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

Hoofdstuk 1
Experimenteren

§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 nu eigenlijk is.

Welkom bij de wetenschapsschool. Op deze website zal je worden geïntroduceerd in 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 o.a. 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.

Bron: Benjah-bmm27 / CaesiumFluoride

Natuurkunde gaat over beweging en kracht. Bij beweging kan je bijvoorbeeld denken aan het opstijgen van een vliegtuig of het vallen van een steen. Ook de onderwerpen geluid, temperatuur en licht behoren bij de natuurkunde. Deze fenomenen worden namelijk veroorzaakt door de bewegingen van miljarden kleine deeltjes. De bekendste kracht is de zwaartekracht. Andere bekende krachten zijn de elektrische en de magnetische kracht.

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

         Begrijp het verschil tussen natuurkunde, scheikunde en biologie
  1. Maak een schets van een scheikundige, een natuurkundige en een bioloog die aan het werk is.
  2. 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.
  3. Noem twee uitvindingen waarbij de natuurkunde een belangrijke rol heeft gespeeld. Doe daarna hetzelfde voor de scheikunde en de biologie.
  4. Beschrijf het verschil tussen natuurkunde, scheikunde en biologie.

 

§2     Volume en massa

In de scheikunde proberen we de wereld te begrijpen door metingen te doen aan stoffen. Twee van de belangrijkste stofeigenschappen die we kunnen meten zijn de massa (hoe zwaar een stof is) en het volume (hoeveel ruimte een stof inneemt). In deze paragraaf bespreken we de verschillende maten waarin deze stofeigenschappen worden gemeten.

Om stoffen te kunnen beschrijven, is het belangrijk dat we kunnen meten hoeveel ruimte stoffen innemen. We gebruiken hiervoor de lengte, de oppervlakte en het volume. De lengte meten we meestal in:

De oppervlakte meten we meestal in:

Het volume meten we meestal in:

In de vorige afbeelding zien we dat het volume zowel in kubieke meter als in liter weergegeven kan worden. 1 L is bijvoorbeeld exact hetzelfde als 1 dm3. Er geldt dus:

$$ 1 \text{ L} = 1 \text{ dm}^3$$

In de scheikunde is het ook van belang dat we kunnen meten hoe 'zwaar' stoffen stoffen zijn. Hiervoor wordt het begrip massa gebruikt. De massa meten we meestal in:

Normaal gesproken gebruiken we echter alleen de milligram, de gram en de kilogram:

In het dagelijks leven wordt voor de massa ook wel het woord 'gewicht' gebruikt. Dit is echter onjuist. In klas 4 zal het verschil tussen massa en gewicht in het vak natuurkunde uitgebreid worden besproken.

Het is belangrijk om het begrip volume en het begrip massa goed uit elkaar te houden. Het volume van een stof beschrijft hoeveel ruimte een deze stof inneemt. De massa beschrijft hoe zwaar de stof is. In het onderstaande afbeelding wordt het verschil duidelijk. Het stuk piepschuim heeft het grootste volume, omdat het meer ruimte inneemt. De kogel heeft de grootste massa, omdat die zwaarder is.

         Begrijp het verschil tussen massa en volume
  1. We vergelijken een groot blok piepschuim met een kleine loden kogel. Leg uit welk voorwerp de grootste massa heeft en welke het grootste volume.
  2. Verbeter de twee fouten in deze uitspraak: 'Het gewicht van de man is 75 kilo'.
  3. Vul de volgende tabel aan:
    Massa kilogram
    Volume kubieke meter
    ... liter
  4. Beschrijf het verschil tussen massa en volume. Schrijf ook de meest gebruikte eenheden voor zowel massa als volume op.
         Reken met de maten van massa en volume
  1. Schrijf de volgende meetwaarden om:
    1. 2,231 L = ... mL
    2. 56,2 mL = ... L
    3. 5600 cm3 = ... L
    4. 66,08 mL = ... dm3
    5. 0,0765 L = ... cm3
    6. 1,54 dm3 = ... mL
    7. 1,7 dm3 = ... mL
    8. 150 mm3 = ... L
    9. 0,23 m3 = ... cL
    10. 0,9 dL = ... cm3
  2. Schrijf de volgende meetwaarden om:
    1. 150 kg = ... g
    2. 0,03kg = ... g
    3. 23 000 g = ... kg
    4. 0,025 g = ... mg
    5. 1 250 mg = ... g
    6. 0,25 kg = ... mg
    7. 0,023 kg = ...mg
  3. Ga naar deze opdracht op de website en speel het programma uit.
    Speel alle levels uit op goud:

 

§3     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.

Ter bescherming van je kleding en je armen dragen we tijdens scheikunde-experimenten een labjas. 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 het experiment.

Bron: TEDxNewcastle met Andrew Szydlo

Bij het gebruik van stoffen is het van belang eerst op het etiquette te kijken, zodat je weet waar je op moet letten bij het gebruik van de stof. Op het etiquette staan namelijk zogenaamde gevarenpictogrammen of gevarensymbolen. Hieronder zie je een aantal voorbeelden die je uit je hoofd wilt kennen.

Even ter verduidelijking. "Corrosief" betekent dat de stof bijtend reageert op de huid. Een fles die onder druk zijn kan gevaar opleveren als deze verwarmd word, dan neemt de druk immers toe en kan de fles exploderen of kan de dop eraf schieten. Misschien dat je je ook afvraagt wat het verschil is tussen "ontvlambaar" en "oxiderend". Ontvlambaar betekend dat het materiaal in brand kan vliegen als er vuur in de buurt is. Oxiderend betekent dat de stof in brand kan vliegen als het in aanraking komt met bepaalde andere stoffen. Bij "langetermijnschade" moet je bijvoorbeeld denken aan kankerverwekkende stoffen. Je merkt dit effect niet meteen, maar op lange termijn is het zeer gevaarlijk.

Let er tevens op dat je veel stoffen die je gebruikt in de scheikundeles niet in de prullenbak of de gootsteen kan gooien. In plaats daarvan is er een speciaal afvalvat aanwezig 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 ook gebruik maken van de branddeken. Gelukkig zijn deze maatregelen zo goed als nooit nodig.

         Ken de veiligheidseisen bij het experimenteren in de scheikunde
  1. Noem drie veiligheidsmaatregelen die je bij elk experiment in het scheikundelokaal moet uitvoeren.
  2. Noem een maatregel die je kan nemen als je kleding in brand staat en als er in het lokaal een brand ontstaat.
  3. 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.

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

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

 

§4     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 de experimenten.

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. Hieronder zien we links bietensap dat in verschillende stoffen een andere kleur krijgt. Rechts zien we een chemische reactie tussen twee stoffen waar licht bij vrij komt. Deze stoffen worden bijvoorbeeld gebruikt in "glowsticks" en in de natuur zorgen ze voor het licht van vuurvliegjes. Door en reageerbuis rustig heen en weer te schudden kan je stoffen 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.

Bron: Alvy16 / PRHaney

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. Ze worden hiervoor eerst op een driepoot gezet (zie de derde afbeelding). Een ander type glaswerk is de maatcilinder. 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 (zie de rechter afbeelding). Maatcilinders zijn niet bedoeld om te verwarmen.

Om stoffen te verwarmen gebruiken we een gasbrander. De branders in het scheikundelokaal werken op aardgas. Dit gas bestaat voornamelijk uit het brandbare methaan (CH4). 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 op de brander dicht zijn. Daarna draai je eerst de gaskraan een klein stukje open. Steek dan een lucifer aan, 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 bovenstknop 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) koolstofmonoxide (CO) vrij. 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 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, dan zetten we wel de gele vlam aan, omdat deze vlam het best zichtbaar is. De gele vlam wordt daarom ook wel de waarschuwingsvlam genoemd. Koolstofmonoxide is een onzichtbaar gas dat bij hoge concentratie gevaarlijk is voor de mens.

Bron: Arthur Jan FijaƂkowski

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 (zie de bovenstaande linker afbeelding). 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 water (H2O). In de onderstaande afbeelding zijn de stoffen die ontstaan bij de verschillende vlammen nog eens overzichtelijk weergegeven:

         Beschrijf de werking van de brander bij verschillende hoeveelheid luchttoevoer.
  1. Leg uit wanneer je gebruik maakt van de gele vlam, wanneer van de blauwe vlam en wanneer van de ruisende vlam.
  2. Hoe kan je het ontstaan van koolstof bij onvolledige verbranding van aardgas aantonen?
  3. Hoe kan je het ontstaan van water aantonen bij de verbranding van aardgas?
  4. 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
  5. Schrijf op welke stoffen ontstaan bij de volledige en de onvolledige verbranding van methaan.
  6. In een cv-ketel (centraleverwarmingsketel) in huis 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 dit gevaarlijk is.

 

§5     Chemische reacties en faseovergangen

In deze paragraaf gaan we het verschil tussen faseovergangen en chemische reacties 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.

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. 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).

Chemische reacties beschrijven we o.a. 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). Tussen de reactanten en de producten schrijven we een pijltje:

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

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

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

Naast chemische reacties kunnen stoffen ook faseovergangen ondergaan. Over het algemeen bevinden stoffen zich in één van de volgende drie fasen:

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. Als een stof van de ene fase overgaat naar een andere, dan spreken we van een faseovergang.

Hieronder zien we bijvoorbeeld de overgang van vast naar vloeibaar (links) en van vloeibaar naar gas (midden). Zelfs een voorwerp zo hard als staal wordt bij hogere temperaturen een vloeistof (rechts). 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.

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 in o.a. een bruine stof genaamd karamel.

         Uitschrijven van reactieschema's en herkennen van het verschil tussen faseovergangen en chemische reacties
  1. Leg uit welk van de volgende fenomenen chemische reacties zijn en welke faseovergangen:
    1. Staal wordt bij hoge temperaturen 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.
  2. Als we het metaal calcium in water gooien reageert het heftig. Bij deze reactie ontstaat kalk en waterstofgas. Schrijf het reactieschema op dat bij deze reactie hoort.
  3. Bij de verbranding van staalwol ontstaat roest. Staalwol bestaat voornamelijk uit ijzer. Schrijf het reactieschema op dat bij deze reactie hoort.
  4. De stof TNT kan ontploffen door het bloot te stellen aan een schokgolf. Bij de ontploffing van TNT ontstaat stikstof, waterstof, koolstofmonoxide en koolstof. Schrijf het reactieschema op dat bij deze reactie hoort.
  5. 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.
  6. Geef bij elk van de volgende stoffen aan of ze in vloeibare vorm bestaan:
    1. Hout
    2. IJzer
    3. Suiker
    4. Goud
    5. Zout

 

§6     Verbranding

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

Een stof vliegt in brand als aan drie factoren 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 dat de temperatuur boven de ontbrandingstemperatuur komt. Bij heftige verbrandingsreacties kunnen er naast vuur ook explosies ontstaan.

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 de koekenpan in brand vliegt, dan is het voldoende door 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. Het water zorgt er voornamelijk voor 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 het onderstaande filmpje.



         Redeneren met de drie factoren die nodig zijn voor verbranding.
  1. 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. 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. Een blusapparaat werkt met koolzuur. Je spuit daarmee een laag koude koolzuur over de brand. Op welke twee manieren blust dit blusapparaat?
  4. 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?
  5. De olijfolie in je pan vliegt in brand.
    1. Waarom is het niet verstandig deze brand met water te doven?
    2. Noem een andere methode waarmee je de brand kan blussen.