Blok 3: Materie

Samenvatting Algemene Natuurwetenschappen aan de hand van vraagstellingen Scala blok 3: Materie Hoofdstuk 7 7.1 Alchemie: Grieken en Middeleeuwen Welke denkbeelden hadden welke Ionische (Griekse) filosofen over het grond- of oerbeginsel van alles? Thales: het water
Anaximandros: het apeiron (het oneindige iets) Heraclitus: het oervuur
Anaximenes de lucht (te zien als ziel en adem) Welke Griekse filosoof liet het oerbeginsel varen en introduceerde welke oerstoffen? Empedocles (495-435) introduceerde de oerstoffen: vuur, water, lucht en aarde waarin voorstelt
vuur: het warm-droge

water: het koud-vochtige
lucht: het warm-vochtige
aarde: het koud-droge
Welke filosoof introduceerde de atomen als bouwstenen van de wereld en hoe zag hij de atomen? Democritius (460-370): atomen zijn ondeelbaar, bestaan uit dezelfde stof en verschillen
alleen in grootte, vorm en massa; ze bewegen continu en al wat er is bestaat uit atomen en valt weer uiteen in atomen, als het vergaat
Welke visie had Empedocles op verbranden? Het uiteenvallen van materie in de 4 basis-elementen: vuur, water, lucht(rook) en aarde (as) Welke eigenschappen of toestanden van de basis-elementen zijn mogelijk volgens Aristoteles? de toestanden: koud, warm, vochtig en droog
Naar welk doel streefden de eerste alchemisten hoofdzakelijk? de transmutatie: de omzetting van lood of zink in in een klomp goud
of filosofisch gezien: de stof of steen die weer gezond kan maken of oud in jong kan veranderen
waar men naar op zoek was noemde men in beide gevallen: “de steen der wijzen” Wanneer deed de Westerse Alchemie zijn intrede en waardoor werd zij beïnvloed? in het begin van onze jaartelling en zij werd beïnvloed door Arabische, Griekse en Chinese zienswijzen
Welke arabische alchemist werd waardoor bekend? Aboe-Bakr al Rhazi (850-924) werd bekend door het maken van alcohol, wat gezien werd als
middel om onsterfelijk te worden en daarom ook wel levenswater of aqua vitae genoemd werd. Hij maakte de alcohol door vergiste suikeroplossingen te destilleren. Hij gaf verder de aanzet tot de verdere ontwikkeling en toepassing van destillatie-apparartuur, die later veel ingezet werd bij de productie van medicijnen (de farmacie) en nog veel later in de aardolie-industrie
7.2 Chemie in de loop der tijd Wat is Iatrochemie en wie was er de grondlegger van? De medische chemie en Paracelsus (1493-1541) was er de grondlegger van
Wat was zijn filosofie? Paracelsus: a) geloofde in de behandeling van geest, lichaam en ziel tegelijk
b) zag een gezond lichaam als een chemisch systeem, waarin de drie stoffen: zwavel, kwik en salmiak of zout (de tria prima) een ideale verhouding hebben
Waarin verschilde deze filosofie met de gangbare? De gangbare filosofie ging uit van 4 lichaamsvochten nl. bloed, slijm, gele gal en zwarte gal, welke bij een gezond lichaam in evenwicht met elkaar moeten zijn (de viersappentheorie). Welk tijdsdenken paste bij Paracelsus en waarom? Het tijdsdenken van de Renaissance, omdat het individu bij hem centraal staat en hij vrijuit onderzoek deed, zonder zich te laten hinderen door het geestelijke denken van de middeleeuwen. Welke wetenschappers onderzochten het fenomeen “verbranding” en wat waren hun ontdekkingen en denkbeelden? R. Boyle (1627-1691): a) hij ontdekte dat in de luchtrest die na verbranding overbleef (stikstof) geen nieuwe verbranding meer kon plaatsvinden; b) verder verwierp hij “vuur” als 1 van de 4 basiselementen, dus bleven bij hem water, lucht en aarde over
c) de basiselementen waren volgens hem onveranderlijk en
fundamenteel
G. E. Stahl (1660-1734): Ontwikkelde flogistontheorie wat inhield dat stoffen o.a. bestaan uit een lichte onzichtbare stof, flogiston genaamd, die ontwijkt als de stof verbrandt. J. Priestly (1733-1804): - Hij ontdekte zuurstof als bestanddeel van lucht, noemde dit echter nog niet zo en bemerkte dat verbranding in zuivere zuurstof feller verloopt dan in gewone lucht. - Hij trok hieruit de conclusie dat zuurstof lucht was zonder
flogiston en dat stikstof (het overblijfsel van lucht na verbranding) een gas was dat verzadigd was met flogiston. N.B.: Enige probleem bij de flogistontheorie was de massatoename van stoffen bij verbranding, terwijl er toch stof (flogiston) verdwijnt. De enige verklaring die men had was dat flogiston dan een negatieve massa moest hebben. A.L. Lavoisier (1743-1794): - Hij verenigde elementopvatting van R. Boyle en de laatste

inzichten van J. Priestly en stelde vast dat de massatoename van een stof bij verbranding precies gelijk was aan de massa-afname van de verbruikte lucht. - Hij toonde aan dat het voor verbranding benodigde gas onderdeel was van vele zuren en bedacht de naam “zuurstof “hiervoor. N.B. : deze inzichten betekenden het einde van de flogistontheorie en hiermee werd de basis gelegd voor de moderne chemie 7.3 Chemische reacties Wanneer voerde de mens de eerste chemische reacties uit en welke reacties waren dat? Vanaf het moment dat hij vuur kon maken voerde de mens de eerste chemische reakties uit en dat waren vnl. reakties waarbij metalen gewonnen werden uit ertsen. IJzer werd bijv. uit ijzererts gewonnen door ovens van klei te vullen met lagen houtskool en ijzererts, het houtskool aan te steken waarna dit onvolledig verbrandt met als bijproduct koolstof-monoxide dat zich vervolgens verbindt met het ijzererts. Het ijzer wordt hierna gevormd met als bijproduct koolstofdioxide en het ijzer zakt naar beneden in de oven. Noem enkele andere chemische reacties. het lijmen van een gebroken vaas, het maken v.e. gipsen beldje, het branden van raketmotoren, het permanenten van haar enz. Welke chemische reactie vindt plaats bij het permanenten van haar? In haar zit het eiwit keratine en bij het groeien van het haar binden de moleculen van dit eiwit zich aan elkaar d.m.v. zwavelbruggen, zodat het haar vorm krijgt. Als het haar nat gekruld wordt, worden deze oorspronkelijke bindingen verbroken en ontstaan na het drogen van het haar nieuwe, waarmee de nieuwe (gekrulde) vorm van het haar gefixeerd wordt. We noemen dit een chemische reactie, omdat de zwavelbruggen na het permanenten anders liggen dan ervoor
Door welke chemische reactie kwam de Apollo 11 in de problemen? Een ontploffing in een zuurstoftank t.g.v. een vonkje en de combinatie van waterstof en zuurstof. Dat deze situatie kon optreden kwam door een temperatuurbeveiliger die het liet afweten in de afvoer van de zuurstoftank. N.B.: De zuurstof en de waterstof waren aan boord om de brandstofcellen te voeden van de Apollo. (voor de werking van brandstofcellen zie par. 8.4 en 8.6) 7.4 Atoommodellen Welke natuurfilosoof introduceerde wanneer het atoombegrip en hoe zag hij een atoom? Democritius: hij leefde in 400 voor Christus en zag een atoom als een ondeelbare eenheid
waaruit materie is opgebouwd (a-tomos betekent ondeelbaar). Welke Griekse denker dacht hier iets anders over, waardoor het denkbeeld van Democritius
langere tijd op de achtergrond raakte?Aristoteles
Hieronder vind je een korte beschrijving van latere atoommodellen modellen. Welke wetenschapper(s) hoort (horen) bij welk model? a Het atoom is een massieve bol. -> Dalton (1766-1844) b Het atoom is een massief deeltje, bestaande uit negatieve elektronen en positieve
ladingsdeeltjes, die als zich als krenten in een soort krentenbol bevinden. -> Thomson (1852-1940) c Het atoom heeft een massieve kern, bestaande uit protonen met daaromheen
ijle ruimte met elektronen die zich om de kern bewegen. -> Rutherford (1871-1937) d Het atoom heeft een massieve kern van protonen met daaromheen elektronen in bepaalde banen. Hoe verder de electronen zich van de kern bevinden, des te makkelijker kan zo’n electron zich afsplitsen van het atoom. -> Bohr (1885-1962) e Idem als d, maar behalve protonen bestaat de kern ook uit ongeladen neutronen, die ervoor zorgen dat de protonen bij elkaar blijven. -> Chadwick (1891-1974) f Ongeveer als e, maar nu beschreven volgens de kwantummechanica en met toevoeging van nog andere deeltjes aan het atoom, zoals quarks en gluonen -> Schrödinger (1887-1961) en

Heisenberg (1901-1976) Waardoor werden de wetenschappers L.Meyer (1830-1895) en I.M. Mendelejev (1834-1907) bekend? Zij bedachten onafhankelijk van elkaar een systeem om de (chemische) elementen logisch in te delen. Zij deden dit op basis van de periodieke terugkeer van dezelfde chemische eigenschappen. Wie leverde later de theoretische onderbouwing van dit systeem en hoe rangschikte hij de elementen? H.G.J. Mosely en hij rangschikte de elementen naar de grootte van hun kernlading (=atoomnummer). Wat is de systematiek in het periodieke systeem? a) De elementen zijn in rijen gezet en van links naar rechts volgens oplopende kernlading. b) Tevens zijn de elementen die chemisch op elkaar lijken onder elkaar gezet en van boven naar
onder eveneens volgens oplopende atoommassa. c) De kolommen noem je groepen en de rijen perioden. 7.6 Risico van chloortreinen Wat is risico bij gevaarlijke transporten zoals bijv. chloor? ongeluksrisico = ongelukskans x ongelukseffect (ongelukseffect wordt uitgedrukt in aantallen doden en/of gewonden) Noem enkele maatregelen om de ongelukskans te verkleinen bij een chloortransport
per spoor. - ander treinverkeer op de route van het transport tot een minimum beperken - gebruik maken van uitstekend en goed onderhouden spoormaterieel - de treinen met lage snelheid laten rijden
Noem enkele maatregelen om het ongelukseffect te verkleinen bij een chloortransport
per spoor. - de treinen ’s nachts laten rijden - de treinen met lage snelheid laten rijden
Hoe zou je chloortransporten kunnen vermijden? Door alle chloor daar te produceren waar het ook gebruikt wordt (bijv. in het R’damse Botlekgebied). Hoofdstuk 8 8.1 Metalen 1e metaal na steentijd?: koper (luidde begin van kopertijd in !) Winning koper?: door het kopererts (malachiet) te mengen met houtskool en in een oven te verhitten
Probleem?: koper te zacht
Oplossing?: koper mengen met tin wat brons oplevert (luidde begin van bronstijd in !) Metaal na brons?: ijzer (luidde begin ijzertijd in !) Bereidingstechniek?: ijzererts verhitten met steenkool in oven (zie afb. 7-16) Waar ’t eerst toegepast?: in China
1e producten?: ploegscharen, messen, bijlen, beitels, zagen en pannen

Soort geproduceerd ijzer?: gietijzer
Nadeel gietijzer: nogal bros t.g.v. een te hoog koolstofpercentage
Oplossing: bereiding van ijzer met minder koolstof door blaasbalg in oven te gebruiken -> staal
1e toepassingen staal in?: zwaarden en bruggen
Ander interessant metaal?: goud
Reden: mooi edel metaal dat zeldzaam is en daarom kostbaar
1e winning goud?: door gouderts te wassen met water in een pan of een zeefbak
Hoe latere winning goud: erts wordt fijngemaakt en met water gemengd -> slib; slib wordt over koperen platen geleid met koper-kwiklegering erop; goud hecht zich aan het kwik en vormt een kwik-goud-amalgaam op het oppervlak van de platen dat er vervolgens wordt afgekrabd; het kwik in het amalgaam wordt vervolgens verwijderd door destillatie. Nog een interessant metaal?: aluminium
Prijs?: eerst € 360/kg, later na betere winningsmethode
m.b.v. electrolyse: €1/kg

Voordelen?: licht, sterk, corrosiebestendig en electrisch geleidend metaal
Waarom corrosiebestendig?: door beschermend oxidelaagje op het aluminium
Toepassingen:? voor vliegtuigen, raamkozijnen, hoogspanningskabels 8.2 Indigo en kleurstoffen 1e natuurlijke blauwe kleurstof om katoen te verven: indigo
Waar gewonnen?: in India
Door wie geintroduceerd in Europa?: door Arabische kooplieden
Tijdelijke inzinkingen Indiase indigo-productie door?: a) indigo-productie in West-Indië (in de17e eeuw) b) de opkomst van de blauwe kleurstof “wede”in Europa (in de18e eeuw) Definitieve inzinking van Indiase
indigo-productie door?: productie van synthetische kleurstoffen
Bereidingswijze:? door destillatie van steenkoolteer
Herkomst steenkoolteer?: bijproduct bij de bereiding van cokes uit steenkool
Voorbeelden van synth. kleurstoffen?: mauveïne of anilineblauw (vervanger van indigo) alizarine (rode kleurstof en vervanger van meekrapwortel) Waar aanvankelijk 1e productie?: in Engeland

Waar later meeste fabrieken?: in Duitsland
Reden?: Eng. fabrieken te weinig innovatief
Bekende Duitse fabrieksnamen?: BASF, Bayer, Hoechst en Agfa
Wanneer inhaalslag door Engeland?: in de 1e wereldoorlog t.g.v. de geblokkeerde aanvoer vanuit Duitsland
Bekende Engelse fabrieksnamen?: ICI (Imperial Chemical Industries) en Unilever
Aandeel productie synthetische kleurstoffen
in de chemische industrie?: ca. 10% Welke chemische tak ontwikkelde zich
na de synthetische kleurstoffen?: de farmacie 8.3 Biotechnologie Wat valt onder biotechnologie? a) gebruik van micro-organismen en enzymen bij de bereiding van bepaalde producten als bier, brood en wijn mbv gist, karnemelk mbv melkzuurbacterie, azijn mbv azijnzuurbacterie en penicilline mbv penseelschimmel
b) veredeling van planten en dieren dmv kruising en selectie
c) combinatie van DNA van 2 of meer organismen (hier vallen dus zowel genoverdracht als celfusie onder) d) verwijdering of verandering van een of meer genen in het DNA van een organisme. e) kunstmatige ongeslachtelijke voortplanting van een organisme (klonen) met als voorbeeld het schaap “Dolly” Welke zaken vallen onder de
klassieke biotechnologie? de onderdelen a en b

Welke zaken vallen onder de
moderne biotechnologie? de onderdelen c t/m e
Waardoor is biotechnologie gestimuleerd? a) de ontdekking en het gebruik v.d. microscoop
b) de industriële ontwikkeling
c) de ontrafeling van de structuur van het DNA
in 1953 door James Watson en Francis Crick. Hoe wordt productieproces genoemd waarmee
micro-organismen of enzymen aan het werk
gezet worden om bep. stoffen te maken? fermentatieproces
Welke 2 fasen kent dit proces? a) de vermenigvuldiging van de micro-organismen of enzymen
b) omzetting op grote schaal van de basisstof in de gewenste stof m.b.v. deze micro-organismen of enzymen
Voorbeelden van moderne biotechnologie? a) genetisch gemodificeerde bacterie die het hormoon cytokine aanmaakt wat als medicijn noodzakelijk is voor iemand met slecht functionerend beenmerg
b) schepping van de transgene (=genetisch gemodificeerd) stier “Herman” waarvan de

vrouwelijke nakomelingen lactoferrine in hun melk hebben, wat een medicijn is voor mensen met een darminfectie
Waarom is moderne biotechnologie ook omstreden?omdat: a) niet duidelijk is of genetische modificatie gevaren oplevert voor de volksgezondheid
b) er monoculturen van gewassen kunnen ontstaan, die door hun ingebrachte resistentie tegen ziekten alle andere gewassen in hun soort kunne verdringen ( -> genetische erosie); als een onbekend virus dit gewas aantast, loopt deze gewassoort het gevaar volledig te verdwijnen
c) niet duidelijk is of het welzijn en de gezondheid van gemodificeerde dieren ermee gediend is. d) er principiële en ethische bezwaren zijn tegen het op deze manier ingrijpen in natuur en schepping 8.4 Brandstofcellen Welke 2 ontwikkellijnen v.d. brandstofcel? a) de directe oxidatie van steenkool
b) de reactie van waterstof en zuurstof
Welke lijn is verder ontwikkeld en door wie? lijn b door Francis Bacon en later
door de fa. Pratt & Whitney
Wanneer voor ’t eerst toegepast? in de ruimtevaart (in de Apollo-capsules) Toelichting bij fig.4: als electrolyt (geleidende vloeistof) wordt meestal kaliumhydroxide gebruikt en het platina op de electroden heeft een katalysatorfunctie; de functie van het membraan (de stippellijn in het midden) kon ik niet achterhalen ! Welke verschillen met batterijen? a) ze kunnen geen elektrische energie opslaan
b) ze hebben brandstof nodig om elektrische energie te leveren

Voordelen brandstofcellen? a) ze hebben een hoog rendement (ca. 70%) b) het is een relatief schoon proces van energieopwekking (niet milieu- belastend) c) brandstofcellen hebben een lange levensduur en weinig onderhoudskosten. d) er ontstaat water als bijproduct, wat te gebruiken is als drinkwater of koelwater
Probleem bij deze brandstofcellen? de handeling van de waterstof d.w.z. hoe voorzie ik op een veilige manier in voldoende waterstof en
Actuele projecten met brandstofcellen? a) Het NECAR (New Electric Car) project van Daimler Chrysler met als laatste telg aan de
loot: de NECAR-5 (een Mercedes uitgerust met met een electromotor en een brandstofcel) N.B.de combinatie van brandstofcel met electromotor heeft een rendement van 2 à 3 maal dat van een gewone verbrandingsmotor in een auto
b) Het project v.d. Icelandic Hydrogen and Fuel Cell Company in IJsland met als doel
om alle stadsbussen in IJsland op brandstofcellen te laten rijden en t.z.t. ook alle vissersschepen hiermee uit te rusten
N.B.: IJsland leent zich uitstekend voor dit project, omdat waterstof er goedkoop kan worden geproduceerd. De elektriciteit voor de electrolyse van water is daar immers goedkoop omdat er veel waterkracht is t.g.v. de vele snelstromende rivieren. 8.6 Brandstof voor brandstofcellen Problemen met waterstof als directe
brandstof voor auto’s? a) Om voldoende waterstof te kunnen tanken bij kamertemperatuur, heb je veel te grote opslagtanks nodig. b) Een oplossing zou zijn om het als vloeistof te tanken, wat een veel kleiner volume vraagt. Helaas is er dan wel een koelinstallatie tot 250 graden onder nul nodig om het ook vloeibaar te houden en dat is geen praktische optie. Oplossing: Tank geen zuivere waterstof, maar methanol, dat met stoom van 280o C en een katalysator is om te zetten in waterstof (en koolmonoxide of kooldioxide). Dat is wel goed uitvoerbaar en verder wordt methanol gemaakt uit aardgas, dat ruim beschikbaar is. Hoofdstuk 9 (door Leonoor de Jong) Bekendste energiebron = zon
Andere energiebronnen worden ook wel brandstoffen genoemd. Deze geven pas bij verbranding hun opgeslagen energie vrij. Chemische energie wordt omgezet in warmte+beweging

In sommige plaatsen op de wereld kwam olie en gas vroeger spontaan naar boven. Aardolie werd ooit gebruikt als smeermiddel voor wagenwielen+als geneesmiddel. 1859: eerste boring in Titusville, Amerika. (olie). Eerste stap bij verwerking aardolie = gefractioneerde destillatie. Ruwe olie wordt gescheiden in een aantal fracties. Daarna vacuümdestillatie en kraken. Benzine wordt op grote schaal bijgemaakt. Destillatieprocessen: scheidingsprocessen
Kraakprocessen: chemische processen. Vraag naar aardolie wankelde erg. Vanaf 1970 (oliecrisis)ging men opzoek naar alternatieve energiebronnen. Er zullen verschuivingen op gaan treden in de energieleverantie. Fossiele energiebronnen raken op. -> nieuwe ontwikkelingen: biobrandstoffen, zonne- en windenergie. Nederland bezit nog grote voorraad aardgas. Duurzame energievoorziening is voor ons vaak nog niet rendabel. (duurzaam=hernieuwbaar). Kleding gemaakt van vezels. 1892: Hilaire de Chardonnet: eerste fabriek waar kunstvezels uit cellulose gesponnen werden. -> =grondlegger van kunstmatige textielvezel. De tegenwoordige, nieuwe vezel heet: Tencel. 1930: ontdekking synthetische vezels. De 1e was Polyamide (nylon). 1938-1939 door Du Pont, USA eerste nylonvezels gemaakt. 1940: 1e nylonkousen op de markt. Nu zijn er nog 2 andere synthetische vezels: Polyestervezels en Polyacrylvezels. Kunststofvezels zijn erg duur. Bv: Nomex, vooral gebruikt voor brandwerende kleding. Kunststoffen behoren tot polymere materialen. = materialen waarvan moleculen bestaan uit lange ketens. 1886: Gebroeders Hyatt: celluloid, gemaakt uit cellulose. Bv voor filmmateriaal. WO1: synthetisch bereid rubber in Duitsland gemaakt+gebruikt. (formule 1) 1930: ontwikkeling synthetisch materiaal in stroomversnelling. WO2 hielp daarin mee. 1945: petrochemische industrie. Verbetering van plasticproducten. Afval storten steeds duurder. Weinig hergebruik. -> alternatieve verwerkingsmethodes. Maken van herbruikbaar kunststof. Afbreekbaar kunststof verdeeld in 2 groepen: 1. biopolymeren: polyester door bacteriën gemaakt en door micro-organismen afbreekbaar. Duur. 2. Synthetische polymeren: fotoafbreekbaar (dus door zonlicht), bioafbreekbaar of oplosbaar in water. Nog niet echt in handel. Grond raakt uitgeput -> planten groeien slecht. -> bemesten. Bevolkingsgroei -> welvaart -> productie moest toenemen. Nu mestprobleem. Overbemesting+verzuring. Plant heeft vooral nodig: stikstof, fosfor, kalium en zwavel. Deze komen in de natuur voor. Chilisalpeter= natuurlijke stikstof. Maar kan ook gebruikt worden om explosieven te maken. WO2: export hiervan stopgezet. -> ze moesten zelf salpeter gaan maken: Fritz Haber en Karl Bosch: maakten ammoniak uit waterstof en stikstof. Ammoniak kan makkelijk omgezet worden in salpeter. Maar salpeter was meer nodig voor wapens dus niet genoeg meer voor de landbouw. -> oogsten mislukten+hongersnood. Ammoniak+salpeterzuur + toevoeging van andere stoffen = kunstmeststof. Veel ziekten en plagen -> gewasbeschermingsmiddelen. Nu 3x zo hoge oogsten als eind vorige eeuw. Gewasbescherming toegepast op: • Onkruid(herbiciden) • Insecten (insecticiden) • Schimmels(fungiciden) • Bodemaaltjes(nematiciden) • Slakken(mollusciciden) • Ratten+muizen(rodenticiden) Nu veel verboden op deze middelen. Gevaar voor volksgezondheid en resistentie. 20e eeuw: chemische industrie, afval -> slecht voor milieu. Daarna moest er gezorgd worden voor verbetering. Bv: fosfaatvrije wasmiddelen, loodvrije benzine, veilige toevoegingen aan levensmiddelen en ontzwaveling van brandstoffen. Milieuvervuiling: 17e eeuw: ontbossing. Vervanger van hout werd steenkool. Steeds meer milieuvervuiling ook door chemische industrie. Belangrijkste grondstoffen daarvoor: aardolie en aardgas hieruit maakt chemische industrie 6 basisproducten waar weer 1000-den nieuwe stoffen van gemaakt worden. -> Groei afvalstoffen uitstoot. Deze stoffen komen op verschillende manieren in het milieu: • Bewust (kunstmest,gewasbesch.mid.) • Als neveneffect (afvalwater,afvalstoffen) • Als ongeluk
Problemen door stoffen: volksgezondheid, wereldwijde effecten op lange termijn. Bv: Verbranding fossiele brandstoffen -> zure regen, smogvorming, versterkt broeikaseffect. Verontreiniging oppervlaktewater en grondwater -> verzuring, nitraten komen in het water terecht -> slecht voor gezondheid. Om dit te voorkomenmilieutechnologische industrie ontwikkeld. Recycling moet meer gebruikt worden. Duurzame productie= opleveren van meer duurzame producten