§1 Ontledingsreacties §2 Elektrolyse §3 Reactievergelijkingen §4 Verbrandingsreacties en neerslagreacties §5 Reactiesnelheid
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 meestal 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 het verhitten van een stof noemen we thermolyse. Ontleden met behulp van licht noemen we fotolyse. Een voorbeeld van fotolyse is het verkleuren van verf in de zon. Ontleden met behulp van elektriciteit heet elektrolyse. Deze methode wordt o.a. gebruikt bij het ontleden van water in waterstof en zuurstof.
Een andere soort ontleding vindt plaats bij dynamiet (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. Een suikermolecuul bestaat bijvoorbeeld uit waterstof-, zuurstof- en koolstof (C) atomen en een watermolecuul uit waterstof- en zuurstofatomen. We noemen dit type stoffen ook wel verbindingen. De niet-ontleedbare stoffen bestaan uit slechts één soort atoom. Dit geldt in dit voorbeeld voor koolstof (C), waterstof (H2) en zuurstof (O2). We noemen dit type stoffen ook wel enkelvoudige stoffen of elementaire stoffen. Merk hieruit op dat bij een ontledingsreactie verschillende soorten atomen van elkaar losgetrokken worden.
Hieronder zien we links de ontleding van suiker in koolstof en water en rechts het scheiden van suikerwater in water en suiker (wat bijvoorbeeld met indampen gedaan kan worden). Bij ontleden ontstaan nieuwe moleculen en dus nieuwe stoffen. Er is hier dus sprake van een chemische reactie. Suikerwater daarentegen is een mengsel. Mengsels bestaan uit meerdere soorten stoffen en dus ook meerdere soorten moleculen. Tijdens het scheiden ontstaan geen nieuwe moleculen, maar worden de moleculen alleen gesorteerd. Hier heeft dus geen chemische reactie plaatsgevonden.
Leerdoelen: |
|
Opdrachten |
|
In deze paragraaf gaan we nauwkeuriger kijken naar elektrolyse.
Als we een stroom laten lopen door een zoutoplossing, dan ontleden we daarmee ook het zout. De opstelling is hieronder weergegeven. Twee stukjes metaal genaamd elektroden zijn in de oplossing geplaatst en zijn verbonden met plus- en de minpool van een spanningsbron. In dit geval zien we bijvoorbeeld een oplossing van aluminium(III)chloride. Dit kunnen we ontleden in aluminium en chloride.
Aluminium(III)chloride bestaat uit de ionen Al3+- en Cl-. De Cl--ionen zijn negatief en worden dus aangetrokken tot de positieve elektrode. De positieve elektrode trekt elektronen uit deze ionen, waardoor de chloride-ionen veranderen in neutrale chlooratomen. In een eerder hoofdstuk hebben we geleerd dat chlooratomen zich groeperen in paren. Er ontstaan bij de positieve elektrode dus Cl2 moleculen. Dit is bij kamertemperatuur een geelkleurig gas.
De Al3+-ionen zijn positief en worden dus aangetrokken tot de negatieve elektrode. De ionen trekken elektronen uit de negatieve elektrode en worden hierdoor ook neutraal. Als gevolg ontstaan aluminiumatomen die een metaalrooster vormen op de negatieve elektrode.
Leerdoelen: |
|
Opdrachten |
|
In deze eerste paragraaf chemische reacties uitschrijven met molecuulformules. We doen dit aan de hand van zogenaamde reactievergelijkingen.
In een eerder hoofdstuk hebben we geleerd chemische reacties uit te schrijven met een reactieschema. In een reactieschema schrijven we in woorden op welke stoffen voor de reactie aanwezig waren (de reactanten) en welke stoffen na de reactie zijn ontstaan (de producten):
$$ \mathrm{reactant} 1 + \mathrm{reactant} 2 + \mathrm{...} \rightarrow \mathrm{product} 1 + \mathrm{product} 2 + \mathrm{...} $$In deze paragraaf gaan we dit soort reactieschema's uitschrijven met chemische formules. We spreken in dat geval van reactievergelijkingen.
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 nu het volgende op. Bij een chemische reacties veranderen de moleculen, maar niet de atomen. 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 (H), vier zuurstofatomen (O) en één koolstofatoom (C). Het enige dat dus gebeurd is, is dat de atomen tijdens de reactie 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). Zowel voor als 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) ontleden, 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.
We zien in de reactievergelijking dat er twee keer zoveel waterstof als zuurstof is ontstaan. Dit kunnen we experimenteel door de elektrolyse van water daadwerkelijk uit te voeren. Als we elektriciteit door water laten lopen, dan ontstaat er inderdaad twee keer zoveel waterstof als zuurstof. Dit kun je zien in de rechter afbeelding, waar in de linker buis zuurstof is ontstaan en in de rechter buis waterstofgas.
Zuurstof en waterstof zijn beide transparante en kleurloze gassen, dus hoe weten we dat hier zuurstof en waterstof is ontstaan? Dat in de linker buis zuurstof aanwezig is, 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 de houtspaander feller gloeien. Waterstof is een brandstof. Als we het rechter 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.
Voorbeeld |
Vraag: Schrijf de reactievergelijking uit van de reactie tussen alcohol (C2H6O) en zuurstof (O2). Er ontstaat bij deze reactie koolstofdioxide en water. Antwoord: Bij de reactie ontstaat koolstofdioxide (CO2) en water (H2O). Een eerste poging tot een reactievergelijking wordt hiermee: $$ ... \text{C}_2\text{H}_6\text{O} + ... \text{O}_2 \rightarrow ... \text{CO}_2 + ... \text{H}_2\text{O} $$Eerst maken we het aantal koolstofatomen (C) links en rechts gelijk: $$ ... \text{C}_2\text{H}_6\text{O} + ... \text{O}_2 \rightarrow 2 \text{CO}_2 + ... \text{H}_2\text{O} $$Dan maken we het aantal waterstofatomen (H) links en rechts gelijk: $$ ... \text{C}_2\text{H}_6\text{O} + ... \text{O}_2 \rightarrow 2 \text{CO}_2 + 3 \text{H}_2\text{O} $$We eindigen met de zuurstofatomen (O). Aan de rechterkant van de vergelijking hebben we 7 zuurstofatomen (tel zelf na!), dus links moeten we ook 7 zuurstofatomen hebben: $$ \text{C}_2\text{H}_6\text{O} + 3 \text{O}_2 \rightarrow 2 \text{CO}_2 + 3 \text{H}_2\text{O} $$
|
Voorbeeld |
Vraag: Als ammoniak reageert met zuurstof, dan ontstaat stikstofdioxide en water. Noteer de reactievergelijking 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. Dus in dit geval niet met zuurstof. Laten we beginnen met de waterstofatomen (H): $$ \text{2 NH}_3 + \text{... O}_2 \rightarrow \text{... NO}_2 + \text{3 H}_2\text{O} $$Nu hebben we aan beide kanten 6 waterstofatomen. Nu de stikstofatomen (N): $$ \text{2 NH}_3 + \text{... O}_2 \rightarrow \text{2 NO}_2 + \text{3 H}_2\text{O} $$We hebben nu aan beide kanten 2 stikstofatomen. Dan de zuurstof. Aan de rechterkant hebben we in totaal 7 zuurstofatomen. Om links ook 7 zuurstofatomen te krijgen, 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: |
|
Opdrachten |
|
In deze paragraaf gaan we nauwkeuriger kijken naar verbrandingsreacties, metaalwinning en neerslagreacties. We gaan deze reacties beschrijven met behulp van reactievergelijkingen.
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). Verbranden is reageren met zuurstof (O2). En bij de volledige verbranding van methaan ontstaat water (H2O) en koolstofdioxide (CO2). Een eerste poging van een reactievergelijking wordt hiermee: $$ \mathrm{... CH}_4 + \mathrm{... O}_2 \rightarrow \mathrm{... CO}_2 + \mathrm{... H}_2\mathrm{O} $$Eerst maken we de waterstofatomen kloppend: $$ \mathrm{CH}_4 + ... \mathrm{O}_2 \rightarrow \mathrm{CO}_2 + 2 \mathrm{H}_2\mathrm{O} $$En nu de zuurstofatomen: $$ \mathrm{CH}_4 + 2 \mathrm{O}_2 \rightarrow \mathrm{CO}_2 + 2 \mathrm{H}_2\mathrm{O} $$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 zuurstof reageert ontstaat natriumoxide. In woorden wordt de vergelijking hiermee: $$ \mathrm{natrium} + \mathrm{zuurstof} \rightarrow \mathrm{natriumoxide} $$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-. Om hiermee een neutraal zout te krijgen is de verhoudingsformule 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 O2-. Omdat de stof neutraal moet zijn, vinden we hiermee de volgende verhoudingsformule: Fe2O3.
In zogenaamde hoogovens wordt hier ijzer (Fe) van gemaakt met behulp van zogenaamde cokes, bestaande uit poreus koolstof (C) (zie de linker onderstaande afbeelding). Dit werkt als volgt. Eerst worden de cokes 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:
$$ \text{Fe}_2\text{O}_3 + \text{3 CO} \rightarrow \text{2 Fe} + \text{3 CO}_2 $$Zoals je kan zien ontstaat bij dit proces elementair ijzer (Fe).
In het volgende voorbeeld bespreken we een zogenaamde neerslagreactie.
Voorbeeld | |||||||||
Vraag: Een leerling mixt een zilverfluoride- met een kaliumsulfide-oplossing. Geef de reactievergelijking behorende bij de neerslagreactie die plaatsvindt. Antwoord: Zilverfluoride bestaat uit Ag+ en F-. Kaliumsulfide bestaat uit K+ en S2- (zie het hoofdstuk "Zouten"). Met BINAS vinden we welke combinaties van deze ionen goed of slecht oplossen:
Zoals je kan zien, is alleen de combinatie Ag+ en S2- slecht oplosbaar. Deze stof zal dus neerslaan. Als we hiermee een neutraal zout maken, dan wordt de verhoudingsformule 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.
|
Leerdoelen: |
|
Opdrachten |
|
In deze paragraaf gaan we bestuderen hoe snel reacties verlopen.
De reactiesnelheid tussen twee stoffen hangt o.a. af van:
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 zal daarom veel sneller reageren.
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 een katalysator toevoegen, in dit geval kaliumjodide, dan verloopt de reactie veel sneller
Nog 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 voor de reactie 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 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 rechter afbeelding). Nadat dit gebeurd is, kan het enzym het ingevangen molecuul bijvoorbeeld opdelen in twee kleinere moleculen.
(Afbeelding: Biocyclopedia)
Leerdoelen: |
|
Opdrachten |
|
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 |
CO32- |
nitraat-ion |
NO3- |
sulfaat-ion |
SO42- |
fosfaat-ion |
PO43- |
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 |