Hoofdstuk 2, Stoffen en reacties

Hoofdstuk 2: Stoffen en reacties

2.1 Stoffen verhitten

Gloeien, smelten en verdampen
Als je platina boven een gasvlam houdt gaat het gloeien, als je het laat afkoelen blijft het onveranderd want het smeltpunt van platina ligt veel te hoog. Soldeertin wordt gemakkelijk vloeibaar bij verwarmen en als het afkoelt wordt het weer vast. Bij verhitten van water gaat het water over in waterdamp, dat noem je fase-overgang. Als je de damp weer laat afkoelen wordt het weer water.

Chemische reacties
Als je de stof tijdens het verhitten ziet verdwijnen en er ontstaan nieuwe stoffen, dan neem je een chemische reactie waar. Het begint met beginstoffen en je eindigt met reactieproducten. Hieronder het reactieschema:


beginstoffen → reactieproducten

Verbranden
Als je papier aansteekt zie je vlammen, rook en er komt warmte vrij. Na het verbranden houdt je as over. Het papier verdwijnt en er ontstaan andere stoffen, daarom is verbranden een chemische reactie. Voor verbranden heb je naast een brandbare stof ook zuurstof nodig. Hieronder het reactieschema voor verbranding:

brandbare stof + zuurstof → verbrandingsproduct(en)

Ontleden
Als je papier verhit zonder dat er zuurstof bij kan verbrandt het papier niet, er vindt ontleding plaats. Er ontstaan nieuwe stoffen: een vaste, zwarte stof (koolstof), condens (water) en een scherp ruikend, brandbaar gas. Reactieschema:
papier → koolstof + water + gas

dit noem je een ontledingsreactie:
beginstof → ontledingsproducten

Scheiden
Als je een mengsel scheidt, houd je twee of meer stoffen over, maar die waren vooraf al aanwezig. Hiermee ontstaan er dus geen nieuwe stoffen, daardoor is er geen sprake van een chemische reactie en ook niet van ontleding.

Plus
Hooibroei
Broei kan ontstaan als boeren besluiten om hooibergen op te slaan, zoals het verpakken in plastic. Hooi kan spontaan ontbranden als droog hooi op nat hooi wordt gestapeld. Door de bacteriële omzetting kan de temperatuur in het hooi oplopen tot 90 graden Celsius. En als het hooi niet goed geperst en te los gestapeld is kan het gemakkelijk vlam vatten.


2.2 Ontleden

Thermolyse
Stoffen ontleden door verhitten wordt thermolyse genoemd. Bij het ontleden van papier of suiker, houd je koolstof over. Ook als je hout, meel, rubber of plastics verhit, ontstaat koolstof als een van de reactieproducten. Stoffen die bij verhitting zonder zuurstof verkolen, heten organische stoffen. Bij thermolyse ontstaan meestal ook gassen (schroeilucht) en rook (walm).


organische stoffen → koolstof + water + rook + (brandbaar) gas

Elektrolyse
Elektrolyse betekent: ontleding door elektriciteit. Met deze manier kun je zelfs water ontleden, dit wordt gedaan met behulp van gelijkstroom. Bij ontleding van water onstaan twee nieuwe stoffen: waterstofgas (H) en zuurstofgas (O).

water → waterstofgas + zuurstofgas

Waterstofgas (H) is het aller lichtste gas dat er bestaat. Je kunt het opvangen in een omgekeerde reageerbuis en als je het aansteekt hoor je een zachte plof, een fluittoon of een harde knal. Als je waterstof aansteekt, reageert H met O en daarbij ontstaat weer water

waterstof + zuurstof → water

Zuurstofgas (O), heeft ongeveer een even grote dichtheid als lucht. Zuurstof is nodig om stoffen te laten branden en om zuurstofgas aan te tonen kun je een gloeiende houtspaander in de reageerbuis met zuurstofgas houden, en je zal zien dat hij fel gaat branden.

Fotolyse
In de zwart-witfotografie wordt fotopapier gebruikt wat zilverbromide bevat. Die stof ontleedt als er licht op valt, er blijven dan hele kleine korreltjes zilver achter. Ook ontstaat er broom. Als een stof ontleedt als er licht op valt, noem je dat fotolyse.

zilverbromide → zilver + broom

Waterstofperoxide ontleedt ook in licht, daarbij ontstaan zuurstof en water

waterstofperoxide → water + zuurstof

Verbindingen en elementen
Stoffen kunnen ontleedbaar zijn: verbindingen. En niet-ontleedbaar: elementen.


In totaal zijn er maar ca. honderd elementen. Dat is niet veel op een totaal van meer dan 10.000.000 stoffen.

Metalen
Van de 100 niet-ontleedbare stoffen behoort het grootste deel tot de metalen. Ze hebben allemaal gemeenschappelijke kenmerken maar ze verschillen toch in tal van eigenschappen: dichtheid, smeltpunt, hardheid, sterkte en het geleidend vermogen voor elektriciteit en warmte. De niet-metalen, de overige niet-ontleedbare stoffen vertonen geen of weinig kenmerken. Sommige zijn gasvormig, de andere vloeibaar en de ander een vaste stof.


Plus
Gouden sieraden
Metaalmengels noem je legeringen. Legeringen worden veel vaker toegepast dan zuivere metalen, zoals goud in sieraden. Gouden sieraden zijn niet van echt goud want dat is heel zacht en makkelijk te vervormen. Daarom wordt er een legering gemaakt van goud en zilver in sieraden, die legering is sterker en harder dan goud en zilver.


2.3 Chloor en het milieu

Chloor
Chloorgas is een geelgroen gas en zwaarder dan lucht. Het wordt gebruikt als grondstof voor het maken van chloorbleekmiddel. Ook wordt het gebruikt voor het als grondstof voor de kunststoffen pvc, polyurethaan, polycarbonaat en epoxyharsen. Chloor wordt ook nog steeds gebruikt in de oorlog als chemisch strijdgas doordat het zeer giftig is bij inademen.

Productie
Jaarlijks wordt wereldwijd 44 miljoen toen chloorgas geproduceerd, en in Nederland 600 kiloton per jaar door het bedrijf Akzo Nobel. Het kan op 3 manieren worden gemaakt, maar bij alle 3 manieren komt het neer op elektrolyse van een natriumchlorideoplossing.
- Kwikcel-elektrolyse

- Diafragma-elektrolyse
- Membraan-elektrolyse

Kwikcel-elektrolyse:
Dit is de oudste manier om chloor te maken. Bij deze manier wordt stromend kwik gebruikt. Vanaf heden is het in de EU verboden om kwik of kwikproducten te exporten en uiterlijk in 2020 zal niemand in de EU meer op deze manier chloor maken. Want kwik is te gevaarlijk voor het milieu en er zijn andere mogelijkheden.

Diafragma-elektrolyse:
Dit is elektrolyse met een diafragma. Een nadeel is dat de na afloop gevormde natronloog nog gezuiverd moet worden omdat er ook natriumchloride bij zit.

natriumchlorideoplossing → chloor + waterstof + natronloog

Membraan-elektrolyse:
Hierbij wordt elektrolyse met een membraan gebruikt die maar naar één kant deeltjes doorlaat (natriumdeeltjes). Op deze manier krijg je de meest zuivere stoffen.

natriumchlorideoplossing → chloor + waterstof + natronloog

Chloorbleekloog
Chloor is geen eindproduct, maar een grondstof die dient voor de productie van heel veel stoffen zoals chloorbleekloog. Chloorbleekloog wordt als ontsmettingsmiddel in zwembad en huishoudens gebruikt. Het is schadelijk voor het milieu als chloorbleekloog in afvalwater terechtkomt. Daarom wordt vaak witte bleek als alternatief gebruikt in huishoudens, witte bleek is een waterstofperoxideoplossing.

chloor + natronloog → chloorbleekloog


Chloor als grondstof
Chloor wordt in grote hoeveelheden gebruikt voor de productie van chlooretheen. Chlooretheen is de grondstof voor het maken van de kunststof pvc. In Europa wordt 30% van meer dan 10 miljoen ton chloor gebruikt voor de productie van pvc.

De productie van chlooretheen vindt in twee stappen plaats:

Eerst laat met etheen met chloor reageren:

etheen + chloor → dichloorethaan

Daarna ontleedt men dichloorethaan tot chlooretheen (vinylchloride (VC)) en waterstofchloride:

dichloorethaan → chlooretheen + waterstofchloride


Plus
Pvc hergebruiken
Eerst wordt het kunststof afval versnipperd. Daarna wordt het met een biologische afbreekbare vloeistaf gemengd om de verschillende kunststoffen te scheiden. Hierin lost alleen het pvc op. Vervolgens worden aan het mengsel hulpstoffen toegevoegd die de pvc laten bezinken. Ten slotte wordt het pvc gedroogd, het resultaat is zuiver pvc-poeder.


2.4 Moleculen, een model voor stoffen

Het deeltjesmodel
Met een deeltjesmodel (een vereenvoudigde voorstelling van hoe stoffen in elkaar zitten) kun je de stofeigenschappen beter begrijpen. Dat is wel nodig met meer dan 10 miljoen verschillende stoffen.


Een deeltjesmodel ziet er in zijn eenvoudigst als volgt uit:

- Iedere stof is opgebouwd uit heel kleine deeltjes, genaamd moleculen.

- Iedere stof heeft zijn eigen soort moleculen. Elke molecuul is verschillend.

- Moleculen bewegen voortdurend, maar de snelheid hangt af van de temperatuur. Hoe warmer, hoe heviger de moleculen bewegen.

- De moleculen trekken elkaar aan.

Het deeltjesmodel en de drie fasen
Zoals eerder is uitgelegd, kan een stof zich in 3 fasen bevinden: vast (s), vloeibaar (l) en gasvormig (g).

De kenmerken van vaste stoffen zijn:
- Vaste stoffen hebben een vaste vorm.
- Vaste stoffen kun je niet samenpersen (de moleculen in een vaste stof zitten worden zo stevig door elkaar aangetrokken dat ze niet van plaats kunnen wisselen, ze kunnen alleen heen en weer bewegen: trillen).

De kenmerken van vloeistoffen zijn:
- Vloeistoffen hebben geen vaste vorm.
- Vloeistoffen kun je niet samenpersen, volume ligt vast (de moleculen in een vloeistof veranderen steeds van plaats, maar blijven dicht bij elkaar).

De kenmerken van gassen zijn:

- Gassen hebben een vaste vorm.
- Gassen zijn veel ‘lichter’ dan vaste stoffen en vloeistoffen.
- Het volume van gassen ligt niet vast. Je kunt het volume veranderen. Hierbij verandert de gasdruk (In een gas worden de moleculen te weinig tot elkaar aangetrokken om ze bij elkaar te houden. Ze blijven niet vastplakken als ze tegen elkaar botsen. Ook heeft een gas een veel kleinere dichtheid omdat er veel minder moleculen in een bepaald volume zitten dan bij een vloeistof.).

Mengsels en zuivere stoffen
In een zuivere stof is maar één molecuulsoort aanwezig, maar in een mengsel zitten meerdere molecuulsoorten door of bij elkaar. Bij het scheiden van een mengsel, ben je bezig om de verschillende molecuulsoorten te sorteren.


Plus
Eitje koken in de bergen
Een ei koken doe je in kokend water (100 ͦC). Hoe langer je het ei in het kokend water laat liggen, hoe harder het eiwit en eigeel wordt.

Als je een ei in de Alpe d’Huez wilt koken, duurt het veel langer voordat het ei gekookt is. De luchtdruk ligt namelijk veel lager dan hier in Nederland. Hierdoor kookt water boven op een berg bij een lagere temperatuur dan 100 ͦC.

In een hogedrukpan gaat het juist sneller, want water kookt onder hoge druk bij een hogere temperatuur dan 100 ͦC. Als de temperatuur 10 ͦC hoger is, gaat de reactie 2x zo snel.


2.5 Moleculen en atomen

Atomen
Een molecuul bestaat uit atomen. In een molecuul zitten die atomen aan elkaar vast. Bij een reactie hergroeperen de atomen zich tot nieuwe moleculen. Bij een reactie verdwijnen geen atomen en ontstaan er ook geen nieuwe.


In een ontleedbare stof komen moleculen voor met meerdere atomen, in een niet ontleedbare stof komen moleculen voor met maar één atoomsoort:

Elke atoomsoort heeft een naam en een symbool. Dat symbool bestaat uit een hoofdletter en soms nog een tweede kleine letter. De symbolen zijn vaak afgeleid van Latijnse namen zoals:

- waterstof H hydrogenium, de ‘watermaker’

- zuurstof O oxygenium, de ‘zuurmaker’

- koper Cu cuprum

- ijzer Fe ferrum

Atomen
Moleculen kun je weergeven in molecuulformules. Daaraan kun je zien welke atoomsoorten en hoeveel atomen van elk soort in een molecuul voorkomen. Watermoleculen bijvoorbeeld bevatten per molecuul twee waterstofatomen en een zuurstofatoom: H₂O, met het cijfer 2 wordt bedoeld dat de molecuul uit 2 waterstofatomen bestaat. Dat cijfer noem je een index.

De fase van een stof moet je ook achter de molecuulformule schrijven:

vast (s), van solid


vloeibaar (l), van liquid

gas (g), van gaseous

oplossing (aq), van aqua

H₂O(s) is ijs, H₂O(l) is water, H₂O(g) is waterdamp en een suikeroplossing is C₁₂H₂₂O₁₁(aq)

De elementen
Met element wordt gebruikt i.p.v. een atoomsoort en als een niet-ontleedbare stof.

Natrium is een element, er bestaat een niet-ontleedbare stof én een atoomsoort met die naam. Het wordt bewaard onder petroleum en is zeer gevaarlijk. Vliegt makkelijk in brand en reageert heftig met water. Natrium komt heel vaak voor. Het zout in de zee maar ook keukenzout is opgebouwd uit natrium- en chlooratomen. Keukenzout is natriumchloride NaCl(s). Allebei de stoffen zijn gevaarlijk, maar in combinatie niet.

De elementen rangschikken
De Russische wetenschapper D.I. Mendelejev heeft de elementen die in zijn tijd bekend waren geordend. Hij rangschikte ze naar opklimmende atoommassa. De elementen die overeenkomsten vertoonden zette hij onder elkaar. Hij legde de basis voor wat wij nu het periodiek systeem noemen.

Elk atoom heeft zijn eigen nummer en een symbool voor zijn atoommassa. Het nummer neemt van links naar rechts steeds met één toe. De horizontale rijen noem je perioden, er zijn er 7. De 18 verticale rijen noem je groepen. Elke groep heeft zijn eigen naam. De elementen uit groep 1 heten de alkalimetalen, ze reageren allemaal heftig met water. De elementen uit groep 2 heten de aardalkalimetalen. Groep 17 is de groep van de halogenen, die reageren gemakkelijk met metalen. Een verbinding van een metaal en een halogeen heet een zout.


Plus
Regen maken
A.W. Veraart (1881-1947) strooide een mengsel van ijs en vast koolstofdioxide vanuit een vliegtuig op de wolken. Sindsdien worden overal wolken ‘gekiemd’ om het neerslagproces te beïnvloeden. Als er grote hoeveelheden zilverjodide AgI(s) aan de wolken worden toegevoegd, zetten de waterdruppeltjes zich af op de kristallen en kan het ineens gaan regenen. Hierdoor kan het droog blijven op de plaatsen waar de wolken heen drijven. Dit is ook gedaan op de Olympische Spelen van 2008 in Beijing.