle soorten atomen minstens één keer terugvinden (wet van behoud van elementen): waterstofgas + zuurstofgas → water - (H) + (O) → (H,O)
Chemie 3/1
49
Derde vraag: wat zijn de formules van de uitgangsstoffen en reactieproducten? De formule vermeldt het symbool van elk element met de juiste indices. Je vindt de formules van enkele belangrijke stoffen in onderstaande tabellen. Nieuwe formules zullen worden meegedeeld. Als je de formules correct invult, wordt de tweede vraag overbodig. Let op: elke stof heeft zijn eigen indices. Die zijn onafhankelijk van de indices van een andere stof, ook al gaat het om hetzelfde element. Bijvoorbeeld: in waterstofgas is de index van het element altijd gelijk aan 2 (H2); in ammoniakgas is de index van het element H altijd gelijk aan 3 (NH3). Als je er zeker van bent dat je de juiste formule hebt opgeschreven, met de correcte indices, mag je die later niet meer wijzigen. Soms zal de verleiding om een index toch te veranderen echter groot zijn. Van dit stadium af geldt dus de slogan: INDEX NIET MEER VERANDEREN! H2 + O2 → H2O Vierde vraag: wat zijn de voorgetallen? Vergelijk voor elk element het aantal atomen voor de reactie met het aantal atomen na de reactie. Is dat aantal niet gelijk, vul dan zodanig voorgetallen in dat het aantal wel gelijk wordt. Controleer alle elementen tot alles uitkomt. H2 + O2 → H2O H: 2 atomen H → 2 atomen H O: 2 atomen O → 1 atoom O Dus: pas aan en neem rechts 2 moleculen water, dit betekent 4 atomen H en 2 atomen O. Opnieuw controleren: H2 + O2 → 2 H2 H: 2 atomen H → 4 atomen H O: 2 atomen O → 2 atomen O Dus: pas nogmaals aan en neem links 2 moleculen waterstofgas, dit betekent 4 atomen H. Opnieuw controleren: 2 H2 + O2 → 2 H2 H: 4 atomen H → 4 atomen H O: 2 atomen O → 2 atomen O Alles klopt. Eindresultaat: 2 H2 + O2 → 2 H2 Betekenis: de voorgetallen vermelden het aantal moleculen, de formules geven de stof aan. In het voorbeeld reageren twee moleculen waterstofgas dus met één molecule zuurstofgas ter vorming van twee moleculen water.
Chemie 3/1
50
Enkelvoudige stoffen Gassen
Vloeistoffen
H2
Diwaterstof
O2
Br2
Vaste stoffen Dibroom
I2
Dijood
Dizuurstof
S8
Zwavelbloem of octazwavel
O3
Trizuurstof (ozon)
P4
Witte fosfor of tetrafosfor
Cl2
Dichloor
C
Kool
N2
Distikstof
M
(het symbool) metalen
Samengestelde stoffen H2O
Water
K2O
Kaliumoxide
H2S
Diwaterstofsulfide
MgI2
Magnesiumjodide
HCl
Waterstofchloride
MgO
Magnesiumoxide
CO
Koolstofmonoxide
Mg3N2
Magnesiumnitride
CO2
Koolstofdioxide
CaCl2
Calciumchloride
CS2
Koolstofdisulfide
CaO
Calciumoxide
CH4
Methaan
CaS
Calciumsulfide
NO2
Stikstofdioxide
BaO
Bariumoxide
N2O5
Distikstofpentaoxide
Fe2O3
IJzer(III)oxide
NH3
Ammoniak
FeS
IJzer(II)sulfide
P2O5
Difosforpentaoxide
Cu2O
Koper(I)oxide
PCl3
Fosfortrichloride
CuO
Koper(II)oxide
SO2
Zwaveldioxide
Cu2S
Koper(I)sulfide
SO3
Zwaveltrioxide
ZnO
Zinkoxide
H2CO3
Koolzuur
ZnS
Zinksulfide
H3PO4
Fosforzuur
HgO
Kwik(II)oxide
H2SO4
Zwavelzuur
AlBr3
Aluminiumbromide
H2SO3
Zwaveligzuur
NaOH
Natriumhydroxide
HNO3
Salpeterzuur
KOH
Kaliumhydroxide
NaCl
Natriumchloride
Mg(OH)2
Magnesiumhydroxide
Na2O
Natriumoxide
Ca(OH)2
Calciumhydroxide
Na2S
Natriumsulfide
Ba(OH)2
Bariumhydroxide
Chemie 3/1
51
6.2 Enkele opmerkingen 6.2.1 Plaats De onderlinge plaats van de verschillende uitgangsstoffen en deze van de verschillende reactieproducten in elk lid heeft geen belang. A + BC → C + AB is dus gelijk aan BC + A → AB + C. 6.2.2 Voorgetallen Het in evenwicht brengen van de atoombalans moet met de kleinst mogelijk gehele voorgetallen gebeuren: A + BC → AB + C en niet 2 A + 2 BC → 2 AB + 2 C 6.2.3 Wiskunde versus chemie Een reactievergelijking mag niet geïnterpreteerd worden zoals een wiskundige vergelijking. Vandaar dat men een pijl gebruikt in plaats van het wiskundig gelijkheidsteken. In de wiskunde ligt het accent op gelijkheid van beide leden, terwijl in de chemie een omzetting wordt bedoeld van de reagentia in reactieproducten. OEFENINGEN
36. Welke vier opeenvolgende vragen dien je op te lossen om een correcte reactievergelijking te verkrijgen? 37. Vul aan. a. … Fe2S → … Fe + … S b. … Na2S → … Na + … S c. … PbO4 → … Pb + … O2 d. … HCl → … H2 + … Cl2 e. … H2O → … H2 + … O2 f. … C + … O2 → … CO g. … S + … O2 → … SO3 h. … P + … O2 → … P2O5 i. … Mn + … O2 → … Mn2O7 j. … N2 + … H2 → … NH3 k. … H2O2 → … H2O + … O2 l. … NO3 → … N2 + … O2 m. … CaCO3 → … CaO + … CO2 n. … NH3 + … HCl → … NH4Cl
Chemie 3/1
52
38. Waarom mag men een reactievergelijking niet gelijkstellen aan een wiskundige vergelijking? 39. Welk van de volgende formules betreft een voorstelling van één samengestelde stof? a. MgO + 2 HCl b. O2 c. 2 H d. Na e. HCl 40. Gegeven: de atoomsoorten A, B, C en D. Door het samenvoegen van de stoffen A2 en BC grijpt een chemische reactie plaats. Welke van de volgende voorstellingen is mogelijk de reactievergelijking voor dit gebeuren? a. A2 + BC → D b. A2 + 2 BC → A2BC c. A2 + BC → 2 ABC d. A2 + 2 BC → 2 AC + B2 e. 2 A2 + BC → BA + CA 41. Zoek voor elke oefening naar de reactievergelijking. a. waterstofgas + chloorgas → waterstofchloride b. stikstofgas + zuurstofgas → stikstofdioxide c. zwavel1 + zuurstofgas → zwaveltrioxide d. witte fosfor + chloorgas → fosfortrichloride e. witte fosfor + zuurstofgas → difosforpentaoxide f. verbranding van koolstof tot koolstofdioxide g. kool + zuurstofgas → koolstofmonoxide h. koolstofmonoxide + zuurstofgas → koolstofdioxide i. verbranding van zwavel tot zwaveldioxide j. zwaveldioxide + zuurstofgas → zwaveltrioxide k. ontleding van water l. zwaveldioxide + water → zwaveligzuur m. distikstofpentaoxide + water → salpeterzuur n. difosforpentaoxide + water → fosforzuur o. koolstofdisulfide + zuurstofgas → koolstofdioxide + zwaveldioxide p. verbranding van methaan (aardgas) tot koolstofdioxide en water
Chemie 3/1
53
q. kopermetaal + zuurstofgas → koper(II)oxide r. natriummetaal + chloorgas → natriumchloride s. natriummetaal + zuurstofgas → natriumoxide t. aluminiummetaal + dibroom → aluminiumbromide u. ijzermetaal + zuurstofgas → ijzer(III)oxide v. kopermetaal + zwavel → koper(I)sulfide w. magnesiummetaal + stikstofgas → magnesiumnitride x. kopermetaal + zuurstofgas → koper(I)oxide y. ijzermetaal + zwavel → ijzer(II)sulfide z. verbranding van calciummetaal tot calciumoxide aa. synthese van magnesiumjodide bb. ontleding van kwik(II)oxide cc. koper(II)oxide + waterstofgas → kopermetaal + water dd. koper(I)oxide + waterstofgas → kopermetaal + water ee. natriumoxide + water → natriumhydroxide ff. zinksulfide + zuurstofgas → zinkoxide + zwaveldioxide 1
Voor de formule van zwavel mag je S gebruiken in plaats van S8
42. Stel de reactievergelijking voor. a. natriumwaterstofcarbonaat (NaHCO3) ontleden tot natriumcarbonaat (Na2CO3), koolstofdioxide en water b. kaliumhydroxide + zwavelzuur (H2SO4) → kaliumsulfaat (K2SO4) + water c. natriumhydroxide + fosforzuur (H3PO4) → natriumfosfaat (Na3PO4) + water d.
calciumcarbonaat
(CaCO3)
+
waterstofchloride
→
calciumchloride
+
koolstofdioxide + water e. natriummetaal + water → natriumhydroxide + diwaterstof f. kaliumpermanganaat (KMnO4) + waterstofchloride → mangaan(II)chloride + water + kaliumchloride + dichloor g. kaliumnitraat (KNO3) + houtskool + zwavelbloem → kaliumsulfide + koolstofdioxide + distikstof 43. Bij het ontleden van ammoniakgas (NH3) ontstaat waterstof (H2) en stikstof (N2). Geef de reactievergelijking. 44.
Bij
de
verbranding
van
magnesium
(Mg)
ontstaat
MgO.
Geef
de
reactievergelijking.
Chemie 3/1
54
45. Bij de verbranding van aluminium (Al) ontstaat Al2O3, aluminiumoxide. Geef de reactievergelijking. 46. In een buis wordt roest (FeO) samen met koolstof sterk verhit. Bij de reactie wordt ijzer en koolstofdioxide gevormd. Geef de reactievergelijking. 47. In alle cellen van je lichaam wordt glucose (C6H12O6) verbrand. De afvalstoffen die bij deze verbranding ontstaan zijn water en koolstofdioxide, die met je bloed naar je longen worden vervoerd. In de longen adem je beide stoffen uit. Geef de reactievergelijking.
Chemie 3/1
55
Hoofdstuk 7: redoxreacties 7.1 Lucht Wat is noodzakelijk om een kaars te laten branden? .................................................. Wat is noodzakelijk om een barbecue aan te steken? ................................................. Wat is er dus noodzakelijk voor een verbrandingsreactie? .......................................... Waarin zit dat? ............................................................................................................. Wat gebeurt er met de lucht tijdens een verbrandingsreactie? In verschillende experimenten werd aangetoond dat 1/5 van het luchtvolume opgebruikt wordt. Bekijk onderstaande tabel met de samenstelling van lucht. Bestanddeel
Vol% in droge lucht
Zuurstof (O2)
20,946
Stikstof (N2)
78,084
Argon (Ar)
0,934
Koolstofdioxide (CO2)
0,033
Waterstof (H2)
0,01
Neon (Ne)
0,00182
Helium (He)
0,00052
Krypton (Kr)
0,00011
Xenon (Xe)
0,000009
Methaan (CH4)
0,0000172
Wat denk je dat er verbruikt wordt? ............................................................................ Hoe kun je dit staven? ................................................................................................. ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... De
overige
4/5
kunnen
de
verbranding
niet
onderhouden.
Wat
is
het
hoofdbestanddeel hiervan? ......................................................................................... 7.2 Roest Wat gebeurt er met een nagel die je in de garage onder de kast laat vallen? ............. ..................................................................................................................................... Wat is het waarnemingsschema? ................................................................................ ..................................................................................................................................... Wat is er noodzakelijk? ................................................................................................
Chemie 3/1
56
Wat is de elementvergelijking? .................................................................................... Het roesten is dus een reactie tussen ijzermetaal en zuurstofgas. Roesten is dus een trage verbranding zonder vlammen. Hierbij wordt een ijzeroxide gevormd: Fe2O3. Wat is de reactievergelijking? ...................................................................................... ..................................................................................................................................... En het reactieschema? ................................................................................................ ..................................................................................................................................... OEFENING
48. Lucht is een samengestelde stof die hoofdzakelijk de elementen stikstof en zuurstof bevat. Juist of vals? Verklaar.
Chemie 3/1
57
Bronvermelding Bladzijde 4: www.deweegschalenshop.be; www.chemistrydaily.com; www.leermiddelen.be Bladzijde 5: www.deweegschalenshop.be; www.chemistrydaily.com; www.leermiddelen.be Bladzijde 8: http://www.absintheoriginals.com Bladzijde 12: www.argusmilieu.be Bladzijde 14: www.vrijbit.nl en http://www.thechocolatedc.com Bladzijde 17: www.aphelder.nl Bladzijde 20: www.aljevragen.nl en http://www.9lives.be Bladzijde 22: www.wikimedia.org Bladzijde 26: www.docweb.khk.be; www.fransloenenhofje.nl; www.innovationmcr.wordpress.com Bladzijde 27: www.garagevitesse.be Bladzijde 29: www.knutzels.punt.nl Bladzijde 31: www.levity.com Bladzijde 32: www.experimenten.nl Bladzijde 33: http://www.jbruinink.nl Bladzijde 34: http://www.basicfamouspeople.com Bladzijde 35: www.levity.com Bladzijde 40: www.sgravendeel.uwah.nl; www.nl.wikipedia.org en www.installatiebedrijfvanoostende.nl Bladzijde 41: http://nl.dreamstime.com; http://www.naturalbuy.com; http://www.dakwerking.be; www.waiter.web-log.nl; http://www.orpadt.be; www.kerkgebouwen-in-limburg.nl; www.vandaag.be; www.travelinventive.nl; www.farmaline.be; www.pannen.nl; http://the-good-en-bad-world.clubs.nl; http://tamed.websitemaker.nl; http://www.daviddarling.info; http://www.petereshuis.nl; http://www.wirtzfeld.be; www.trendjuwelier.nl; www.detinnenbeker.nl en http://www.sterrenwacht-mercurius.nl Bladzijde 42: http://www.volksforum.be; http://www.shamrock-maastricht.nl en www.rdgg.nl Bladzijde 43: http://www.fan.tv; www.bronzen-beelden-carlaklein.nl; www.schoonmaakproducten.be; www.dutchfoodshop.nl en http://www.pizza-blog.nl
Chemie 3/1
58
Bladzijde 40: www.farmaline.be; www.pannen.nl; www.wiskundemeisjes.nl; www.bombardon.edu.almere.nl; www.chem.kuleuven.be; www.schoonmaakproducten.be; www.hetweer.org; www.trendjuwelier.nl; www.detinnenbeker.nl; www.nl.wikipedia.org; www.velgen.nl; www.pelgranepress.com; www.alfataal.nl; www.rdgg.nl Bladzijde 46: http://nl.wikipedia.org
Chemie 3/1
59
