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

Hoofdstuk 4
Atomen en Moleculen

§1 Het periodiek systeem
§2 Metalen
§3 Moleculaire stoffen
§4 Naamgeving
§5 Koolwaterstoffen
§6 Het milieu
§7 Scheiden en ontleden



§1     Het periodiek systeem

In dit hoofdstuk gaan we kijken naar de verschillende stoffen waar de wereld uit bestaat. Het blijkt dat de wereld bestaat uit 118 verschillende atomen. Deze atomen kunnen gecombineerd worden tot zogenaamde metaalroosters, moleculen en zouten. Metaalroosters en moleculen bespreken we in dit hoofdstuk en zouten in het volgende hoofdstuk. In deze paragraaf beginnen we met het bestuderen van atomen.

De wereld bestaat uit miljoenen soorten stoffen, maar al deze stoffen blijken te bestaan uit een combinatie van slechts 118 soorten kleine bolvormige deeltjes die we atomen noemen. Elk van de 118 atoomsoorten heeft een naam en een symbool. Dit symbool bestaat uit een hoofdletter en in sommige gevallen ook een kleine letter (zie de onderstaande afbeelding).

In de 19de eeuw zijn door de wetenschapper Dmitri Mendelejev de atoomsoorten op rij gezet van de lichtste tot de zwaarste. Hij ontdekte toen dat de eigenschappen van de stoffen zich in een vast patroon herhaalden. Bijvoorbeeld, atoom nummer 2 is niet reactief, atoom nummer 3 juist wel en 4 iets minder. Dit herhaalde zich bij atoom 10 (niet reactief), atoom 11 (reactief) en atoom 12 (iets minder reactief). Mendelejev kwam toen op het briljante idee om de stoffen met gelijke eigenschappen onder elkaar te noteren. Het resultaat is de bovenstaande tabel, genaamd het periodiek systeem der elementen. We lezen dit systeem van links naar rechts en dan rij voor rij naar beneden. De (horizontale) rijen worden ook we periodes genoemd en de (vertikale) kolommen worden groepen genoemd. Deze groepen en kolommen zijn hierboven genummerd. Merk op dat de eerste periode maar twee elementen heeft. De tweede heeft er acht. Etc. Je kan een soortgelijke tabel in BINAS vinden.

De atoomsoorten die hieronder in grijs zijn weergegeven noemen we metalen. De atoomsoorten die blauw zijn weergegeven noemen we niet-metalen. De atomen in de witte vlakjes worden metalloïden genoemd en zitten qua eigenschappen tussen metalen en niet-metalen in.

De volgende atoomsoorten en de bijbehorende symbolen moet je uit je hoofd kennen:

Metaalatomen Niet-metaalatomen
Natrium Na Waterstof H
Kalium K Koolstof C
Magnesium Mg Stikstof N
Calcium Ca Fosfor P
Barium Ba Zuurstof O
Chroom Cr Zwavel S
IJzer Fe Fluor F
Nikkel Ni Chloor Cl
Platinum Pt Broom Br
Koper Cu Jood I
Zilver Ag Helium He
Goud Au Neon Ne
Zink Zn Argon Ar
Cadmium Cd
Kwik Hg
Aluminium Al
Tin Sn Metalloïde
Lood Pb Silicium Si


         Leerdoelen:
  • Zorg dat je de groep en de periode van een element uit het periodiek systeem kan achterhalen met BINAS
  • Zorg dat je kan achterhalen welke elementen metalen, niet-metalen en metalloïden zijn
  • Zorg dat je de namen en symbolen kent van de atoomsoorten uit de tabel in de paragraaf

         Opdrachten
  1. Leer de elementen herkennen met het volgende programma. Ga net zolang door tot je alles goed hebt.
  2. (3p) Geef aan of de volgende stoffen metalen, metalloïden of niet-metalen zijn: Mg, S, Xe, Tc, Mn, Si, V, As.
  3. (1p) In welke groep en in welke periode van het periodiek systeem staat natrium?
  4. (1p) Welk van de volgende elementen staan in dezelfde periode: goud, zilver, koper, zink.
  5. (1p) Noem de eerste drie atoomsoorten van groep 18. Gebruik de volledige naam en het symbool.
  6. (1p) Welke atoomsoort is zwaarder: magnesium of koolstof. Leg je antwoord uit.

 

§2     Metalen

In deze paragraaf bestuderen we een aantal eigenschappen van metalen.

Metalen zijn te herkennen aan de volgende stofeigenschappen:

Daarnaast is het ook waar dat de meeste metalen grijs zijn, maar zeker niet allemaal. Goud is bijvoorbeeld geel en koper is oranje (zie de linker onderstaande afbeelding). Het metaal kwik is ook een uitzondering, omdat het vloeibaar is bij kamertemperatuur (zie de rechter afbeelding).


(Afbeelding: images-of-elements.com; CC BY-SA 3.0; Marmall4; CC BY 3.0)

Je kunt kwik tegenwoordig niet meer kopen, omdat het erg giftig is. We moeten het daarom dus even doen met het volgende filmpje:

In de onderstaande afbeelding zijn de metalen in het periodiek systeem in het grijs aangegeven.

De metalen in de eerste linker twee kolommen van het periodiek systeem worden de zeer onedele metalen genoemd. Deze metalen zijn extreem reactief. De stoffen in de eerste kolom reageren bijvoorbeeld heftig met water en zuurstof. Een voorbeeld is het metaal natrium. In het onderstaande filmpje kan je deze reactie zien.

De metalen in de tweede kolom reageren iets minder heftig, maar als ze worden verwarmd, reageren ze behoorlijk met zuurstof. Hieronder zien we bijvoorbeeld een foto en een filmpje van de verbranding van magnesium. Deze chemische reactie zorgt voor een fel wit licht.

De stoffen zilver (Ag), goud (Au) en platina (Pt) worden edele metalen genoemd. Deze metalen reageren niet of nauwelijks met andere stoffen.


(Afbeelding: Alchemist-hp; CC BY-SA 3.0 / Alchemist-hp; CC BY-SA 3.0 / Robert Lavinsky; CC BY 3.0)

De overige metalen noemen we de onedele metalen. Deze metalen zijn wel reactief, maar deze reacties verlopen meestal langzaam. Het roesten van ijzer is een voorbeeld hiervan. Het reageren van een metaal met zuurstof noemen we over het algemeen oxideren of corrosie. Alleen de oxidatie van ijzer noemen we ook wel roesten. Zeer onedele en onedele metalen komen we nooit in elementaire vorm tegen in de natuur. Dit is goed te begrijpen, omdat ze gemakkelijk reageren met stoffen als water en zuurstof.

Een nadeel van de corrosie van ijzer is dat roest erg broos is en zuurstof daardoor gemakkelijk bij het ijzer komt onder de roestlaag, waardoor het verder blijft roesten. Dit werkt anders bij o.a. koper, aluminium, tin, chroom en zink. Deze metalen zijn meer corrosiebestendig. Dit komt doordat ze een dun en hard oxidelaagje vormen dat het metaal eronder beschermd tegen verdere corrosie. Bij het oxideren van koper ontstaat koperoxide, ook wel patina genoemd. Patina is lichtgroen. Het Vrijheidsbeeld is hier bijvoorbeeld van gemaakt (zie de afbeelding linksonder). Bij chroom ontstaat een dun doorzichtig laagje chroomoxide. Doordat dit laagje doorzichtig is, blijft het glimmende metaal eronder goed zichtbaar. Dit is de reden dat bijvoorbeeld ijzeren kranen vaak met een laagje chroom worden bedekt (zie de afbeelding rechtsonder). Dit wordt verchromen genoemd. Een andere manier om ijzer te beschermen tegen corrosie is door het te bedekken met een laagje zink (dit wordt galvaniseren genoemd), maar je kan het ijzer natuurlijk ook gewoon verven.


(Afbeelding: Dudva; CC BY-SA 4.0 / Matthew Bowden; www.digitallyrefreshing.com; PD )

Als we metaalatomen samenbrengen, dan ordenen ze zich meestal in een regelmatig patroon dat een metaalrooster wordt genoemd (zie de onderstaande afbeelding).

Een zuiver metaal bestaat slechts uit één atoomsoort en als gevolg passen de atomen netjes naast elkaar in het metaalrooster. Het gevolg hiervan is dat de atomen in deze roosters gemakkelijk langs elkaar kunnen worden geschoven (zie de linker onderstaande afbeelding). Zuivere metalen zijn hierdoor buigbaar. Een mengsel van een metaal en een andere stof noemen we een legering. Doordat verschillende soorten atomen verschillende groottes hebben, verbreekt de legering de perfecte ordening van het rooster (zie de middelste twee afbeeldingen). Als gevolg hiervan zijn legeringen een stuk sterker. Een bekend voorbeeld van een legering is staal. Dit bestaat uit ijzer gemengd met een beetje koolstof. Staal wordt bijvoorbeeld gebruikt voor de kabels die een brug omhoog houden (zie de rechter afbeelding).

Een aantal veelvoorkomende legeringen kan je in BINAS vinden. Hier zien we dat de legering brons een combinatie van koper en tin is, messing een combinatie van koper en zink en soldeer een combinatie van tin en lood.

De orde in het rooster verbreekt als we een metaal smelten. In dat geval gaan de atomen langs elkaar bewegen (zie de onderstaande afbeelding).



         Leerdoelen:
  • Zorg dat je de verschillen in reactiviteit kent tussen edele, onedele en zeer onedele metalen
  • Zorg dat je weet dat de metalen eerste twee kolommen in het periodiek systeem zeer onedele metalen zijn en dat zilver, goud en platina edele metalen zijn
  • Zorg dat je weet wat corrosie is, dat corrosie van ijzer roesten heet en dat ijzer beschermd kan worden tegen roesten door het te bedekken met bijvoorbeeld een laagje chroom, zink of verf
  • Zorg dat je weet dat metalen uit metaalatomen bestaan die in vaste vorm zich ordenen in een metaalrooster
  • Zorg dat je kan uitleggen waarom legeringen sterker zijn dan zuivere metalen en dat je de samenstelling van verschillende legeringen kan vinden in BINAS

         Opdrachten
  1. (2p) Maak een tekening van vast en vloeibaar aluminium op atomair niveau.
  2. (3p) Noem drie zeer onedele, drie onedele en drie edele metalen.
  3. (2p) Leg voor zowel calcium als lood uit of deze metalen sterk reageren met zuurstof als ze flink worden verwarmd.
  4. (2p) Goud komt in de natuur in zuivere vorm voor. IJzer echter niet. Leg uit hoe dit komt.
  5. (1p) Chroom is een duur metaal. Toch worden metalen voorwerpen in de badkamer omhult door een laagje chroom. Bedenk waarom dit gedaan wordt.
  6. (1p) Trouwringen bestaan meestal voor een groot deel uit goud. Zuiver goud is echter niet geschikt voor sieraden. Bedenk waarom dit zo is.
  7. Brons is een legering van 85% koper en 15% tin. Een tin-atoom is iets groter dan een koperatoom.
    1. (3p) Teken een model van brons met 20 atomen.
    2. (1p) Leg aan de hand van deze tekening uit waardoor brons stugger is dan koper.
  8. (1p) De 'bronzen medailles' van de Olympische Spelen 2020 zijn niet werkelijk gemaakt van brons. Ze zijn gemaakt van koper en zink. Geef de naam van de legering waaruit deze medailles zijn samengesteld. Maak gebruik van Binas.
  9. (1p) Vliegtuigen moeten sterk en licht zijn. Daarom worden grote delen van vliegtuigen gemaakt uit een legering met aluminium, koper en magnesium. Geef de naam van de aluminiumlegering.
  10. (1p) Staal bevat behalve ijzer en koolstof nog een andere stof. Geef de naam van deze stof.
  11. Een kraan is gemaakt van staal. Het staal is geverfd om het tegen corrosie te beschermen.
    1. (1p) Wat is corrosie?
    2. (1p) Noteer nog een manier om staal tegen roesten te beschermen.

 

§3     Moleculaire stoffen

In deze paragraaf bestuderen we een aantal eigenschappen van niet-metalen. Ook gaan we moleculen bestuderen, die uit niet-metaalatomen zijn opgebouwd.

Als we niet-metaalatomen samenbrengen, dan groeperen ze zich meestal in vaste combinaties die we moleculen noemen. In de middelste onderstaande afbeelding zien we bijvoorbeeld twee watermoleculen. Moleculen beschrijven we met behulp van een molecuulformule. De molecuulformule van een watermolecuul is H2O, omdat het uit twee waterstofatomen (H2) en één zuurstofatoom (O) bestaat. De "2" in H2O noemen we een index (meervoud indices).

Het soort molecuul bepaalt met welk soort stof we te maken hebben. Neem bijvoorbeeld de onderste twee moleculen. Een waterstofperoxidemolecuul (H2O2) bevat slechts één zuurstofatoom meer dan water, maar toch is het een geheel andere stof. Waterstofperoxide wordt bijvoorbeeld gebruikt voor het blonderen van haar!

Bron: S. Nova (glas water)

Ook de fase van een stof kunnen we weergeven met een molecuulformule. We gebruiken hiervoor de eerste letter van de Engelse woorden "solid" (vaste stof), "liquid" (vloeistof) en "gas" (gas). We schrijven deze letter tussen haakjes achter de molecuulformule (zie de onderstaande afbeelding). We noemen dit ook wel toestandsaanduidingen.

Ook het aantal moleculen kunnen we in de molecuulformule weergeven. Dit doen we door een getal voor de molecuulformule te schrijven. We noemen dit getal de coëfficiënt. In de onderstaande afbeelding zijn bijvoorbeeld 10 watermoleculen in gasfase afgebeeld. Onder de afbeelding zien we de bijbehorende molecuulformule.

In het onderstaande periodiek systeem zijn de niet-metalen in kleur aangegeven.

De niet-metalen in de meest rechtse kolom worden de edelgassen genoemd. De bekendste voorbeelden zijn helium (He), neon (Ne) en argon (Ar). Edelgassen zijn niet reactief. Dit betekent dat ze vrijwel nooit met andere stoffen reageren. Edelgassen kunnen wel gebruikt worden voor neonverlichting. Elk van deze gassen licht namelijk op in een andere kleur wanneer er stroom doorheen loopt (zie de onderstaande afbeelding). Omdat helium een erg kleine dichtheid heeft, wordt deze stof ook gebruikt in heliumballonnen en zeppelins.


(Afbeelding: Pslawinski; CC BY-SA 2.5)

De atomen van edelgassen bewegen allemaal los van elkaar (zie de onderstaande afbeelding). Edelgassen vormen dus geen moleculen.

De niet-metalen in de tweede kolom van rechts in het periodiek systeem worden de halogenen genoemd. De halogenen zijn juist erg reactief en reageren vooral goed met metalen. De bekendste halogenen zijn fluor (F) en chloor (Cl). Dit zijn beide giftige, lichtgele gassen. Zoals je weet wordt fluor gebruikt in tandpasta en wordt chloor gebruikt voor het ontsmetten van zwembadwater. Natuurlijk wordt hier niet elementair fluor en elementair chloor bedoeld, want dat is immers giftig! In tandpasta zit de verbinding natriumfluoride (NaF) en in het zwembad de verbinding natriumhypocloriet (NaClO).

Als zuivere stof komen de halogenen in paren voor (dus in groepjes van twee). Dit is goed te zien in de onderstaande afbeelding. Een chloormolecuul heeft dus de molecuulformule Cl2 en bestaat uit twee chlooratomen. Een fluormolecuul heeft de molecuulformule F2 en bestaat uit twee fluoratomen. Etc.

Naast de halogenen komen ook stikstofmoleculen (N2), zuurstofmoleculen (O2) en waterstofmoleculen (H2) in paren voor. Het is belangrijk dat je dit uit je hoofd weet. Zuurstof (O2) en stikstof (N2) zijn beide gassen die in grote hoeveelheden in de lucht voorkomen. De lucht bestaat wel voor 78 %vol uit stikstof en voor 21 %vol uit zuurstof (er zit verder nog 0,9 %vol argon en slechts 0,04 vol% koolstofdioxide in de lucht). Waterstof is de atoomsoort met de kleinste massa en als gevolg werd het vroeger gebruikt in zeppelins. Dit bleek echter niet het beste plan, omdat waterstof ook brandbaar is. In de onderstaande beroemde foto zien we de explosie van de Hindenburg Zeppelin.


(Afbeelding: Sam Shere; PD)

De laatste niet-metalen die we bespreken zijn koolstof, fosfor en zwavel. Koolstof (C) kan voorkomen als roet, maar ook als grafiet en diamant. Grafiet is zwart en voelt vettig aan en wordt gebruikt in potloden. Onder zeer hoge druk en bij zeer hoge temperatuur verandert grafiet in diamant. Diamant is een heldere vaste stof die vaak in sieraden wordt gebruikt. Het is de hardste stof die bestaat.


(Afbeelding: Y.K. Liao; CC BY-SA 4.0 / Dmgerman; CC BY 3.0 / Pixabay; PD)

Zwavel (S) is een vaste gele stof die veel voorkomt in vulkanische gebieden (zie de linker onderstaande afbeelding). Zwavel is brandbaar en wordt bijvoorbeeld gebruikt in de kop van lucifers en in vuurwerk. Van fosfor (P) bestaat zowel een witte als een rode variant (zie de rechter onderstaande afbeeldingen). De witte variant is giftig, brandbaar en erg reactief. Rode fosfor is minder brandbaar en wordt bijvoorbeeld gebruikt op het strijkvlak van luciferdoosjes.


(Afbeelding: Ben Mills; PD / W. Oelen; CC BY 3.0)

         Leerdoelen:
  • Zorg dat je het verschil begrijpt tussen atomen en moleculen. Niet-metaalatomen groeperen zich in vaste combinaties genaamd moleculen
  • Zorg dat je de molecuulformules kan aflezen en opschrijven inclusief de indices, de toestandsaanduidingen (s, l en g) en de coëfficiënten voor de formules
  • Zorg dat je weet dat de niet-metalen in de rechter kolom van het periodiek systeem de edelgassen zijn en dat de niet-metalen in de tweede kolom van rechts de halogenen zijn
  • Zorg dat je weet dat de edelgassen niet reactief zijn en als losse atomen voorkomen en dat de halogenen in paren voorkomen, net als stikstof (N2), zuurstof (O2) en waterstof (H2)

         Opdrachten
  1. Leer met het onderstaande programma het verschil tussen atomen, atoomsoorten, moleculen en molecuulsoorten.

  2. (1p) Bestaan er meer atoomsoorten of meer molecuulsoorten? Leg je antwoord uit.
  3. (4p) Maak tekeningen van:
    1. 16 Sn(s)
    2. 3 O2(g)
    3. 6 Cu(s)
    4. 8 Hg(l)
  4. (2p) Noteer de molecuulformules van de onderste twee moleculen. (grijs = koolstof, blauw = waterstof, rood = zuurstof)

  5. (2p) Bereken het aantal atomen van elke atoomsoort in 15 CO2.
  6. (2p) Bereken het totaal aantal atomen in vijf suikermoleculen (C12H22O11).
  7. Als suiker (C12H22O11) ontleed wordt, ontstaan koolstof en water.
    1. (1p) Hoeveel koolstofatomen ontstaan er uit één suikermolecuul?
    2. (1p) Hoeveel watermoleculen ontstaan er uit één suikermolecuul?
  8. (2p) Leg uit wat het verschil is tussen Cl2 en 2Cl?
  9. (1p) Wat hebben edelgassen en edelmetalen met elkaar gemeen.
  10. (1p) Waarom worden gloeilampen gevuld met argon en niet met lucht?
  11. (2p) Welke twee eigenschappen maakt helium geschikt als vulling van een zeppelin?
  12. (1p) Een ballon is gevuld met helium. Teken het helium op atomair niveau
  13. (3p) Teken een stikstofmolecuul, een zuurstofmolecuul en een koolstofdioxidemolecuul op atomair niveau. Noteer ook de bijbehorende molecuulformules.
  14. (2p) Teken drie fluormoleculen. Noteer ook de bijbehorende molecuulformule.
  15. (2p) Teken tien broommoleculen op atomair niveau. Noteer ook de bijbehorende molecuulformule.
  16. (1p) In neonverlichting zit neon. Als we door neon een elektrische stroom laten lopen, dan gaat het oplichten. Teken neon op atomair niveau.
  17. (1p) Geef aan uit hoeveel atoomsoorten sucrose (C12H2O11) bestaat.
  18. (1p) De gassen waterstof en methaan hebben allebei een stofeigenschap waardoor ze niet worden gebruikt in luchtballonnen. Geef deze stofeigenschap.
  19. (2p) Bestaat 1 mg vitamine B6 (C8H11NO3) uit evenveel moleculen als 1 mg vitamine B12 (C63H88N14O14PCo)? En zo niet, welke stof bevat meer moleculen? Leg je antwoord uit.
    (Bron: Examen VMBO-T, 2022-1)
  20. (1p) Welke notatie geeft het verdampen van water weer? Kies uit:
    H2O (g) → H2O (l)
    H2O (l) → H2O (g)
    2 H2O (g) → 2 H2 (l) + O2 (l)
    2 H2O (l) → 2 H2 (g) + O2 (g)

 

§4     Naamgeving

In deze paragraaf gaan we leren molecuulformules in woorden uit te drukken.

Molecuulformules kunnen we ook in woorden noteren. Voor de cijfers in de molecuulformules gebruiken we de volgende Griekse voorvoegsels:

Voorvoegsels Cijfer
mono- één
di- twee
tri- drie
tetra- vier
penta- vijf

Daarnaast eindigen we de namen op "-ide". Neem bijvoorbeeld N2F4. Dit spreken we uit als distikstoftetrafluoride. Het voorvoegsel mono- wordt altijd weggelaten bij het eerst genoemde atoom. ClF wordt dus niet "monochloormonofluoride", maar chloormonofluoride.

Als het laatste atoom zuurstof (O) is, dan eindigen we de benaming niet op "zuurstofide", maar op -oxide. Denk bijvoorbeeld aan koolstofdioxide (CO2). Als het laatste atoom zwavel (S) is, dan eindigen we de benaming niet op "zwavelide", maar op -sulfide. H2S wordt dus diwaterstofmonosulfide, terwijl we SO2 gewoon uitspreken als zwaveldioxide. Op soortgelijke manier zeggen we bij fosfor fosfide.

De hierboven besproken naamgeving noemen we de rationele naamgeving. Slechts weinig mensen zullen echter voor water de naam diwaterstofmono-oxide gebruiken. In plaats daarvan gebruiken we gewoon de naam "water". Dit noemen we de triviale naam van de stof. Hieronder vind je een aantal triviale namen die je uit het hoofd moet weten:

Triviale naam Chemische formule
Water H2O
Waterstofperoxide H2O2
Ammoniak NH3
Alcohol C6H12O
Glucose C6H12O6




         Leerdoelen:
  • Zorg dat je molecuulformules in woorden kan uitschrijven met behulp van de voorvoegsels. Herinner ook dat de benamingen van moleculen eindigen op "-ide", dat het voorvoegsel "mono" aan het begin van de naam wordt weggelaten en dat zuurstof aan het eind van een naam als "oxide" wordt uitgesproken, zwavel als "sulfide" en fosfor als "fosfide"
  • Zorg dat je het verschil kent tussen rationele en triviale namen en dat je de triviale namen uit de tabel in de paragraaf uit je hoofd kent

         Opdrachten
  1. Leer met het onderstaande programma hoe je de molecuulformule van verschillende stoffen schrijft:

  2. Leer met het onderstaande programma hoe je de molecuulformule van verschillende stoffen in woorden uitdrukt:

  3. (4p) Geef de molecuulformule van:
    1. koolstofmonoxide
    2. koolstofdioxide
    3. zwaveldichloride
    4. diwaterstofmonosulfide
  4. (5p) Geef de rationele naam van de volgende verbindingen:
    1. SO2
    2. SO3
    3. N2O3
    4. SiCl4
    5. H2O
  5. (5p) Geef de triviale namen van de volgende verbindingen:
    1. H2O2
    2. NH3
    3. diwaterstofmonoxide
    4. C6H12O
    5. C6H12O6

 

§5     Koolwaterstoffen

In deze paragraaf bestuderen we moleculen genaamd koolwaterstoffen. Dit zijn stoffen die uit koolstof en waterstof bestaan.

Moleculen die uit koolstof- en waterstofatomen bestaan noemen we koolwaterstoffen. Voor koolwaterstoffen gebruiken we een aparte naamgeving. Hieronder zien we de acht simpelste koolwaterstoffen. Methaan, ethaan, propaan en butaan zijn brandbare gassen. Methaan wordt in het dagelijks leven ook wel aardgas genoemd. Als we de gassen propaan en butaan genoeg onder druk zetten, dan worden deze gassen vloeibaar. In vloeibare vorm kunnen ze gemakkelijker vervoerd worden. We noemen dit LPG. Pentaan, hexaan, heptaan en octaan zijn bij kamertemperatuur vloeibare brandstoffen. Alleen methaan en de bijbehorende molecuulformule moet je uit je hoofd kennen.

Deze stoffen zijn de eerste acht voorbeelden van de zogenaamde alkanen, bestaande uit een keten van koolstofatomen. Zoals je in de bovenstaande afbeelding kan zien is elk koolstofatoom met vier bindingen verbonden aan andere atomen. In het midden van de keten is elk koolstofatoom verbonden aan twee andere koolstofatomen en twee waterstofatomen. Aan het einde van de keten is elk koolstofatoom verbonden aan één ander koolstofatoom en drie waterstofatomen.

Als het aantal koolstofatomen in de keten toeneemt, dan vinden we op een gegeven moment benzine en diesel (veelgebruikt brandstoffen voor auto's), kerosine (een brandstof voor vliegtuigen), stookolie (voor schepen) en uiteindelijk ook kaarsvet, bepaalde soorten cosmetica waaronder vaseline, bepaalde medicijnen, kunststof en asfalt. In de laatste twee gevallen bestaan de ketens uit wel duizenden koolstofatomen.

Deze stoffen kunnen allemaal worden gewonnen uit een fossiele brandstof genaamd ruwe aardolie. Ruwe aardolie is een mengsel van met name duizenden koolwaterstoffen. In een olieraffinaderij worden deze stoffen met behulp van destillatie opgesplitst in verschillende fracties. De temperatuur in de destillatietoren neemt af met de hoogte en zo kunnen op verschillende hoogten verschillende moleculen worden verzameld en afgetapt. Zoals je kan zien zijn de lichtste moleculen aardgas en de zwaarste moleculen zijn asfalt.

Met een proces genaamd kraken kunnen langere koolwaterstoffen worden opgesplitst in kleinere moleculen. Zo kan je bijvoorbeeld benzine maken van stookolie.

Van nafta kunnen kunststoffen worden vervaardigd (in het dagelijks leven ook wel plastics genoemd). Door middel van het kraken van nafta kunnen zogenaamde alkenen worden gemaakt. Net als bij alkanen vormt elk koolstofatoom hier vier bindingen, maar in dit geval is er ook één dubbele binding aanwezig tussen de koolstofatomen (zie de onderstaande afbeelding). Als gevolg hebben alkanen twee waterstofatomen minder dan alkanen. De simpelste alkeen is etheen (C2H4). Het is niet nodig deze stof uit je hoofd te kennen.

Als de dubbele binding van etheen openbreekt, dan kunnen we verschillende etheenmoleculen aan elkaar koppelen. Dit kan een keten van duizenden koolstofatomen opleveren (zie de onderstaande afbeelding). We noemen de stof die hierbij ontstaat polyetheen of afgekort PE (poly betekent "veel").

De etheenmoleculen waaruit deze keten is gemaakt noemen we monomeren. De gevormde ketens noemen we polymeren en het maken van polymeren noemen we polymerisatie.

Naast polyetheen bestaan nog veel andere soorten kunststoffen. Als we één van de waterstofatomen in elk monomeer vervangen door chloor, dan ontstaat de monomeer vinylchloride en dit kan gecombineerd worden tot polyvinylchloride, ook wel PVC genoemd (zie de onderstaande afbeelding). Ook dit is een veelgebruikt kunststof.

Andere voorbeelden van veelvoorkomende kunststoffen zijn polyethyleentereftalaat, beter bekend als PET, dat gebruikt wordt voor o.a. frisdrankflessen. Een ander voorbeeld is polystyreen (PS), waar o.a. piepschuim van wordt gemaakt. Het is niet nodig de namen van deze kunststoffen uit je hoofd te kennen.

Voordelen van kunststoffen is dat ze goedkoop te produceren zijn, ze vaak gemakkelijk in allerlei vormen te gieten of te persen zijn en omdat ze nauwelijks worden aangetast door lucht en water (wat wel het geval is bij bijvoorbeeld ijzer). Ook zijn kunststoffen slechte geleiders van elektrische stroom en warmte, waardoor het ook geschikte materialen zijn voor isolatie.

Kunststoffen worden soms onderverdeeld in thermoharders en thermoplasten. Thermoplasten worden zacht als ze verwarmd worden. Als gevolg zijn deze kunststoffen gemakkelijk in een andere vorm de gieten of te recyclen. Thermoharders, daarentegen, zijn moeilijk te vervormen en daardoor lastiger te recyclen.

De nadelen van kunststoffen zijn met name voor het milieu. Het duurt jaren voordat kunststoffen in de natuur afbreken en bij de verbranding ervan kunnen giftige stoffen vrijkomen.

         Leerdoelen:
  • Zorg dat je weet dat koolwaterstoffen uit alleen koolstof- en waterstofatomen bestaan en zorg dat je de koolwaterstof methaan (CH4) uit je hoofd kent
  • Zorg dat je begrijpt hoe de fossiele brandstof ruwe aardolie door middel van een destillatietoren wordt gescheiden in een heel aantal nuttige producten zoals benzine, kerosine, diesel, kaarsvet, cosmetica (o.a. vaseline), sommige medicijnen, kunststof en asfalt
  • Zorg dat je weet dat kunststoffen polymeren zijn die bestaan uit monomeren en dat je kunststoffen kan maken door middel van kraken en polymerisatie
  • Zorg dat je het verschil tussen thermoplasten en thermoharders kent

         Opdrachten
  1. (3p) Geef de molecuulformule van methaan, ethaan en etheen.
  2. (1p) Welke moleculen zijn gemiddeld gezien groter? Kies uit stookolie- en benzinemoleculen. Leg je antwoord uit met de afbeelding van de destillatiekolom uit de paragraaf of BINAS.
  3. (1p) Welke scheidingsmethode wordt gebruikt bij het verwerken van aardolie tot brandstoffen?
  4. (3p) Welke van de onderstaande kenmerken heeft destilleren van ruwe aardolie met behulp van een kolom? Geef van elk van de onderstaande stellingen aan of ze juist of onjuist zijn:
    I De stof met het laagste kookpunt verdampt het eerst.
    II Onderin de kolom is de temperatuur het laagst.
    III De stof met het laagste kookpunt komt onder uit de kolom.
  5. (1p) Noem de producten uit ruwe aardolie die vaak gebruikt worden als brandstof voor voertuigen.
  6. Welk product uit de olieraffinaderij wordt gebruikt om kunststoffen mee te maken.
  7. (2p) Welke twee processen zijn nodig om van nafta kunststof te maken.
  8. (1p) Kunststoffen worden gevormd door kleine moleculen te koppelen. Geef de algemene naam voor deze kleine moleculen.
  9. Een voorbeeld van een kunststof is polytetrafluoretheen, ook wel teflon genoemd.
    1. (2p) Hoe kan je aan de naam van deze stof herkennen dat het om een kunststof gaat? Noem twee aanwijzingen hiervoor.
    2. (2p) Teflonmoleculen lijken op polytheenmoleculen, alleen dan met elk waterstofatoom vervangen door fluor. Teken het monomeer waaruit telfon is ontstaan en teken ook een deel van het polymeer.
  10. Hieronder is een afbeelding van polystyreen te zien. Deze kunststof wordt in het dagelijks leven ook wel piepschuim genoemd. Ook wegwerpbekertjes en frietbakjes worden hiervan gemaakt.


    (Afbeelding: Ben Mills; PD)

    1. (1p) Piepschuim is een thermoplastisch polymeer. Wat wil dit zeggen?
    2. (1p) Hoe zal het monomeer van polystyreen heten?
    3. (1p) Hieronder is het monomeer te zien waaruit polystyreen gemaakt wordt. Het bestaat alleen uit koolstof- en waterstofmoleculen. Geef de molecuulformule.


      (Afbeelding: Ben Mills; PD)

 

§6     Het milieu

Met fossiele brandstoffen kunnen we o.a. energie opwekken. Dit heeft natuurlijk veel voordelen, maar heeft ook negatieve effecten op het milieu. Dit is het onderwerp van deze paragraaf.

Veel van de energie die we in huishoudens en in de industrie gebruiken komt van fossiele brandstoffen, zoals aardolie, aardgas en steenkool. Aardolie, zoals we hebben gelezen, wordt in de vorm van benzine en diesel veel gebruikt in auto's, in de vorm van kerosine in vliegtuigen en als stookolie in schepen. Aardgas wordt veel gebruikt voor het verwarmen van huizen of het opwekken van elektriciteit. Steenkool wordt ook gebruikt voor het opwekken van elektriciteit, maar dit gebeurt in het westen steeds minder, doordat deze stof erg vervuilend is.

Het nadeel van alle fossiele brandstoffen (met name steenkool), is dat bij de verbranding hiervan veel koolstofdioxide (CO2) vrijkomt. Koolstofdioxide heeft veel positieve eigenschappen. Het is bijvoorbeeld een voedingstof voor planten en zonder CO2 in de atmosfeer zou het op aarde gemiddeld 30 graden Celsius kouder zijn. Maar in de laatste 200 jaar heeft de mensheid door industrialisatie zoveel CO2 in de atmosfeer vrijgelaten dat de gemiddelde temperatuur van de aarde steeds verder is gaan toenemen. We noemen dit het broeikaseffect (meer hierover in het hoofdstuk "Energie" in het klas 4 natuurkunde boek). Als gevolg van deze temperatuurstijging smelt het ijs op de Noord- en Zuidpool. Het smelten van ijs op de Zuidpool zorgt op zijn beurt weer voor een stijging van de zeespiegel. Een snelle stijging van de temperatuur zal ook het weer op veel plekken doen veranderen, waar mens en dier zich op moeten aanpassen.

Bij het verbranden van fossiele brandstoffen komt met name koolstofdioxide en water vrij, maar ook een kleine hoeveelheid schadelijke stoffen. Zo zit er bijvoorbeeld vaak zwavel in ruwe aardolie, die bij de verbranding vrijkomt in de vorm van zwaveldioxide (SO2). Andere ongewenste stoffen die bij verbranding van fossiele brandstoffen vrijkomen zijn stikstofoxiden zoals NO en NO2. We vatten deze stoffen vaak samen als NOx. Deze stoffen zijn niet in ruwe aardolie aanwezig, maar ontstaan doordat bij de verbranding de temperatuur hoog genoeg wordt dat zuurstof en stikstof uit de lucht met elkaar reageren tot deze stoffen.

Zwaveldioxide vormt in reactie met zuurstof en water zwavelzuur en stikstofoxiden vormen in reactie met zuurstof en water salpeterzuur. Deze stoffen zorgen voor zure regen. Dit is slecht voor de natuur en kan ook kalksteen aantasten (zie de onderstaande linker afbeelding). Daarnaast zorgen deze en andere stoffen ook nog voor de smog die boven vervuilde steden hangt (zie de rechter afbeelding). Smog kan o.a. zorgen voor irritatie van de slijmvliezen (de binnenkant van je neus en keel), de ogen en de luchtwegen.


(Afbeelding: Nino Barbieri; CC BY 2.5 / Radek Kolakowski; CC BY 2.0)

De hoeveelheid SO2 die vrijkomt bij de verbranding van fossiele brandstoffen kan worden teruggedrongen door zoveel mogelijk de zwavel van tevoren uit de aardolie te verwijderen. NOx is lastiger te verwijderen, omdat het pas bij de verbranding van de fossiele brandstoffen ontstaat. Bij deze verbranding wordt de temperatuur in de lucht namelijk hoog genoeg om stikstof en zuurstof in de lucht met elkaar te laten reageren. Bij de verbranding wordt de temperatuur in de lucht namelijk hoog genoeg dat stikstof en zuurstof in de lucht met elkaar gaan reageren. Met behulp van een zogenaamde katalysator (meer hierover in een later hoofdstuk), kan een deel van de stikstofoxiden weer worden omgezet in zuurstof en stikstof.

Door de nadelen van fossiele brandstoffen zijn wetenschappers de laatste decennia bezig met het verbeteren van schone energiebronnen, ook wel duurzame energiebronnen genoemd, waarbij geen schadelijke stoffen vrijkomen. Het doel is dat deze energiebronnen op den duur fossiele brandstoffen overbodig maken. Hier zijn al grote stappen in gezet. Voorbeelden van schone energiebronnen zijn waterkrachtcentrales, windmolens, zonnecellen en kerncentrales.

Andere belangrijke vervuilende stoffen zijn chloorfluorkoolstofverbindingen, meestal bekend als cfk's. Deze stoffen kwamen vroeger veel voor in bijvoorbeeld koelmiddel en als drijfgas voor spuitbussen. Deze stoffen tasten de ozonlaag aan. Dit is een laag van ozon (O3) hoog in de atmosfeer. Ozon is belangrijk omdat het een deel van de UV-straling van de zon tegenhoudt. Deze straling is bij veel blootstelling slecht voor onze huid.

Als laatste noemen we ammoniak (NH3). Deze stof komt voor in o.a. mest dat gebruikt wordt om gewassen beter te laten groeien. Bacteriën zetten deze stof o.a. om in salpeterzuur en hierdoor wordt de bodem zuur. Ook dit is in grote hoeveelheden schadelijk voor de natuur.

         Leerdoelen:
  • Zorg dat je weet dat bij de verbranding van fossiele brandstoffen koolstofdioxide vrijkomt en dat dit zorgt voor een toename van het broeikaseffect. Zorg ook dat je weet dat het broeikaseffect zorgt voor een stijging van de temperatuur op aarde en ook een stijging van de zeespiegel door het smelten van ijs
  • Zorg dat je weet dat bij de verbranding van fossiele brandstoffen ook zwaveldioxide (SO2) en stikstofoxiden (NOx) vrijkomen en zorg dat je weet dat deze stoffen zure regen en smog kunnen veroorzaken
  • Zorg dat je weet dat cfk's de ozonlaag kunnen aantasten en dat deze laag ons beschermt tegen UV-straling van de zon
  • Zorg dat je weet dat ammoniak (NH3) o.a. voorkomt in mest. Mest wordt gebruikt om gewassen beter te laten groeien, maar maakt ook de bodem zuur

         Opdrachten
  1. (2p) Noem een voordeel en een nadeel van CO2.
  2. (2p) Noem een voordeel en een nadeel van mest. Noem in je antwoord NH3.
  3. (1p) Wat is het gevolg van het versterkt broeikaseffect? Kies uit de volgende opties:
    - De ozonlaag wordt aangetast.
    - De aarde warmt op.
    - Er ontstaat een tekort aan zuurstof.
    - Er wordt zure regen gevormd.
  4. (2p) Noem twee negatieve gevolgen van zwaveldioxide en stikstofoxides in de atmosfeer.
  5. (1p) Door het gebruik van ckf's te verbieden zijn we bezig een probleem op te lossen. Welk probleem wordt hiermee opgelost.
  6. Stikstofoxiden (NOx) is een verzamelnaam voor gassen zoals NO, NO2 en N2O3. Stikstofoxiden reageren met zonlicht in de atmosfeer, waardoor luchtverontreiniging ontstaat. Vooral in stedelijke gebieden is deze verontreiniging zichtbaar als een deken van geelbruine mist. Ook veroorzaken stikstofoxiden zure regen doordat ze met waterdamp uit de lucht reageren tot een zuur.
    1. Geef de rationele naam van N2O3
    2. Geef aan waarom stikstof en zuurstof in de lucht onder normale omstandigheden niet met elkaar reageren, maar wel in een verbrandingsmotor.
    3. In de tekst staat dat stikstofoxiden "reageren met zonlicht". Leg uit dat deze bewering chemisch onjuist is.
    4. Bij de verbranding van sommige fossiele brandstoffen kan, behalve NOx, ook een andere stof vrijkomen die zure regen veroorzaakt. Welke stof is dat? Kies uit: cfk's, koolstofmono-oxide, roet of zwaveldioxide.

    (Bron: Examen VMBO-T, 2023-2)

 

§7     Scheiden en ontleden

In deze paragraaf gaan we onze kennis over moleculen gebruiken om te achterhalen welke stoffen te ontleden zijn en welke niet. Ook gaan we het verschil tussen scheiden en ontleden onderzoeken op atomair niveau.

In een eerder hoofdstuk hebben we geleerd dat bij het mengen van stoffen een chemische reactie kan optreden. Chemische reacties kunnen ook plaatsvinden met slechts één beginstof. We moeten in dat geval genoeg energie aan de stof toevoegen. Sommige stoffen splitsen hierdoor op in twee of meerdere stoffen. We noemen een dergelijke reactie een ontledingsreactie. Het ontleden van stoffen kan op verschillende manieren gebeuren. Ontleden door verhitten noemen we thermolyse. In sommige gevallen kunnen stoffen ook ontleden door er licht op te laten vallen. Dit licht wordt dan door de stof geabsorbeerd. We noemen dit fotolyse. Let op dat we niet zeggen dat een stof "reageert" met licht. Dit komt omdat licht geen stof is. Een voorbeeld van fotolyse is het verkleuren van verf. De kleurstoffen in verf ontleden als ze lang worden blootgesteld aan de zon. Als gevolg verkleuren ze. Een andere manier van ontleden heet elektrolyse. Hier wordt elektrische stroom gebruikt om een stof te ontleden. Deze methode wordt o.a. gebruikt bij het ontleden van water in waterstof en zuurstof.

Een ander voorbeeld van een ontleding vindt plaats bij dynamiet, ook wel nitroglycerine genoemd (zie de linker onderstaande afbeelding). Deze stof ontleedt al als er een kleine kracht op wordt uitgeoefend. Bij de ontleding ontstaan koolstofdioxide, waterdamp, stikstof en zuurstof. Dit zijn allemaal gassen en gassen nemen veel meer ruimte in dan vaste stoffen. Als gevolg vindt een explosie plaats. Merk op dat er geen zuurstof nodig is bij deze reactie (hoewel zuurstof wel vrijkomt bij de reactie). Het is dus geen verbranding, maar een echte ontledingsreactie.

Stoffen die we kunnen ontleden noemen we ontleedbare stoffen. Stoffen die we niet kunnen ontleden noemen we niet-ontleedbare stoffen. Suiker is een voorbeeld van een ontleedbare stof, omdat we het kunnen ontleden in koolstof en water (zie het onderstaande filmpje, waar suiker wordt ontleed door er zwavelzuur aan toe te voegen).

De koolstof die ontstaat bij het ontleden van suiker, kunnen we niet verder ontleden, maar het water wel. Zoals we hebben gelezen kan met elektrolyse water worden ontleed in waterstof en zuurstof (zie de onderstaande afbeelding). Zuurstof en waterstof kunnen we niet verder ontleden.

In de onderstaande afbeelding zien we dezelfde twee ontledingsreacties op atomair niveau. Merk op dat de ontleedbare stoffen uit meerdere soorten atomen bestaan (in het onderstaande voorbeeld zijn dit suiker en water). We noemen dit type stoffen ook wel verbindingen. De niet-ontleedbare stoffen bestaan uit slechts één soort atoom (in het onderstaande voorbeeld zijn dit koolstof, waterstof en zuurstof). We noemen dit type stoffen ook wel enkelvoudige stoffen of elementaire stoffen. We kunnen hieruit concluderen dat bij ontleden verschillende soorten atomen van elkaar losgetrokken worden.

Hieronder zien we links de ontleding van suiker in koolstof en water. In de rechter afbeelding zien we het scheiden van een suikeroplossing in water en suiker (wat bijvoorbeeld met behulp van indampen bereikt kan worden). Bij ontleden ontstaan nieuwe moleculen en dus nieuwe stoffen. Er is hier dus sprake van een chemische reactie. Een suikeroplossing daarentegen is een mengsel van suiker- en watermoleculen. Tijdens het scheiden ontstaan geen nieuwe moleculen, maar worden deze moleculen alleen gesorteerd. Hier heeft dus geen chemische reactie plaatsgevonden.






         Leerdoelen:
  • Zorg dat je weet dat ontleden een chemische reactie is waarbij één stof wordt opgesplitst in meerdere stoffen
  • Zorg dat je weet dat ontledingsreacties kunnen plaatsvinden door middel van thermolyse, fotolyse en elektrolyse
  • Zorg dat je weet dat een stof ontleedbaar is als deze uit meerdere soorten atomen bestaat en zorg dat je weet dat ontleedbare stoffen ook wel verbindingen worden genoemd en niet-ontleedbare stoffen enkelvoudige of elementaire stoffen
  • Zorg dat je op atomair niveau het verschil tussen scheiden en ontleden kan beschrijven. Bij ontleden ontstaan nieuwe stoffen en bij scheiden worden moleculen alleen gesorteerd

         Opdrachten
  1. Leer met het onderstaande programma het verschil tussen ontleedbare en niet-ontleedbare stoffen, mengels en zuivere stoffen, enkelvoudige stoffen en verbindingen.

  2. (2p) Geef twee verschillen tussen elementen en verbindingen.
  3. (2p) Beschrijf het verschil tussen ontleden en scheiden.
  4. (5p) Leg uit of er bij de volgende processen sprake is van ontleding of scheiding:
    1. Zout wordt gewonnen door zeewater te laten verdampen.
    2. Aardgas wordt verbrand in de brander.
    3. Alcohol wordt gedestilleerd uit wijn.
    4. Vlees verkoolt op een barbecue.
    5. In de industrie maakt men chloor uit natriumchloride (keukenzout).
  5. Je kunt water koken en je kunt water ontleden.
    1. (1p) Wat ontstaat er bij het koken van water?
    2. (1p) Wat ontstaat er bij het ontleden van water?
    3. (1p) Om welke soort ontledingsreactie gaat het hier?
    4. (1p) Leg uit in welk geval er een chemische reactie plaatsvindt.
    5. (1p) Leg uit bij welk proces je meer energie nodig hebt.
    1. (2p) Leg uit hoe je met een experiment kan aantonen of een stof een enkelvoudige stof of een verbinding is.
    2. (2p) Leg uit dat een zuivere stof niet altijd een enkelvoudige stof hoeft te zijn. Leg in je antwoord duidelijk het verschil uit.
    3. (2p) Noem een voorbeeld van een enkelvoudige stof die geen zuivere stof is.
  7. (1p) Op het etiket van multivitamines zijn bewaaradviezen gegeven. Welk bewaaradvies helpt afbraak van vitamines door fotolyse voorkomen? Kies uit: buiten bereik bewaren, donker bewaren, droog bewaren of koel bewaren.

Stoffen die je uit je hoofd moet kennen:

Atomen

Metalen

Niet-metalen

Natrium

Na

Waterstof

H

Kalium

K

Koolstof

C

Magnesium

Mg

Stikstof

N

Calcium

Ca

Fosfor

P

Barium

Ba

Zuurstof

O

Chroom

Cr

Zwavel

S

IJzer

Fe

Fluor

F

Nikkel

Ni

Chloor

Cl

Platinum

Pt

Broom

Br

Koper

Cu

Jood

I

Zilver

Ag

Helium

He

Goud

Au

Neon

Ne

Zink

Zn

Argon

Ar

Cadmium

Cd

 

Kwik

Hg

Aluminium

Al

Tin

Sn

Metalloïde

Lood

Pb

Silicium

Si



Moleculen

Water

H2O

Waterstofperoxide

H2O2

Koolstofdioxide

CO­2

Koolstofmonoxide

CO

Methaan

CH4

Ammoniak

NH3

Ethanol (alcohol)

C6H12O

Glucose

C6H12O6

Edelgassen

X

Halogenen

X2

Stikstof

N2

Waterstof

H2

Zuurstof

O2

Ozon

O3



BINAS:
33 Elementen en symbolen
34 Periodiek systeem
41 Olieraffinaderij
42 Triviale en rationele namen stoffen