Hoofdstuk 6
Chemische reacties

§1 Reactievergelijkingen
§2 Verbrandingsreacties en neerslagreacties
§3 Reactiesnelheid

§1 Reactievergelijkingen

In dit hoofdstuk gaan we chemische reacties bestuderen. In deze eerste paragraaf gaan we leren reactievergelijkingen uit te schrijven met onze kennis van atomen en moleculen.

In een eerder hoofdstuk hebben we geleerd chemische reacties uit te schrijven 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):

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

We hebben toen de verbranding van staalwol als voorbeeld genomen. Zoals we toen gelezen hebben, reageert het ijzer waaruit het 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:

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

In deze paragraaf gaan we dit soort reactieschema's uitschrijven met chemische formules. We spreken in dat geval van reactievergelijkingen. Om dit te begrijpen, bestuderen we het werk van de wetenschapper John Dalton.

In de 19^de eeuw vond John Dalton aanwijzingen voor het bestaan van atomen en moleculen. Hieronder zien we een schets die Dalton hiervan maakte.

Dalton begreep dat tijdens chemische reacties de moleculen veranderen, maar de atomen niet. Hieronder zien we bijvoorbeeld een reactie tussen één methaanmolecuul (CH₄) en twee zuurstofmoleculen (2 O₂). Bij deze reactie ontstaat één koolstofdioxidemolecuul (CO₂) en twee watermoleculen (2 H₂O). Merk op dat de atomen die voor de reactie aanwezig waren, ook na de reactie aanwezig zijn. Aan beide kanten van de vergelijking zien we vier waterstofatomen, vier zuurstofatomen en één koolstofatoom. Het enige dat dus gebeurt is, is dat de atomen onderdeel zijn geworden van andere moleculen.

Om reactievergelijkingen goed te begrijpen is het handig reacties na te bouwen met bijvoorbeeld legoblokjes (zie de onderstaande afbeelding). Voor en na de reactie zien we hier vier rode blokjes, vier blauwe blokjes en één zwart blokje. Tijdens chemische reacties veranderen de bouwsels (de moleculen), maar de legoblokjes zelf (de atomen) blijven onveranderd.

Laten we nog een voorbeeld bestuderen. Als we met elektrolyse water (H₂O) ontleedt, dan ontstaat zuurstofgas (O₂) en waterstofgas (H₂).

Hieronder zien we een eerste poging om de reactie uit te schrijven:

Deze reactievergelijking klopt echter niet, want het aantal atomen voor en na de reactie is niet gelijk. We kunnen dit probleem oplossen door coëfficiënten toe te voegen. Dit zijn de getallen die we voor molecuulformules schrijven om het aantal moleculen aan te geven. Hieronder is dit gedaan:

De reactievergelijking is nu kloppend gemaakt. Zoals je ziet hebben we aan zowel de linker- als de rechterzijde twee zuurstofatomen en vier waterstofatomen.

Merk ook op dat er bij deze reactie twee keer zoveel waterstof als zuurstof is ontstaan. Dit kunnen we experimenteel nagaan als we de elektrolyse van water daadwerkelijk uitvoeren. Als we elektriciteit door water laten lopen, dan ontstaat er inderdaad twee keer zoveel waterstof als zuurstof. Dit kun je zien in de onderste afbeelding, waar in de linker buis zuurstofgas is ontstaan en in de rechter buis waterstofgas.

Beide gassen zijn transparant en kleurloos, dus we moeten nog aantonen dat het hier daadwerkelijk om zuurstof en waterstof gaat. Zuurstof kunnen we aantonen door een gloeiende houtspaander (een gloeiend stukje hout) in het buisje te steken nadat het buisje uit het water is gehaald. Door de aanwezigheid van pure zuurstof gaat het feller gloeien. Waterstof is een brandstof. Als we het buisje uit het water halen en een brandende lucifer bij de opening houden, dan vindt een kleine explosie plaatst met een karakteristiek "blafgeluid." Dit toont aan dat we met waterstof te maken hebben.

In het onderstaande voorbeeld wordt een lastigere reactievergelijking opgelost. Als het oplossen van reacties nieuw voor je is, dan is het misschien handig dit voorbeeld eerst met behulp van het filmpje onder aan de paragraaf door te nemen. Daarna wordt dit voorbeeld een stuk gemakkelijk te lezen.

Voorbeeld

Vraag:

Als ammoniak reageert met zuurstof, dan ontstaat stikstofdioxide en water. Noteer de reactieverlijking die bij deze reactie hoort.

Antwoord:

Ammoniak is NH₃, zuurstof is O₂, stikstofdioxide is NO₂ en water is H₂O. Een eerste poging tot een reactievergelijking wordt hiermee: $$ \text{... NH}_3 + \text{... O}_2 \rightarrow \text{... NO}_2 + \text{... H}_2\text{O} $$
Het is handig om bij het kloppend maken niet te starten met de atomen die aan dezelfde kant van de vergelijking meerdere keren voorkomen. In dit voorbeeld is dit het geval voor zuurstof, dat twee keer voorkomt aan de rechterzijde. Zuurstof gaan we pas als laatst kloppend maken.

Laten we beginnen met bijvoorbeeld de waterstofatomen:
$$ \text{2 NH}_3 + \text{... O}_2 \rightarrow \text{... NO}_2 + \text{3 H}_2\text{O} $$
Nu hebben we aan beide kanten 6 waterstofatomen.

Nu de stikstof:
$$ \text{2 NH}_3 + \text{... O}_2 \rightarrow \text{2 NO}_2 + \text{3 H}_2\text{O} $$
We hebben nu aan beide kanten 2 stikstofatomen.

Dan de zuurstof. Aan de rechterkant hebben we in totaal 7 zuurstofatomen. Als we dit links ook willen hebben zouden we 3,5 O₂ moleculen nodig hebben:
$$ 2\text{NH}_3 + 3,5\text{O}_2 \rightarrow 2\text{NO}_2 + 3\text{H}_2\text{O} $$
3,5 O₂ is natuurlijk onzinnig. We lossen dit op door alle coëfficiënten in de reactie te verdubbelen:
$$ 4\text{NH}_3 + 7\text{O}_2 \rightarrow 4\text{NO}_2 + 6\text{H}_2\text{O} $$
Nu is de reactie kloppend (ga dit zelf maar na).

Leerdoelen:

Zorg dat je reactievergelijkingen kloppend kan maken. Het is handig om bij het kloppend maken niet te startem met de atomen die aan dezelfde kant van de vergelijking meerdere keren voorkomen.

Maak de volgende reactievergelijkingen kloppend:

(2p) Geef de reactievergelijking van de reactie tussen koolstofmonoxide en zuurstof waarbij koolstofdioxide ontstaat.

(2p) Geef de reactievergelijking van de reactie tussen waterstof en chloor waarbij waterstofchloridegas (HCl) ontstaat.

Ammoniak (NH₃) ontleedt in stikstof en waterstof. Geef de reactievergelijking en maak ook een bijbehorende tekening van de ontleding op atomair niveau.

(2p) Kwikoxide (HgO) ontleedt in kwik en zuurstof. Geef de reactievergelijking.

(2p) Waterstofdisulfide en chloor vormen octosulfide (S₈ en waterstofchloride. Geef de reactievergelijking.

(2p) Calcium reageert met Aluminiumchloride (AlCl₃) en vormt calciumchloride (CaCl₂) en aluminium. Geef de reactievergelijking.

(3p) Ammoniak (NH₃) reageert met zuurstof en vormt stikstofmonoxide en water. Geef de reactievergelijking.

(2p) Tetrafosfordecaoxide (deca = 10) reageert met water en vormt triwaterstofmonofosfortetraoxide. Geef de reactievergelijking.

(3p) Ammoniak (NH₃) reageer met stikstofmonoxide en vormt stikstof en water. Geef de reactievergelijking.

(3p) IJzersulfide (FeS₂) en zuurstof reageert tot ijzeroxide (Fe₂O₃) en zwavedioxide. Geef de reactievergelijking.

Een leerling verhit een stukje koperdraad in een sterk ruisende vlam. Hierbij reageert het koper aan de buitenkant van de draad met zuurstof tot koper(II)oxide. Geef de vergelijking van deze reactie.
(Bron: Examen VMBO-T, 2023-2)

(3p) Alchemisten (de eerste scheikundigen) hebben ontdekt dat goud kan reageren met een mix van zoutzuur en salpeterzuur. De alchemisten noemden dit mengsel aqua regia, oftewel "koninklijk water". Tijdens de reactie vormt het goud een verbinding die oplost in de vloeistof. De reactie is hieronder opgeschreven. Bij de reactie komt een gas vrij. Ga aan de hand van de reactie na welk gas dit is: $$ \text{Au} + \text{NO}_3^- + \text{4HCl} \rightarrow \text{AuCl}_4^- + \text{2H}_2\text{O} + \text{...} $$

Een leerling wil aantonen dat bij verbranding van methaan in een brander CO₂ ontstaat. Hij gebruikt daarvoor de volgende opstelling met een zogenaamde gaswasfles:

De verbrandingsgassen worden door een heldere oplossing van calciumhydroxide geleid. Als bij de verbrandingsgassen koolstofdioxide aanwezig is, reageert het met de calciumionen en de hydroxide-ionen tot calciumcarbonaat en water. Na een halve minuut ziet ze duidelijk dat de vloeistof troebel wordt. Het proces dat optreedt in de gaswasfles kan met een vergelijking worden weergegeven. Geef deze vergelijking en maak de vergelijking kloppend.
(Bron: Examen VMBO-T, 2021-2)

Sommige goochelaars gebruiken 'flashpapier', dat door het aan te steken onmiddellijk met een felle vlam lijkt te 'verdwijnen'. Flashpapier wordt gemaakt door papier te behandelen met salpeterzuur. Papier bestaat hoofdzakelijk uit cellulose (C₆H₁₀O₅) dat door deze behandeling wordt omgezet tot cellulosenitraat. De reactie die hierbij optreedt kan vereenvoudigd worden weergegeven met de volgende vergelijking: $$ \text{C}_6\text{H}_{10}\text{O}_5 + \text{3HNO}_3 \rightarrow \text{C}_6\text{H}_7\text{N}_3\text{O}_{11} + \text{3H}_2\text{O} $$

Het werkzame bestanddeel in flashpapier is cellulosenitraat. Zodra het flashpapier is aangestoken, reageert cellulosenitraat. De vergelijking van deze reactie is hieronder onvolledig weergegeven. In deze vergelijking ontbreken nog drie coëfficiënten. $$ \text{... C}_6\text{H}_7\text{N}_3\text{O}_{11} \rightarrow \text{3CO}_2 + \text{9CO} + \text{... H}_2\text{O} + \text{... N}_2 $$ Neem de vergelijking over en vul de drie ontbrekende coëfficiënten in.

Is hier sprake van een ontledingsreactie of een verbranding? Leg je antwoord uit.

Flashpapier wordt ook wel 'verdwijnpapier' genoemd, omdat alle reactieproducten van de bovenstaande reactie onzichtbaar zijn. Geef twee stofeigenschappen zie zorgen dat de reactieproducten niet zichtbaar zijn.

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

Een koperdraad in een bekerglas wordt overgoten met een kleurloze oplossing. Deze oplossing bevat o.a. zilver(I)ionen (Ag⁺). Op het koper ontstaat een grijswit laagje zilver. De oplossing in het bekerglas verandert hierbij van kleur. De chemische reactie die dit veroorzaakt kan als volgt worden weergegeven: $$ \text{zilver(I)ionen} + \text{koper} \rightarrow \text{zilver} + \text{koper(II)ionen} $$ Geef de reactievergelijking in formules. Vermeld ook de toestandsaanduidingen.
(Bron: Examen VMBO-T, 2023-1)

De waterstof kan worden geproduceerd met behulp van bruinkool. Bruinkool bestaat voornamelijk uit koolstof. In de onderstaande afbeelding is deze productie vereenvoudigd en onvolledig in drie stappen weergegeven. Eén naam ontbreekt.

De stappen worden hier beschreven: I: Een deel van de koolstof in bruinkool reageert met zuurstof uit de lucht tot koolstofdioxide.
II: De overige koolstof in bruinkool reageert met het koolstofdioxide tot koolstofmonoxide.
III: Het gevormde koolstofmonoxide reageert vervolgens met waterdamp tot waterstof en koolstofdioxide.

Welk soort proces vindt plaats bij stap I? Kies uit: kraken, polymerisatie, thermolyse of verbranden.

Welke naam moet worden ingevuld op het stippellijntje om de afbeelding compleet te maken?

Geef de vergelijking van de reactie die plaatsvindt bij stap III.

Waterstof wordt beschouwd als schone brandstof. Dit komt doordat het verbrandingsproduct van waterstof geen bijdrage levert aan het versterkt broeikaseffect. Toch wordt waterstof die is geproduceerd volgens het bovenstaande proces door sommigen niet milieuvriendelijk gevonden. Geef hiervoor een argument.

Noem een gas dat wel bijdraagt aan het versterken van het broeikaseffect.

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

§2 Verbrandingsreacties en neerslagreacties

In deze paragraaf gaan we nauwkeuriger kijken naar verbrandingsreacties, het winnen van metalen uit ertsen en neerslagreacties. We gaan deze reacties beschrijven met behulp van reactievergelijkingen zoals we dat in de vorige paragraaf geleerd hebben.

In deze paragraaf beginnen we met twee verbrandingsreacties die we kloppend gaan maken.

Voorbeeld

Vraag:

Noteer de reactievergelijking die hoort bij de volledige verbranding van aardgas.

Antwoord:

Aardgas bestaat uit het brandbare gas methaan (CH₄). Als methaan volledig verbrandt in de aanwezigheid zuurstof (O₂), dan ontstaan de stoffen water(H₂O) en koolstofdioxide (CO₂). Zorg dat je dit uit je hoofd weet.

Een eerste poging van een reactievergelijking wordt hiermee:
$$ \mathrm{... CH}_4 + \mathrm{... O}_2 \rightarrow \mathrm{... CO}_2 + \mathrm{... H}_2\mathrm{O} $$
Nu maken we de reactie kloppend (zoals we in de vorige paragraaf geleerd hebben):
$$ \mathrm{CH}_4 + 2 \mathrm{O}_2 \rightarrow \mathrm{CO}_2 + 2 \mathrm{H}_2\mathrm{O} $$
Ga zelf na dat we alle atomen van voor de reactie ook na de reactie vinden.

Voorbeeld

Vraag:

Geef de reactievergelijking die hoort bij de verbranding van natrium.

Antwoord:

Bij elke verbranding is zuurstof (O₂) nodig. Als natrium met deze zuurstof reageert ontstaat natriumoxide. In woorden is de reactievergelijking:
$$ \mathrm{natrium} + \mathrm{zuurstof} \rightarrow \mathrm{natriumoxide} $$
Natriumoxide bestaat uit een metaal- en een niet-metaalatoom en is dus een zout. Zouten bestaan uit ionen. In het periodiek systeem vinden we dat een natriumion een lading van 1+ heeft en een oxide-ion een lading van 2-. De verhoudingsformule wordt hiermee Na₂O.

De eerste poging tot een reactievergelijking wordt hiermee:
$$ \mathrm{... Na} + \mathrm{... O}_2 \rightarrow \mathrm{... Na_2O} $$
Merk op dat we het metaal natrium gewoon als "Na" hebben genoteerd. Metalen noteren we in reactievergelijkingen altijd als "losse atomen".

Nu maken we de reactievergelijking kloppend:
$$ \mathrm{4 Na} + \mathrm{O}_2 \rightarrow \mathrm{2 Na_2O} $$
Ga zelf na dat de reactie klopt.

Nu gaan we het winnen van ijzer uit ijzererts beschrijven met reactievergelijkingen. IJzer halen we uit de natuur in de vorm van ijzererts (zie de onderstaande afbeelding).

(Afbeelding: James St. John; CC BY 2.0)

IJzererts bestaat met name uit ijzer(III)oxide. Dit bestaat uit de ionen Fe³⁺ en O^2-. Omdat de stof neutraal moet zijn, vinden we hiermee de volgende verhoudingsformule: Fe₂O₃.

In zogenaamde hoogovens wordt hier ijzer (Fe) van gemaakt. Dit werkt als volgt. Eerst worden zogenaamde cokes, bestaande uit koolstof (C), met hete lucht verbrand. Hierbij ontstaat koolstofmonoxide (CO). Als we deze reactie uitschrijven, dan vinden we:

$$ \text{... C} + \text{... O}_2 \rightarrow \text{... CO} $$

Deze vergelijking maken we als volgt kloppend:

$$ \text{2 C} + \text{O}_2 \rightarrow \text{2 CO} $$

De koolstofmonoxide die hierbij ontstaat laten we reageren met ijzer(III)oxide:

$$ \text{... Fe}_2\text{O}_3 + \text{... CO} \rightarrow \text{... Fe} + \text{... CO}_2 $$

Deze reactie maken we als volgt kloppend:

$$ \text{Fe}_2\text{O}_3 + \text{3CO} \rightarrow \text{2Fe} + \text{3CO}_2 $$

Zoals je kan zien ontstaat bij dit proces het metaal ijzer.

Doordat er nog wat koolstof in het ijzer aanwezig is, is het verkregen materiaal vrij bros. Door de hoeveelheid koolstof terug te dringen tot zo'n 1 of 2 procent ontstaat de stof staal. Dit is veel sterker.

Laten we ook het winnen van aluminium bespreken. Aluminium wordt gewonnen uit aluminiumerts, wat ook wel bauxiet wordt genoemd. Dit bestaat met name uit aluminium(III)oxide. De verhoudingsformule die hierbij hoort is Al₂O₃ (ga dit zelf na). Om hier aluminium uit te winnen, moeten we het laten smelten. Daarna kan elektrolyse toegepast worden. De ontledingsreactie ziet er als volgt uit:

$$ \text{... Al}_2\text{O}_3 \rightarrow \text{... Al} + \text{... O}_2 $$

Deze vergelijking maken we als volgt kloppend:

$$ \text{2 Al}_2\text{O}_3 \rightarrow \text{4 Al} + \text{3 O}_2 $$

Vergeleken met het winnen van ijzer, kost deze reactie erg veel energie en dat maakt het winnen van aluminium relatief duur. Als gevolg is het vaak aantrekkelijk om aluminium te recyclen in plaats van het nieuw te maken uit bauxiet.

In het volgende voorbeeld bespreken we een neerslagreactie.

Voorbeeld

Vraag:

Een leerling mixt een zilverfluoride- met en een kaliumsulfide-oplossing. Geef de reactievergelijking van de reactie die plaatsvindt.

Antwoord:

Zilverfluoride bestaat uit Ag⁺ en F^-. Kaliumsulfide bestaat uit K⁺ en S^2-. Met BINAS vinden we welke combinaties van deze ionen goed of slecht oplossen:

Ag⁺ K⁺

F^- g g

S^2- s g

Zoals je kan zien, is alleen de combinatie Ag⁺ en S^2- slecht oplosbaar. Deze stof zal dus neerslaan. De verhoudingsformule voor deze stof is Ag₂S. De bijbehorende reactievergelijking is:
$$ \text{... Ag}^+\text{(aq)} + \text{... S}^{2-}\text{(aq)} \rightarrow \text{... Ag}_2\text{S (s)} $$
De vergelijking wordt als volgt kloppend:
$$ \text{2Ag}^+\text{(aq)} + \text{S}^{2-}\text{(aq)} \rightarrow \text{Ag}_2\text{S (s)} $$
Merk op dat de fluoride-ionen en de kaliumionen niet in de vergelijking genoemd zijn. Deze ionen blijven immers gewoon opgelost in het water en nemen dus niet deel aan de reactie.

Een oplosvergelijking kunnen we ook kloppend maken. Neem bijvoorbeeld het oplossen van calciumnitraat (Ca(NO₃)₂). Dit lost op in Ca²⁺- en NO₃^--ionen. De vergelijking wordt hiermee:

$$ \text{... Ca(NO}_3\text{)}_2\text{ (s)} \rightarrow \text{... Ca}^{2+}\text{ (aq)} + \text{... NO}_3^{-}\text{(aq)} $$

Deze vergelijking maken we als volgt kloppend:

$$ \text{Ca(NO}_3\text{)}_2\text{ (s)} \rightarrow \text{Ca}^{2+}\text{ (aq)} + \text{2NO}_3^{-}\text{(aq)} $$

Leerdoelen:

Zorg dat je reactievergelijkingen van verbrandingsreacties en neerslagreacties kloppend kan maken

Geef de reactievergelijkingen voor:

(2p) De verbranding van waterstof.

(2p) De volledige ontbranding van propaan (C₃H₈).

(3p) De verbranding van magnesium.

(3p) De verbranding van natrium.

Calciumcarbide reageert met water tot het gas ethyn (C₂H₂) en een oplossing van een zout. De vergelijking van deze reactie is hieronder onvolledig weergegeven. Alleen de formule van calciumcarbide ontbreekt. $$ \text{...} + \text{2H}_2\text{O} \rightarrow \text{C}_2\text{H}_2 + \text{Ca}^{2+} + \text{2OH}^- $$ Ethyn kan bij verbranding een explosie veroorzaken.

Uit de gegeven vergelijking is de formule van calciumcarbide af te leiden. Geef deze formule.

Tot welk soort stoffen behoort ethyn? Kies uit: koolwaterstoffen, moleculaire stoffen en zouten. Er zijn meerdere antwoorden mogelijk.

Geef de vergelijking van de volledige verbranding van ethyn.

(Bron: Examen VMBO-T, 2023-1)

De brandbare stof van een waxinelichtje is parafine. Geef de reactievergelijking voor de volledige verbranding van parafine. Gebruik voor parafine de molecuulformule C₂₅H₃₂.
(Bron: Examen VMBO-T, 2022-1)

In een hoogoven die 48 meter hoog is en gemaakt van staal, wordt ijzer geproduceerd uit ijzererts. Het meest gebruikte ijzererts bestaat voornamelijk uit Fe₂O₃. De hoogoven werkt als volgt: IJzererts en cokes (C) worden in de hoogoven gebracht. Cokes reageert met zuurstof uit lucht tot koolstofmono-oxide. Hierbij ontstaat veel warmte. Vervolgens reageert koolstofmono-oxide met Fe₂O₃ uit het erts tot ijzer en koolstofdioxide. Het vloeibare ijzer wordt onderaan de hoogoven afgetapt. Van het vloeibare ijzer worden dikke platen gemaakt.

De temperatuur in een hoogoven kan oplopen tot 2300 ^oC. De stalen wand van de hoogoven wordt daarom van binnen beschermd met hittebestendige bakstenen en een koelsysteem. Verklaar aan de hand van een gegeven uit Binas waarom het nodig is de wand van de hoogoven te beschermen.

Geef de vergelijking van de reactie van cokes met zuurstof.

Bij het maken van platen uit afgetapt ijzer vindt een fase-overgang plaats. Wat is de notatie van deze fase-overgang? Kies uit:
(g) → (s)
(l) → (g)
(l) → (s)
(s) → (l)

De beschreven processen in de hoogoven zijn hieronder schematisch weergegeven:

Geef de namen van de stoffen die zijn weergegeven met X en Y.

(Bron: Examen VMBO-T, 2014-2)

In een drinkwaterinstallatie wordt water belucht om ijzerionen uit het water te verwijderen. Het ijzer wordt hierbij omgezet tot Fe(OH)₃.

De vergelijking van deze reactie is hieronder onvolledig weergegeven. $$ \text{4Fe}^{2+} + \text{O}_2 + \text{... H}_2\text{O} + \text{8HCO}_3^{-} \rightarrow \text{4Fe(OH)}_3 + \text{8CO}_2 $$ Welke coëfficiënt voor H₂O maakt de vergelijking kloppend?

Laat met behulp van BINAS zien dat de Fe(OH)₃ dat hierbij ontstaat inderdaad neerslaat (en als vaste stof uit het water verwijderd kan worden).

Een leerling mengt telkens twee zoutoplossingen. Voer telkens de volgende stappen uit:
- Ga na welke combinatie van ionen neerslaat.
- Geef de verhoudingsformule van het zout dat ontstaat.
- Geef de bijbehorende reactievergelijking.

De leerling mengt ijzer(III)nitraat met natronloog.

De leerling mengt aluminium(III)chloride met zilvernitraat.

De leerling mengt ijzer(III)sulfaat met lood(II)nitraat.

De leerling mengt koper(II)nitraat met natronloog.

§3 Reactiesnelheid

In deze paragraaf gaan we bestuderen hoe snel reacties verlopen.

In deze paragraaf gaan we bestuderen hoe snel reacties verlopen. De reactiesnelheid tussen twee stoffen hangt o.a. af van:

De soort stoffen die reageren
De concentratie van de stoffen
De temperatuur
De verdelingsgraad
De aanwezigheid van een katalysator

De laatste drie punten hebben wat toelichting nodig. Laten we beginnen met de temperatuur. Hoe hoger de temperatuur van een stof, hoe sneller de deeltjes bewegen. De deeltjes botsen hierdoor vaker en de botsingen zijn ook krachtiger. Het resultaat is dat de reactiesnelheid omhoog gaat.

De verdelingsgraad vertelt ons hoe groot het contactoppervlak is tussen twee stoffen die met elkaar reageren. Neem als voorbeeld het verbranden van hout. Een groot blok hout heeft een relatief klein contactoppervlak en als gevolg is de reactiesnelheid laag. Een even groot volume aan houtsnippers daarentegen heeft een veel groter contactoppervlak. Dit verklaart waarom het gemakkelijker is om houtsnippers in brand te steken. In de onderstaande afbeelding wordt dit effect duidelijk. In de linker afbeelding komt zuurstof in aanraking met een blok met 16 centimeter aan omtrek. In de rechter afbeelding is het blok verdeeld in 16 stukken en komt zuurstof in aanraking met 64 centimeter aan omtrek. Dit is 4 keer zo veel!

Een katalysator is een stof die een reactie versnelt. Als voorbeeld bestuderen we de ontleding van waterstofperoxide (H₂O₂) in water en zuurstof:

$$ \mathrm{waterstofperoxide} \rightarrow \mathrm{water} + \mathrm{zuurstof} $$

Deze reactie verloopt normaal gesproken extreem langzaam, maar als we de katalysator kaliumjodide toevoegen, dan verloopt de reactie veel sneller (zie het onderstaande filmpje):

Een eigenschap van katalysatoren is dat ze wel gebruikt worden tijdens een reactie, maar niet verbruikt. Na de reactie is er dus evenveel katalysator over als daarvoor en dit betekent dat we de katalysator dus kunnen hergebruiken.

In het menselijk lichaam bevinden zich ook katalysatoren die processen als de spijsvertering versnellen. Deze katalysatoren zorgen ervoor dat allerlei reacties plaats kunnen vinden die normaal alleen bij hoge temperaturen kunnen plaatsvinden. De katalysatoren in ons lichaam worden enzymen genoemd. Enzymen zijn grote moleculen met een speciale vorm waar andere moleculen precies in kunnen klikken (zie de onderstaande afbeelding). Nadat dit gebeurd is, kan het enzym het ingevangen molecuul bijvoorbeeld opdelen in twee kleinere moleculen.

(Afbeelding: Biocyclopedia)

Leerdoelen:

Zorg dat je weet dat de reactiesnelheid afhankelijk is van de temperatuur, de verdelingsgraad en het gebruik van een katalysator

Zorg dat je weet dat een katalysator een reactie versnelt, maar tijdens de reactie niet gebruikt wordt en dus telkens hergebruikt kan worden

(1p) Je gooit een blokje hout en een handje zaagsel in een brandende open haard. Leg uit welk verschil je ziet.

Vergelijk een kubus met een volume van 1 dm³ met 1000 kubussen van 1 cm³.

(1p) Vergelijk het volume.

(3p) Vergelijk het oppervlak.

(1p) In welk geval hebben we een grotere verdelingsgraad?

(1p) Waarom is bij een hogere verdelingsgraad de reactiesnelheid groter.

In je lichaam treedt ook verbranding op, maar gelukkig bij lage temperatuur en zonder vuurverschijnselen. De gevormde koolstofdioxide verlaat je lichaam als je uitademt.

(1p) Welke brandstoffen verbranden in je lichaam.

(1p) Waardoor kan deze verbranding bij lage temperatuur plaatsvinden?

In hoogovens wordt cokes verbrand. Cokes is poreus en bevat veel holten. Daardoor verbrandt cokes heftig en snel. Geef aan waarom de holten in cokes zorgen voor een heftige en snelle verbranding.

Sommige goochelaars gebruiken 'flashpapier', dat door het aan te steken onmiddellijk met een felle vlam lijkt te 'verdwijnen'. Bij deze reactie wordt zwavelzuur gebruikt als katalysator. Geef aan welke invloed zwavelzuur heeft op de reactie.

Bij een magnesiumbatterij wordt platina als katalysator gebruikt. Als de batterij leeg is moeten een aantal stoffen weer bijgevuld worden. Voor de katalysator is dit niet het geval. Geef aan waarom de katalysator niet hoeft te worden aangevuld.

Door een batterij tegen staalwol te drukken gaat het gloeien.

(1p) Hierdoor wordt aan een verbrandingsvoorwaarde voldaan. Welke?

(1p) Als je gloeiend staalwol in de nacht rondslingerd aan een koord, worden mooie cirkels van licht zichtbaar. Door het staalwol harder rond te slingeren gaat het feller gloeien. Hieronder staan drie redenen voor dit fellere gloeien:
a: de reactie versnelt
b: de temperatuur gaat omhoog
c: er komt meer zuurstof bij de staalwol
Wat is de juiste volgorde waarin deze redenen een rol spelen? Kies uit:
a-b-c-a
b-a-c-a
c-a-b-a

(Bron: Examen VMBO-T, 2021-1)

Hieronder is een reactievergelijking te zien met twee onbekende moleculaire stoffen genaamd A, B en C: $$ \text{2 A} \rightarrow \text{B} + \text{2 C} $$ Bij de reactie is ook een katalysator D aanwezig. Deze stof is niet vermeld in de vergelijking.
In de onderstaande afbeelding is het aantal moleculen uitgezet tegen de tijd voor de vier stoffen die bij deze reactie betrokken zijn. Leg uit welk nummer in het diagram hoort bij welke stof.

Een docent wil demonstreren dat natrium reageert met water. De volgende reactie treedt hierbij op: $$ \text{2Na (s)} + \text{2H}_2\text{O (l)} \rightarrow \text{2 Na}^+ \text{(aq)} + \text{2OH}^- \text{(aq)} + \text{H}_2 \text{(g)} $$

Tot welke soorten deeltjes behoren de reactieproducten? Kies telkens uit: atomen, moleculen of ionen.

Direct na de bovenstaande reactie vindt een andere heftige reactie plaats. De docent vertelt dat de heftigheid komt doordat het gevormde waterstofgas onmiddellijk explosief reageert met zuurstof uit de lucht. Geef de reactieverglijking van de heftige reactie.

Vervolgens herhaalt hij de proef. Hij weegt een stukje natrium af dat exact even zwaar is als de eerste keer. Hij snijdt dit in twee gelijke stukken en doet beide stukjes in water. Het effect van de reactie is deze keer nog heftiger. Leg uit waarom. Gebruik hierbij een term uit de paragraaf.

In de onderstaande diagrammen is aangegeven hoe de hoeveelheid natrium en waterstof verandert in de tijd tijdens het experiment. Links is de eerste proef weergegeven. Welk van de vier recther diagrammen geeft het verloop van de herhalingsproef het best weer?

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

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

Samengestelde ionen
carbonaat-ion	CO₃^2-
nitraat-ion	NO₃^-
sulfaat-ion	SO₄^2-
fosfaat-ion	PO₄^3-
hydroxide-ion	OH^-
Ammonium-ion	NH₄⁺

Zouten
Keukenzout	Natriumchloride	NaCl
Kalkwater	Calciumhydroxide	Ca(OH)₂ (aq)
Kalksteen	Calciumcarbonaat	CaCO₃
Soda	Natriumcarbonaat	Na₂CO₃
Natronloog	Natriumhydroxide	NaOH (aq)

BINAS:
33	Elementen en symbolen
34	Periodiek systeem
35	Oplosbaarheid zouten
42	Triviale en rationele namen stoffen

Hoofdstuk 6 Chemische reacties

§1 Reactievergelijkingen

§2 Verbrandingsreacties en neerslagreacties

§3 Reactiesnelheid

Hoofdstuk 6
Chemische reacties