Experimenteren
Mengsels
Scheidings methoden
Atomen en moleculen
antwoorden
antwoorden
antwoorden
antwoorden
Zouten
...
...
...
antwoorden
antwoorden
antwoorden
antwoorden

Hoofdstuk 1
Experimenteren

§1 Scheikunde
§2 Veiligheid
§3 Experimenteren
§4 Temperatuur
§5 Chemische reacties en faseovergangen
§6 Verbranding
§7 Het practicumverslag



§1     Scheikunde

In dit hoofdstuk ga je leren hoe je scheikunde experimenten kan uitvoeren. Maar voordat we daarmee beginnen is het eerst van belang goed te weten wat scheikunde eigenlijk is.

Welkom bij de wetenschapsschool. Op deze website ga je leren over de wetenschap genaamd scheikunde. Het doel van wetenschap is te begrijpen hoe de wereld werkt. Scheikunde is echter niet de enige wetenschap. Naast de scheikunde bestaat ook nog de natuurkunde en de biologie. In de rest van deze paragraaf bespreken we de verschillen.

De scheikunde gaat over stoffen. In dit vak bestuderen we de eigenschappen van deze stoffen en onderzoeken we waar deze stoffen uit opgebouwd zijn. In sommige omstandigheden veranderen stoffen in compleet andere stoffen. Als dit gebeurt, spreken we van een chemische reactie. Tijdens een chemische reactie kan er van alles gebeuren. Stoffen kunnen van kleur veranderen, licht geven of zelfs ontploffen. Hieronder zien we links bijvoorbeeld een wit poeder genaamd kopersulfaat dat blauw wordt als het in contact komt met water. Rechts zien we de verbranding van thermiet dat o.a. gebruikt wordt voor het lassen van tramrails.


(Afbeelding: Benjah-bmm27; PD / CaesiumFluoride; CC BY-SA 3.0)

Natuurkunde gaat over de natuurwetten die in het universum werken. Deze wetten vertellen ons welke krachten er werken op materie en voor welke beweging deze krachten zorgen. Twee belangrijke begrippen in de natuurkunde zijn dus beweging en kracht. Bij beweging kan je bijvoorbeeld denken aan het opstijgen van een vliegtuig of het vallen van een steen. Bij krachten kan je bijvoorbeeld denken aan de zwaartekracht of aan elektrische en magnetische krachten.

Hoewel natuurkunde het woord "natuur" bevat, heeft het weinig te maken met het leven op aarde. Dit wordt beschreven door de biologie.

         Leerdoelen:
  • Zorg dat je het verschil tussen natuurkunde, scheikunde en biologie begrijpt

         Opdrachten
  1. (8p) Horen de volgende uitspraken bij de natuurkunde, de scheikunde of de biologie:
    1. In tandpasta zit fluoride.
    2. Een parachutist valt erg langzaam naar de aarde.
    3. Een lamp brandt als je het lichtknopje indrukt.
    4. Het menselijk lichaam bestaat uit cellen.
    5. Met behulp van zeep kunnen we vetvlekken verwijderen.
    6. In een batterij zitten bepaalde stoffen waarin energie wordt opgeslagen.
    7. Met een infraroodcamera kunnen we in het donker zien.
    8. Een druppel inkt lost op in een bak water.
  2. (2p) Noem twee uitvindingen waarbij de natuurkunde een belangrijke rol heeft gespeeld. Doe daarna hetzelfde voor de scheikunde en de biologie.
  3. (3p) Beschrijf het verschil tussen natuurkunde, scheikunde en biologie.

 

§2     Veiligheid

In de scheikunde werken we vaak met chemicaliën. Voordat we gaan experimenteren met deze stoffen is het van belang dat je hier veilig mee om kan gaan. In deze paragraaf lees je hier meer over. Ook bespreken we de E-nummers.

Ter bescherming van je kleding en je armen dragen we tijdens scheikunde-experimenten een labjas en ter bescherming van je ogen draag je een veiligheidsbril (zie de onderstaande afbeelding). Beide dien je ten alle tijden op te hebben als er in het lokaal scheikunde-experimenten worden uitgevoerd. Denk er tevens aan om lange haren met een elastiek in een knotje te binden. Je wilt immers niet dat je haren in een gevaarlijke stof of in een vlam belanden. Let er ook op dat je niet eet en drinkt in het scheikundelokaal, omdat stoffen via je handen in je eten kunnen gaan zitten. Om gevaarlijke stoffen niet onopgemerkt via je handen mee naar buiten te nemen, is het van belang je handen te wassen na afloop van een experiment.

Let er tevens op dat je veel stoffen die je gebruikt in de scheikundeles niet in de prullenbak of de gootsteen kan gooien. Dit geldt bijvoorbeeld voor stoffen die giftig zijn of schadelijk zijn voor het milieu. Vaak wordt dit verzameld in er een speciaal afvalvat in het lokaal.

Mocht er toch iets misgaan tijdens een experiment, dan zijn er in het lokaal een aantal hulpmiddelen aanwezig. Als je een stof in je ogen krijgt, spoel je ogen dan zo snel mogelijk schoon met de oogdouche. Als je kleding in brand vliegt, ga dan onder de douche staan. Als er in het lokaal een brand ontstaat, dan kan je gebruik maken van de branddeken of de brandblusser. Gelukkig zijn deze noodmaatregelen zelden tot nooit nodig, maar mocht het een keer misgaan, dan is het belangrijk dat je weet wat je in zo’n situatie moet doen.


(Afbeelding: TEDxNewcastle met Andrew Szydlo)

Bij het gebruik van stoffen is het van belang eerst op het etiket te kijken, zodat je weet waar je op moet letten bij het gebruik van de stof. Op het etiket staan namelijk zogenaamde gevarenpictogrammen. Hieronder zie je een aantal pictogrammen die je uit je hoofd wilt kennen. De pictogrammen staan ook in BINAS.

Even ter verduidelijking. Een fles die "onder druk" staat kan gevaar opleveren als deze verwarmd wordt. Dan neemt de druk in de fles immers toe en kan de fles exploderen of kan de dop eraf schieten. "Schadelijk" betekent met name dat de stoffen irriterend of schadelijk zijn voor de huid en ogen of bij het inademen of inslikken. "corrosief" betekent dat de stof bijtend reageert op de huid en ook bepaalde materialen kan aantasten.Misschien dat je je ook afvraagt wat het verschil is tussen "ontvlambaar" en "oxiderend". "Ontvlambaar" betekent dat het materiaal in brand kan vliegen. "Oxiderend" betekent dat de stof andere stoffen gemakkelijk kan laten ontbranden of de verbranding heftiger kan maken. Bij "langetermijnschade" moet je bijvoorbeeld denken aan kankerverwekkende stoffen. Je merkt dit effect niet meteen, maar op lange termijn is het zeer gevaarlijk.

Als laatste bespreken we ook nog de veiligheid van stoffen in ons voedsel. Als je op het etiket van voeding in de supermarkt kijkt, dan zie je daar vaak een hele lijst aan ingrediënten. Bij een aantal van deze ingrediënten staan E-nummers vermeld. Dit zijn hulpstoffen die door de Europese Unie zijn goedgekeurd er dus veilig worden geacht. Hiertoe behoren o.a. geur-, smaak en kleurstoffen, verdikkingsmiddelen en conserveringsmiddelen (waarmee voedsel langer bewaard kan blijven). Deze E-nummers zijn ook te vinden in BINAS.

         Leerdoelen:
  • Zorg dat je de veiligheidseisen bij experimenteren in de scheikunde kent
  • Zorg dat je de betekenis van de gevarenpictogrammen kent en dat je ze kan opzoeken in BINAS
  • Zorg dat je kan redeneren met de tabel met E-nummers in BINAS.

         Opdrachten
  1. (2p) Noem drie veiligheidsmaatregelen die je bij elk experiment in het scheikundelokaal moet uitvoeren.
  2. (1p) Noem een maatregel die je kan nemen als je kleding in brand staat.
  3. (1p) Noem een maatregel die je kan nemen als er in het lokaal een brand ontstaat.
  4. (4p) In de onderstaande afbeelding is een fles terpentine afgebeeld. Terpentine wordt o.a. gebruikt bij het schoonmaken van verfkwasten. Leg uit waar je op moet letten bij het gebruik van terpentine.

  5. In de onderstaande afbeelding is een fles waterstofchloride afgebeeld. Deze stof wordt in het Nederlands ook wel zoutzuur genoemd.

    1. (2p) Leg uit waar je op moet letten bij het gebruik van zoutzuur.
    2. (1p) Leg uit waarom waterstofchloride in de scheikunde les vaak sterk verdund wordt met water.
  6. (2p) Hieronder is het label te zien op een tank propaan. Leg uit waar je op moet letten bij gebruik van deze stof.

  7. (2p) Een leerling vult een geurverspreider met een paar druppels geurstof uit een flesje. Onverdunde geurstof kan gevaarlijk zijn. Op de veiligheidskaart op het flesje staat "gevaarlijk voor in het water levende organismen" en "irriterend voor de huid en ogen". Welke pictogrammen horen hierbij. Noem de namen onder de pictogrammen in de paragraaf of in BINAS.
    (Bron: Examen VMBO-T, 2023-1)
  8. (1p) Vuurwerk bevat buskruit. Buskruit is explosief. Welk veiligheidspictogram geeft het explosiegevaar aan?
    (Bron: Examen VMBO-T, 2023-2)
  9. (1p) Afgedankte loodaccu's worden in een fabriek verwerkt. In een loodaccu zit o.a. accuzuur. Het accuzuur wordt in de fabriek uit de accu's gehaald en in jerrycans opgeslagen. Accuzuur bevat bijtend zwavelzuur. Welk veiligheidspictogram hoort daarom op een jerrycan met accuzuur te staan?
    (Bron: Examen VMBO-T, 2022-2)
  10. Stoffen die vrijkomen bij het werken met asfalt kunnen hoofdpijn, irritaties van ogen en luchtwegen en huidaandoeningen (roodheid, prikkeling) tot gevolg hebben. Welk veiligheidspictogram hoort hierbij?
    (Bron: Examen VMBO-T, 2019-2)
  11. In verf zit vaak terpentine. Op de veiligheidskaart van terpentine staat o.a.:
    - Het product kan dampen vrijgeven die gemakkelijk ontvlambare mengsels vormen.
    - Kan longschade veroorzaken na verslikken. Dampen kunnen slaperigheid en duizeligheid veroorzaken. Overmatige blootstelling kan leiden tot irritatie van ogen, huid en ademhalingswegen.
    - Kan op lange termijn schadelijke effecten veroorzaken.
    - Vergiftig voor in het water levende organismen.
    Noteer de vier veiligheidspictogrammen die op deze veiligheidskaart van toepassing zijn.
    (Bron: Examen VMBO-T, 2018-2)
  12. Ga na of het verantwoord is om chloor in te ademen.
  13. Ga met behulp van BINAS na waarom waterstof gevaarlijk kan zijn.
  14. Ga na of waterstof irriterend is voor de huid of ogen.
  15. Leg uit of het veilig is om koolstofmonoxide in te ademen.
  16. (1p) Wat is de functie van E-120.
  17. (1p) Een conserveringsmiddel wordt soms weergegeven met een E-nummer. Tussen welke getallen kan dit E-nummer liggen? Kies uit: E100 t/m E163, E200 t/m E252, E400 t/m E466 of E620 t/m E633.
  18. (1p) Welk vitamine kan worden aangeduid met E-322? Maak gebruik van Binas.
  19. (1p) Maagzuurremmers zijn medicijnen tegen overtollig maagzuur. In dit geneesmiddel zit o.a. de E-nummers 216 en E-218. Wat is de functie van deze E-nummers? Kies uit: bederf van het medicijn tegengaan, kleur geven aan het geneesmiddel, ontmenging van het geneesmiddel tegengaan of de smaak van het medicijn versterken.

 

§3     Experimenteren

In deze paragraaf komen we dan eindelijk toe aan het uitvoeren van experimenten. In de theorie bespreken we een aantal materialen die we gebruiken bij experimenteren.

Als we stoffen willen mengen of verwarmen, dan doen we deze stoffen vaak eerst in glaswerk. Een bekend voorbeeld is de reageerbuis. Dit is een lang, dun, glazen buisje dat wordt gebruikt als we werken met kleine hoeveelheden stof (zie de onderstaande afbeelding). Door de onderkant van een reageerbuis rustig heen en weer te schudden (te kwispelen) kan je de stoffen die erin zitten voorzichtig mengen. Als harder schudden nodig is, kan je de reageerbuis dichtmaken met een rubberen stop. Met een reageerbuisknijper kan de reageerbuis opgepakt worden en in een vlam verhit worden.


(Afbeelding: Alvy16; CC BY 4.0 )

Een type glaswerk waar we meer stof in kwijt kunnen is het bekerglas (zie de eerste onderstaande afbeelding). Daarnaast hebben we ook de erlenmeyer (zie de tweede afbeelding). Een erlenmeyer heeft een brede bodem en een smalle hals en als gevolg kan je dit type glaswerk gemakkelijk schudden zonder te morsen. Zowel het bekerglas als de erlenmeyer kunnen ook verwarmd worden met een brander. Ze worden hiervoor eerst op een driepoot gezet (zie de derde afbeelding). Een ander type glaswerk is de maatcilinder (zie de vierde afbeelding). Een maatcilinder is een lange cilinder met op de zijkant een maatverdeling waarmee we het volume van vloeistoffen kunnen bepalen. Meestal wordt de maatverdeling gegeven in milliliters. Maatcilinders zijn niet bedoeld om te verwarmen.

Hieronder zien we de links een buret. Door aan het kraantje onder aan de buret te draaien kan je gecontroleerd een bepaald volume vloeistof in bijvoorbeeld een erlenmeyer gieten. Merk op dat de schaalverdeling in dit geval van boven naar beneden loopt. Als je de buret tot "0 mL" vult en daarna telkens een beetje vloeistof toevoegt, dan kan je aan de vloeistofstand aflezen hoeveel er in totaal is toegevoegd. Rechts zien we een pipet. Dit is een klein glazen buisje met aan de bovenkant een rubberen ballonnetje. Als je hierin knijpt en dan loslaat als je de punt van de pipet in een vloeistof houdt, dan vult de pipet zich met de vloeistof.

Om stoffen te verwarmen gebruiken we een gasbrander (zie de onderstaande afbeelding). De branders in het scheikundelokaal werken op aardgas. Dit gas bestaat voornamelijk uit het brandbare methaan (CH4). Dit gas is kleurloos en geurloos en daarom niet door mensen te detecteren. Omdat het gevaarlijk kan zijn als dit gas in een afgesloten ruimte ontsnapt, is een geur toegevoegd, zodat we het aardgas direct kunnen herkennen. Als we het aardgas met een lucifer aansteken, dan reageert het gas met de zuurstof in de lucht. Bij deze reactie komt warmte en licht vrij—er ontstaat vuur.

Als je met de gasbrander wilt werken, zorg je eerst dat zowel de gaskraan als de twee draaiknoppen van de brander dicht zijn. Daarna draai je eerst de gaskraan een klein stukje open. Steek dan een lucifer aan en draai de onderste draaiknop van de brander een stukje open. Met deze knop wordt gas toegelaten in de brander. Steek dan met de lucifer de vlam aan. Als het goed is krijg je nu een gele vlam te zien.

De bovenste knop regelt de luchttoevoer. Op dit moment is deze knop nog dicht en als gevolg kan er maar weinig zuurstof bij de vlam komen. We spreken in dit geval van onvolledige verbranding. Bij dit type verbranding komt naast water en koolstofdioxide ook koolstof (C) en koolstofmonoxide (CO) vrij. Koolstofmonoxide is een onzichtbaar gas dat bij hoge concentratie gevaarlijk is voor de mens. Koolstof is een zwarte vaste stof die we in het dagelijks leven "roet" noemen. Het ontstaan van roet merken we bijvoorbeeld als we een stukje glas in deze vlam houden (zie de rechter onderstaande afbeelding). Omdat we geen roet op ons glaswerk willen hebben, wordt een gele vlam niet gebruikt voor het verwarmen van materialen. Als we brander even niet gebruiken, gebruiken we wel de gele vlam, omdat deze vlam het best zichtbaar is. De gele vlam wordt daarom ook wel de waarschuwingsvlam genoemd.


(Afbeelding: ... / Arthur Jan Fijalkowski; CC BY 3.0)

Als we stoffen willen verwarmen, dan zetten we de luchttoevoer verder open. Als we dit geleidelijk doen, zullen we eerst zien dat de vlam blauw wordt. Bij grote hoeveelheden zuurstof gaat de vlam daarnaast ook hoorbaar ruisen en wordt er een lichtblauwe kern in de vlam zichtbaar. We noemen deze vlammen de blauwe vlam en de ruisende vlam. De drie vlammen kan je in de onderstaande linker afbeelding zien. Hoe meer we de luchttoevoer openzetten, hoe heter de vlam wordt. Het topje van de lichtblauwe kern is het heetste deel van de vlam en daar worden dan ook materialen gehouden die we sterk willen verhitten.

Bij de blauwe vlam en de ruisende vlam vindt volledige verbranding plaats. Bij dit type verbranding ontstaat alleen koolstofdioxide (CO2) en waterdamp (H2O).

Waterdamp en koolstofdioxide zijn beide kleurloze en geurloze gassen. Ze zijn daardoor niet zichtbaar. We kunnen de aanwezigheid van deze stoffen wel aantonen met behulp van andere stoffen. De aanwezigheid van water of waterdamp kunnen we aantonen door het water te laten reageren met wit kopersulfaat. Deze stof krijgt na aanraking met water een blauwe kleur (zie de linker onderstaande afbeelding). Koolstofdioxide kan worden aangetoond door dit gas door helder kalkwater te laten stromen. Na aanraking met CO2 wordt deze vloeistof troebel wit (zie de onderstaande rechter afbeelding).


(Afbeelding: Benjah-bmm27; PD / CaesiumFluoride; CC BY-SA 3.0)

In de onderstaande afbeelding zijn de stoffen die ontstaan bij de verschillende vlammen nog eens overzichtelijk weergegeven:

         Leerdoelen:
  • Zorg dat je de verschillende typen glaswerk bij naam kent en kan herkennen
  • Zorg dat je begrijpt hoe je de drie vlammen bij een brander kan maken en zorg dat je weet of volledige of onvolledige verbranding plaatsvindt
  • Zorg dat je weet welke stoffen ontstaan bij volledige of onvolledige verbranding van aardgas
  • Zorg dat je weet dat je CO2 kan aantonen met kalkwater (doordat het wit en troebel wordt) en water met wit kopersulfaat (doordat het blauw wordt)

         Opdrachten
  1. (1p) In de onderstaande afbeelding is een veelgebruikt voorwerp uit de scheikunde weergegeven. Hoe heet dit voorwerp.


    (Bron: Examen VMBO-T, 2022-2)
  2. (3p) Leg uit wanneer je gebruik maakt van de gele vlam, wanneer van de blauwe vlam en wanneer van de ruisende vlam.
  3. (3p) Geef bij elk van de volgende vlammen aan of de gas- en de luchttoevoerknop dicht moet, een beetje open moet of flink open moet:
    1. Een grote gele vlam
    2. Een grote ruisende vlam
    3. Een kleine blauwe stille vlam
  4. Welk deel van de sterk ruisende vlam is het heetst? Kies uit nummer 1 tot en met 4 in de volgende afbeelding.

    (Bron: Examen VMBO-T, 2023-2)
  5. Welke van de onderstaande afbeeldingen geeft de juiste afstelling van de brander weer bij een sterk ruisende vlam?

    (Bron: Examen VMBO-T, 2023-2)
  6. (2p) Schrijf op welke stoffen ontstaan bij de volledige en de onvolledige verbranding van methaan.
  7. (1p) Hoe kan je het ontstaan van koolstof bij onvolledige verbranding van aardgas aantonen?
  8. (2p) Hoe kan je het ontstaan van koolstofdioxide bij de verbranding van aardgas aantonen?
  9. (2p) Hoe kan je het ontstaan van water aantonen bij de verbranding van aardgas?
  10. (2p) In een cv-ketel (centraleverwarmingsketel) wordt aardgas verbrand om hiermee water te verwarmen. Dit warme water wordt dan naar de verwarmingen in het huis rondgepompt. Als er in de cv-ketel onvolledige verbranding optreedt kan dit gevaarlijk zijn. Leg uit waarom.
  11. De hoeveelheid water in lucht kan worden bepaald door de lucht te leiden door twee achter elkaar geplaatste U-vormige buisjes. Beide buisjes zijn gevuld met difosforpentaoxide. Deze vaste stof reageert met water uit de lucht tot de vaste stof fosforzuur (H3PO4). Wanneer deze reactie optreedt verandert de massa in het buisje. Beide buisjes worden vooraf en na afloop van de proef gewogen. Het laatste buisje (buisje 2) dient als controle. Als de massa van buisje 2 niet is veranderd, heeft al het water uit de lucht gereageerd in het eerste buisje (buisje 1).

    1. (1p) Hoe wordt met buisje 1 de massa van de waterdamp bepaald?
    2. (1p) Leg uit waarom het belangrijk is voor een goede meting dat de massa in buisje 2 niet verandert.
    3. (1p) Een leerling beweert dat je in buisje 2 ook wit kopersulfaat kan gebruiken in plaats van difosforpentaoxide. Leg dit uit.

    (Bron: Examen VMBO-T, 2022-1)
  12. Een leerling wil aantonen dat bij verbranding van methaan in een brander CO2 ontstaat. Hij gebruikt daarvoor de onderstaande opstelling. De gassen die bij de verbranding ontstaan worden door een vloeistof geleid.

    1. (1p) Welke vloeistof is hier gebruikt?
    2. (1p) Hoe kan de leerling zien of er daadwerkelijk CO2 is ontstaan bij de verbranding van methaan?

    (Bron: Examen VMBO-T, 2021-2)

 

§4     Temperatuur

In deze paragraaf gaan we begrijpen wat temperatuur met stoffen doet. Het kan stoffen doen krimpen en uitzetten, kan de dichtheid veranderen en kan zorgen voor faseovergangen.

De temperatuur wordt veroorzaakt door de beweging van de deeltjes waaruit een stof bestaat. Hoe sneller deze deeltjes bewegen, hoe hoger de temperatuur van de stof.

Andersom geldt ook dat hoe langzamer de atomen bewegen, hoe lager de temperatuur wordt. Als we een voorwerp blijven afkoelen, dan komt er een moment dat alle atomen stil staan. Dit gebeurt pas bij -273 °C. Op dat moment is de allerlaagste temperatuur bereikt. We noemen deze temperatuur het absolute nulpunt. Het is niet mogelijk dat een materiaal nog kouder wordt, want de atomen staan bij deze temperatuur immers al helemaal stil.

Sinds de ontdekking van het absolute nulpunt is de eenheid kelvin (K) bedacht. Er geldt:

$$ 0 \text{ K} = -273\,^{\circ}\text{C} $$

We kunnen kelvin en graden Celsius als volgt in elkaar omschrijven:

$$ T(K) = T(\,^{\circ}\mathrm{C}) + 273 $$ $$ T(\,^{\circ}\mathrm{C}) = T(K) - 273 $$

T(K) staat voor de temperatuur in kelvin. T(°C) staat voor de temperatuur in graden Celsius.

Als voorbeeld zien we hieronder het smeltpunt van water weergegeven. Water smelt bij 0 oC. Volgens de bovenstaande formules komt dit overeen met 0 oC + 273 = 273 K. Het kookpunt van water is 100 oC. Dit komt overeen met 100 oC + 273 = 373 K.

Eerder hebben we gelezen dat hoe hoger de temperatuur is, hoe sneller de deeltjes van de stof bewegen. Er geldt ook dat hoe sneller deeltjes bewegen, hoe harder ze de omliggende deeltjes wegduwen. Het materiaal neemt als gevolg meer ruimte in (zie de onderstaande animatie). Over het algemeen geldt daarom dat stoffen uitzetten als de temperatuur toeneemt en krimpen als de temperatuur weer afneemt.

Bij het uitzetten van een stof neemt de dichtheid af. De dichtheid is de massa van een kubieke centimeter van een bepaalde stof. Als de deeltjes van de stof verder van elkaar af staan, dan passen er minder deeltjes in een kubieke centimeter, waardoor de dichtheid lager is.

De dichtheid heeft weer invloed op drijven en zinken. Een stof met een lagere dichtheid drijft op een stof met een hogere dichtheid. Dit geldt niet alleen voor vaste stoffen in vloeistoffen. Ook warme gassen en vloeistoffen stijgen op en "drijven" op koudere gassen en vloeistoffen.

Met temperatuur kunnen we ook de verschillende fasen begrijpen. Stoffen bevinden zich meestal in één van de volgende drie fasen:

In de scheikunde worden deze fasen aangegeven met de letters g ("gas)", l ("liquid" = vloeibaar) en s ("solid" = vast).

We kennen allemaal de drie fasen van water. Vast water noemen we ijs, vloeibaar water noemen we gewoon "water" en water in gasvorm noemen we waterdamp. Bij een vaste stof zitten de deeltjes in de stof op een vaste plaats en kunnen op deze plaats alleen een beetje heen en weer trillen (zie de linker onderstaande afbeelding). Bij een vloeistof zitten de deeltjes nog steeds tegen elkaar aan, maar hebben ze geen vaste plek meer. Ze kunnen nu vrij langs elkaar heen bewegen (zie de middelste afbeelding). Dit verklaart de beweeglijkheid van vloeistoffen. In een gas zijn de atomen helemaal los van elkaar en vliegen kriskras door elkaar heen (zie de rechter afbeelding). Als een gas kleurloos is (wat bijvoorbeeld bij lucht het geval is), dan zijn gassen niet zichtbaar. De individuele deeltjes zijn immers te klein om met het oog waar te nemen.

Als een stof van de ene fase overgaat naar een andere, dan spreken we van een faseovergang. Als een vloeistof in een vaste stof verandert, dan noemen we dit stollen (het stollen van water noemen we ook wel bevriezen). Als een vaste stof in een vloeistof verandert, dan noemen we dit smelten. Water stolt als we het afkoelen onder de 0 °C en smelt als we het verwarmen boven de 0 °C. We noemen 0 °C daarom het smeltpunt of het stolpunt van water. Verschillende stoffen hebben een verschillend smeltpunt. In BINAS kan je het smeltpunt van een heel aantal stoffen vinden.

Als een vloeistof in een gas verandert, dan noemen we dit verdampen. Als een gas in een vloeistof verandert, dan noemen we dit condenseren (of condensatie). Water verdampt als we het verwarmen boven de 100 °C en condenseert als we het afkoelen onder de 100 °C. We noemen 100 °C daarom het kookpunt van water. Ook het kookpunt van verschillende stoffen kunnen we vinden in BINAS.

Een stof is vast als de temperatuur onder het smeltpunt ligt. Een stof is vloeibaar als de temperatuur tussen het smeltpunt en het kookpunt ligt en een stof is gasvormig als de temperatuur boven het kookpunt ligt (zie de onderstaande afbeelding).

         Leerdoelen:
  • Zorg dat je graden Celsius en kelvin in elkaar kan omzetten
  • Zorg dat je smeltpunten en kookpunten kan vinden in BINAS en dat je ze kan omrekenen van Kelvin naar graden Celsius
  • Zorg dat je uitzetten, krimpen en faseovergangen op deeltjesniveau kan beschrijven met behulp van het begrip temperatuur
  • Zorg dat je weet dat de dichtheid afneemt als de temperatuur toeneemt en dat stoffen met lagere dichtheid drijven op gassen en vloeistoffen met hogere dichtheid

         Opdrachten
  1. (4p) Schrijf de volgende temperaturen om:
    1. 0 K = ... °C
    2. 473 K = ... °C
    3. 0 °C = ... K
    4. 100 °C = ... K
  2. (2p) Geef het smeltpunt en kookpunt van water in zowel graden Celsius als Kelvin.
  3. (2p) Water kookt bij 100 °C en alcohol bij 351 K. Leg uit wat een hogere temperatuur heeft: kokend water of kokend alcohol?
  4. (3p) Leg uit of de stoffen aceton, glucose en methaan vast zijn bij kamertemperatuur (20 °C).
  5. (2p) Bij het vervoeren van waterstof wordt het gas afgekoeld totdat het vloeibaar wordt. Geef de temperatuur in oC waarbij dit gebeurt en licht je antwoord toe met een berekening. Ga uit van normale druk (p=p0).
  6. (1p) Leg uit waarom een vaste stof krimpt als de temperatuur afneemt.
  7. Lucht bevat waterdamp. Het maximale gehalte waterdamp in lucht is afhankelijk van de temperatuur. Dit is in onderstaande tabel weergegeven.
    temperatuur (oC)maximale gehalte
    waterdamp
    (g per kg lucht)
    1510,7
    2014,6
    2520,0
    3027,3

    1. (2p) Geef twee redenen waarom we waterdamp niet kunnen zien.
    2. (1p) Welke notatie geeft het verdampen van water weer? Kies uit:
      (s) → (l)
      (l) → (s)
      (g) → (l)
      (l) → (g)
    3. (4p) Bereken het aantal kg water dat maximaal aanwezig kan zijn in 150 m3 lucht. Ga hierbij uit van de volgende gegevens:
      - De temperatuur van de lucht is 20 oC.
      - De massa van 1,00 m3 lucht is 1,20 kg.
    4. (3p) Wanneer warme lucht afkoelt, kan water uit de lucht condenseren. Geef van de volgende uitspraken aan of ze juist of onjuist zijn:
      - De watermoleculen komen gemiddeld dichter bij elkaar.
      - Het maximale watergehalte in de lucht wordt bereikt.
      - De watermoleculen bewegen sneller.

    (Bron: Examen VMBO-T, 2022-1)
  8. Bij het maken van een bepaald type glasplaten wordt gesmolten glas op vloeibare tin gegoten. Het glas stolt op het vloeibare tin waardoor mooie gladde glasplaten ontstaan. De temperatuur van het tin is 1100 oC aan het begin van dit tinbad en daalt geleidelijk tot 600 oC aan het einde van het bad. Tot slot wordt de gevormde laag glas verder gekoeld en op maat gesneden waarna de glasplaten klaar zijn.
    1. (2p) Geef aan wat er gebeurt met de deeltjes in het glas tijdens het afkoelen. Geef aan of de gemiddelde afstand tussen de deeltjes afneemt of niet. En geef aan of de deeltjes tijdens het afkoelen stoppen met bewegen of niet.
    2. (3p) Leg uit aan de hand van een berekening dat het tin aan het einde van het tinbad nog steeds vloeibaar is. Neem aan dat het kookpunt van tin hoger is dan 1100 oC.
    3. (1p) Is de temperatuur waarbij glas stolt lager of hoger dan het smeltpunt van tin? Leg dit uit aan de hand van de tekst in deze opdracht.
    4. (1p) Het glas blijft op het tin drijven. Welke verklaring kan hiervoor worden gegeven? Kies uit volgende opties:
      - Glas heeft een kleinere dichtheid dan tin.
      - Glas heeft minder massa dan tin.
      - Glas is onoplosbaar in tin.
      - Glas reageert niet met tin.

    (Bron: Examen VMBO-T, 2022-2)

 

§5     Chemische reacties en faseovergangen

In deze paragraaf gaan we het verschil tussen chemische reacties en natuurkundige processen bestuderen.

Scheikunde gaat over de eigenschappen van stoffen en wat er gebeurt als we deze stoffen mengen. In sommige omstandigheden kunnen stoffen veranderen in compleet andere stoffen. Als dit gebeurt, spreken we van een chemische reactie. Bijvoorbeeld een kleurverandering of een verbranding is een aanwijzing dat er een chemische reactie heeft plaatsgevonden.

Een bekend voorbeeld van een chemische reactie is de verbrandingsreactie. In de eerste onderstaande afbeelding zien we de verbranding van staalwol. Staalwol bestaat voornamelijk uit ijzer en bij hoge temperaturen reageert het met de zuurstof in de lucht. Dit gebeurt bijvoorbeeld als je een batterij tegen staalwol aanhoudt. Bij de verbranding van ijzer ontstaat ijzeroxide. In het dagelijks leven noemen we dit ook wel "roest". Bij deze reactie is zuurstof en ijzer dus veranderd in een nieuwe stof: ijzeroxide. Er heeft dus een chemische reactie plaatsgevonden. In de natuur roest ijzer ook, maar dat gaat veel langzamer (zie de tweede afbeelding).


(Afbeelding: alennzg / Islander61; CC BY-SA 4.0)

Chemische reacties kunnen we beschrijven met een reactieschema. In een reactieschema schrijven we schematisch op welke stoffen voor de reactie aanwezig waren (de reactanten) en welke stoffen na de reactie zijn ontstaan (de producten):

$$ \mathrm{reactant} 1 + \mathrm{reactant} 2 + \mathrm{...} \rightarrow \mathrm{product} 1 + \mathrm{product} 2 + \mathrm{...} $$

Laten we als voorbeeld de verbranding van staalwol nemen. Zoals we eerder gelezen hebben, reageert het ijzer waaruit staalwol bestaat met de zuurstof in de lucht en ontstaat er ijzeroxide. De reactanten zijn dus ijzer en zuurstof en het product is ijzeroxide. We schrijven dit op als:

$$ \mathrm{ijzer} + \mathrm{zuurstof} \rightarrow \mathrm{ijzeroxide} $$

Een ander voorbeeld van een chemische reactie treedt op als we carbid (ook wel calciumcarbide genoemd) combineren met water. Er ontstaat hierbij de stof ethyn en calciumhydroxide. Er geldt dus:

$$ \mathrm{carbid} + \mathrm{water} \rightarrow \mathrm{ethyn} + \mathrm{calciumhydroxide} $$

Als we de stof ethyn combineren met lucht en dan aansteken, dan ontstaat een explosie waarbij de gassen koolstofdioxide en waterdamp vrijkomen.

$$ \mathrm{carbid} + \mathrm{zuurstof} \rightarrow \mathrm{koolstofdioxide} + \mathrm{waterdamp} $$

In sommige delen van Nederland wordt rond de jaarwisseling carbid en water in een melkbus gedaan. Bij het ontsteken schiet de dop van de melkbus soms meters ver weg en is een grote knal te horen en een vlam te zien.


(Afbeelding: Jjdez; CC BY-SA 3.0)

Het is belangrijk chemische reacties te kunnen onderscheiden van natuurkundige processen. Bij een natuurkundig proces verandert een stof, maar er ontstaat geen nieuwe stof en er is dan dus ook geen sprake van een chemisch reactie. Een voorbeeld hiervan is het uitzetten of krimpen van een gas door het te verwarmen of af te koelen. Als we bijvoorbeeld een ballon in een koude vloeistof duwen, dan wordt het gas kouder en daardoor krimpt de ballon. Dit is een voorbeeld van een natuurkundig proces, want er ontstaan bij deze verandering geen nieuwe stoffen.

Andere voorbeelden van natuurkundige processen zijn faseovergangen. Bij een faseovergang ontstaat geen nieuwe stof. We krijgen gewoon dezelfde stof te zien, alleen dan in een andere fase. Of je water nu in gas-, vloeibare- of vaste vorm tegenkomt, het blijft water. Een faseovergang is daarom geen chemische reactie, maar een natuurkundig proces.

Er zijn ook stoffen die niet in alle fasen voorkomen. Neem bijvoorbeeld hout. Er bestaat geen "vloeibaar hout" of "houtgas". Suiker komt ook niet in alle fasen voor. Als we suiker verwarmen vindt er een chemische reactie plaats. Hierbij ontstaat o.a. een bruine stof genaamd karamel.

         Leerdoelen:
  • Zorg dat je het verschil kent tussen chemische reacties en natuurkundige processen
  • Zorg dat je reactieschema's (in woorden) kan uitschrijven

         Opdrachten
  1. (4p) Leg uit welk van de volgende fenomenen chemische reacties zijn en welke faseovergangen:
    1. Staal wordt bij hoge temperatuur vloeibaar.
    2. Als we suiker verwarmen ontstaat er karamel.
    3. Wolken ontstaan als waterdamp in de lucht condenseert tot waterdruppels.
    4. Een stuk hout verbrandt tot as.
    5. Binnen de aarde is het warm genoeg dat steen smelt.
    6. Met inktwisser kan je blauwe inkt transparant maken.
    7. Een persoon bakt een ei.
    8. Een ijsje bevriest in de vriezer.
    9. Water wordt met behulp van elektriciteit ontleed tot waterstof en zuurstof.
    10. Als je sla te lang bewaart, gaat het rotten.
  2. (1p) Stel je krijgt een glas cola met een aantal ijsklontjes. Geef aan in welke fase de frisdrank, de koolstofdioxide (de "prik") en het ijs zich bevinden.
  3. (2p) Geef bij elk van de volgende stoffen aan of ze in vloeibare vorm bestaan:
    1. Hout
    2. IJzer
    3. Suiker
    4. Goud
    5. Zout
  4. (1p) Bij een botsing van een auto komt gas vrij uit een gasfles waarmee snel een airbag wordt opgeblazen. Het gas zat eerder onder hoge druk in de gasfles. Leg uit of het opblazen van de airbag een chemische reactie of een natuurkundig proces is.
  5. (1p) Vuurwerk bevat buskruit. Buskruit is explosief. Leg uit of het verbranden van buskruit een chemische reactie of een natuurkundig proces is.
  6. (1p) Leg uit of het smelten van kaarsvet een chemische reactie of een natuurkundig proces is.
  7. (1p) Leg uit of het verbranden van kaarsvet een chemische reactie of een natuurkundig proces is.
  8. (1p) Een stuk ijzer gaat rood gloeien bij hoge temperatuur. Leg uit of dit een chemische reactie of een natuurkundig proces is.
  9. Verf is een vloeistof met daarin fijn verdeelde vaste stof. Na het aanbrengen van een verflaag verdampt de vloeistof.
    1. (1p) Vul de zin aan: bij het verdampen gaat een stof over van de _________ fase in de _________ fase.
    2. (1p) Leg ook uit of we hier te maken hebben met een chemische reactie of een natuurkundig proces.

    (Bron: Examen VMBO-T, 2021-2)
  10. (2p) Bij de verbranding van staalwol ontstaat roest. Staalwol bestaat voornamelijk uit ijzer. Schrijf het reactieschema op dat bij deze reactie hoort.
  11. (1p) Als we het metaal calcium in water gooien reageert het heftig. Bij de reactie ontstaat kalk en waterstofgas. Schrijf het reactieschema op dat bij deze reactie hoort.
  12. (1p) De stof dynamiet kan ontploffen door het bloot te stellen aan een schokgolf. Bij het ontploffen van dynamiet ontstaan de gassen koolstofdioxide, waterdamp, stikstof en zuurstof. Schrijf het reactieschema op dat bij deze reactie hoort.

 

§6     Verbranding

In deze paragraaf gaan we bestuderen welke factoren nodig zijn voor verbranding.

Brand kunnen we herkennen aan een aantal verbrandingsverschijnselen, namelijk vlammen, roet, rook, vonken en warmte. Vlammen bestaan uit gloeiend gas, roet is de zwarte stof genaamd koolstof die bij veel verbranding ontstaat, rook bestaat uit zwevende vaste roetdeeltjes, vonken zijn kleine gloeiende deeltjes die wegschieten van de brandstof en bij verbranding komt ook altijd warmte vrij.

Een stof vliegt in brand als aan drie voorwaarden wordt voldaan. De eerste factor is de aanwezigheid van een brandstof, de tweede factor is de aanwezigheid van genoeg zuurstof en de derde factor is een temperatuur boven de ontbrandingstemperatuur.

Misschien had je naast de drie factoren ook verwacht dat het noodzakelijk zou zijn dat de brandstof "aangestoken" wordt. Dit is echter niet noodzakelijk. Als aan de bovenstaande eisen wordt voldaan, dan vliegt de stof automatisch in brand (dit zie je bijvoorbeeld gebeuren in het onderstaande filmpje). De vlam van een lucifer kan natuurlijk wel helpen om de ontbrandingstemperatuur te bereiken.

The Chemistry of Fire, 1948

Als we een brand willen blussen, dan kan dat door één of meerdere van de drie factoren weg te nemen. Als bijvoorbeeld olijfolie in een koekenpan in brand vliegt, dan is het voldoende om een deksel op de pan te plaatsen. Als gevolg raakt de zuurstof in de pan op en stopt de verbrandingsreactie. De brandweer gebruikt vaak water om vuur te doven. Water werkt omdat het afkoelt. Het zorgt ervoor dat de temperatuur van de brandstof onder de ontbrandingstemperatuur komt. Een andere mogelijkheid om een brand te blussen is met een CO2-brandblusser. De koolstofdioxide in de blusser duwt de zuurstof in de lucht weg bij het vuur en daardoor gaat het vuur uit. We zien dit effect in het onderstaande filmpje.



         Leerdoelen:
  • Zorg dat je de verbrandingsverschijnselen kent (namelijk: vlammen, roet, rook, vonken en warmte)
  • Zorg dat je kan redeneren met de drie voorwaarden die nodig zijn voor verbranding en hoe dit gebruikt kan worden om branden te doven

         Opdrachten
  1. (1p) Als je een bekerglas over een kaars zet, dan gaat de kaars na verloop van tijd uit. Leg uit welk van de drie factoren ontnomen wordt.
  2. (1p) Als een brandweer een flinke brand in een huis blust, dan houden ze vaak de aangrenzende huizen ook nat. Leg uit hoe dit voorkomt dat de brand overslaat.
  3. (1p) Welke verbrandingsvoorwaarde kan worden weggenomen met een blusdeken?
  4. (1p) Een blusapparaat werkt met koolzuur. Je spuit daarmee een laag koude koolzuur over de brand. Op welke twee manieren blust dit blusapparaat?
  5. (1p) In grote bossen wordt soms een strook bos gekapt. Zo'n strook noemen we een brandgang. De gang is breed genoeg dat het vuur niet kan oversteken bij een eventuele bosbrand. Welk van de drie factoren voor ontbranding wordt hier weggenomen?
  6. (1p) Bij het aansteken van een barbecue wordt vaak geblazen tegen de kolen. Waarom is dit?
  7. De olijfolie in je pan vliegt in brand.
    1. (1p) Waarom is het niet verstandig deze brand met water te doven?
    2. (1p) Noem een andere methode waarmee je de brand kan blussen.
  8. Door een batterij tegen staalwol te drukken gaat het gloeien.
    1. (1p) Hierdoor wordt aan een verbrandingsvoorwaarde voldaan. Welke?
    2. (1p) Als je gloeiend staalwol in de nacht rondslingert aan een koord, worden mooie cirkels van licht zichtbaar. Er schieten dan ook gloeiende vaste deeltjes uit de staalwol. Hoe worden deze deeltjes genoemd.
    3. (1p) Door het staalwol harder rond te slingeren gaat het feller gloeien. Leg uit hoe dit komt.

    (Bron: Examen VMBO-T, 2021-1)
  9. Met een fles met daarin CO2 uit de schenken over een kaarsje, kan het kaarsje gedoofd worden (zie het filmpje in de paragraaf).
    1. (1p) De vlam dooft doordat een verbrandingsvoorwaarde is weggenomen. Leg uit welke verbrandingsvoorwaarde dit is.
    2. (1p) Het schenken van koolstofdioxide is mogelijk door een verschil in stofeigenschap. Welk verschil is dit? Kies uit:
      - De massa van koolstofdioxide is groter dan die van lucht.
      - Het smeltpunt van koolstofdioxide is lager dan dat van lucht.
      - De dichtheid van koolstofdioxide is groter dan die van lucht.
      - Het volume van koolstofdioxide is lager dan dat van lucht.
  10. We kunnen koper(II)oxide (CuO) met methaan laten reageren in een bolbuis (zie de onderstaande afbeelding). De koper(II)oxide wordt in de bolbuis geplaatst en het methaan stroomt door de buis. Het koper(II)oxide reageert met een deel van het methaan tot koper, koolstofdioxide en water. Hierbij ontstaat een gasmengsel. Dit gasmengsel stroomt de bolbuis uit en wordt verbrand.

    1. (1p) Noteer het reactieschema dat bij de reactie met koper(II)oxide past.
    2. (1p) Noteer het reactieschema dat bij het verbranden van methaan past.
    3. (1p) In het voorschrift staat dat het methaan eerst enige tijd door de bolbuis moet stromen voordat het uitstromende gasmengsel wordt aangestoken. Dit voorkomt dat in de bolbuis een gasmengsel kan ontstaan dat bij ontbranding een explosie veroorzaakt. Bij het doorstromen wordt een verbrandingsvoorwaarde weggenomen. Welke verbrandingsvoorwaarde is dit?

    (Bron: Examen VMBO-T, 2022-2)

 

§7     Het practicumverslag

In deze laatste paragraaf bespreken we de opzet van een goed practicumverslag. Je loopt de onderstaande stappen door tijdens het uitvoeren van een experiment. Daarna werkt je de stappen nauwkeurig uit in een verslag.

1. Onderzoeksdoel of onderzoeksvraag

Schrijf kort op wat het doel van de proef is of schrijf de onderzoeksvraag op.

2. Hypothese

Geef, zo mogelijk, een redelijke schatting van wat het resultaat van je experiment zal zijn. Doe dit aan de hand van de natuurkunde theorie, algemene kennis of een snelle meting. Leg kort uit waar deze schatting op gebaseerd is. Bij sommige experimenten is het niet mogelijk een redelijke hypothese te geven. In dat geval kan je deze stap overslaan.

3. Het werkplan

Beschrijf hier hoe je het experiment hebt uitgevoerd. Begin met een beschrijving van de opstelling en maak hier een schematische tekening bij. Noteer daarna welke metingen je hebt uitgevoerd en welke formules en natuurkundige technieken je gebruikt hebt. Noem hier nog niet welke specifieke meetwaarden je gevonden hebt. Dat komt pas in de volgende stap. Je wilt hier alleen opschrijven wat je gedaan hebt om op het eindresultaat te komen. Denk eraan dat het nauwkeuriger is om een meting meerdere keren uit te voeren en dan het gemiddelde te nemen.

4. Waarnemingen en verwerking

Voer hier de stappen uit die je in de vorige vraag beschreven hebt. Noteer o.a. je metingen die je verricht hebt. Dit worden ook wel waarnemingen genoemd. De waarnemingen kan je dan verwerken door er bijvoorbeeld mee te rekenen of door de gegevens in tabellen en grafieken te gebruiken. Denk bij het maken van grafieken aan de grootheden en eenheden bij de assen. Zet daarna alle meetpunten zo nauwkeurig mogelijk in de grafiek en trek dan een trendlijn door de punten. Het komt regelmatig voor dat een aantal meetpunten niet op de trendlijn liggen. Dit komt omdat zo goed als alle metingen onnauwkeurigheden bevatten.

5. De conclusie

Hier trek je een conclusie op basis van je resultaten. Zorg dat je conclusie goed aansluit op je onderzoeksdoel of onderzoeksvraag. Vergelijk je resultaten zo mogelijk ook met je hypothese.

6. De discussie

Metingen zijn altijd onzeker. Noteer welke meetfouten in je onderzoek een rol hebben gespeeld en hoe ze de conclusie hebben beïnvloed. Als je geen goede conclusie hebt kunnen trekken, vermeld hier dan hoe het experiment aangepast moet worden om wel een goede conclusie te kunnen trekken.

Let op: het gaat bij de discussie om inhoudelijke kritiek op het experiment en de meetinstrumenten die je van de docent gekregen hebt. Het gaat niet om jullie persoonlijke werkhouding. Schrijf hier dus niet zoiets als "we hadden beter moeten samenwerken". Wel een goede toevoeging is: "het meten van de tijd met een stopwatch is onnauwkeurig".

         Leerdoelen:
  • Zorg dat je de stappen van een goed practicumverslag kent en kunt toelichten
  • Zorg dat je waarnemingen en conclusies goed kan onderscheiden tijdens het uitvoeren van een experiment

         Opdrachten
  1. Een leerling wil bepalen of er koolstofdioxide vrijkomt bij de volledige verbranding van aardgas. Ze laat het gas dat vrijkomt door kalkwater stromen.
    1. (1p) Noem een mogelijke onderzoeksvraag bij dit experiment.
    2. (1p) De leerling noteert dat het kalkwater troebel wordt. Is dit een waarneming of een conclusie?
    3. (2p) Schrijf een conclusie op basis van de waarneming. Vul hierbij de volgende zinnen aan:
      Waarneming: _________
      Conclusie bij deze waarneming: _________ .
  2. Een leerling verbrandt 25 gram staalwol met een batterij om te bepalen hoeveel zuurstof hiermee minimaal kan reageren. De massa na de verbranding is 28 gram. Het is niet bekend of alle staalwol bij de verbranding gereageerd heeft.
    1. (2p) Geef de waarnemingen behorende bij dit experiment.
    2. (2p) Verwerk de gegevens en geeft op basis hiervan de conclusie.
    3. (1p) Geef een discussiepunt.

Stoffen die je uit je hoofd moet kennen:

Moleculen

Water

H2O

Koolstofdioxide

CO­2

Koolstofmonoxide

CO

Methaan

CH4



BINAS:
1 Omrekenen kelvin en graden Celsius
15-17 Dichtheid, smeltpunt en kookpunt van verschillende stoffen
39 Veiligheidspictogrammen
40 Informatie over gevaarlijke chemicaliën
45 E-nummers