Thema 6: Chemische reacties (HV2)

Thema 6: Chemische reacties (HV2)

Wat zijn chemische reacties?

Het beeld dat de meeste mensen hebben van een chemische reactie, zal er ongeveer zo uit zien:

 

Chemische reacties

Het bovenstaande filmpje zijn voorbeelden van verschillende reacties. Deze reacties zijn vaak spectaculair om te zien. Maar er zijn genoeg reacties die ‘saaier’ zijn om na te kijken. Je lichaam is bijvoorbeeld een groot laboratorium waar de hele dag door reacties plaats vinden, anders kun je niet leven.  Niet alle stoffen reageren even snel of überhaupt met elkaar. Denk maar eens aan het toevoegen van suiker aan water. Suiker lost dan op in water, er vindt geen reactie plaats.

Stofeigenschappen

De reactiviteit van een stof is een stofeigenschap. Weten jullie nog wat stofeigenschappen zijn?

Heb je hierin fouten gemaakt? Kijk dan nog een keer naar: de WikiWijs van thema 1 (onderaan de pagina).

In dit thema

In dit thema komen drie nieuwe stofeigenschappen aan bod: pH en reactiviteit,  Aan het einde van dit thema weet je wat chemische reacties zijn, en ken je ook een paar belangrijke reacties, zoals verbrandingsreacties en fotosynthese. Van bekende en onbekende reacties leer je een reactieschema te maken.

pH: zuurtegraad

Zuur kijken...
Zuur kijken...

Een reagens (meervoud is reagentia) is een stof dat wordt gebruikt tijdens chemische experimenten om een stof aan te tonen. Een reagens is een stof die op een herkenbare manier reageert met een andere stof, bijvoorbeeld door van kleur te veranderen. Zo kan een onderzoeker heel snel testen of een bepaalde onbekende vloeistof bijvoorbeeld water zou kunnen zijn of wat de pH van een oplossing is.

pH (de zuurtegraad) zegt iets over hoe zuur een oplossing is. De pH van een stof is een getal, hoe lager dit getal, hoe zuurder de oplossing is. De smaak van zuur herken je wel, en hoe zuurder het is hoe grappiger je gezicht wordt. Deze smaak wordt bij vruchten toch vaak niet opgemerkt. Dit komt niet omdat de pH niet laag is, maar vooral omdat er erg veel suiker de smaak van het zuur opheft. de pH veranderd hier echter niet door.

Wanneer het de sterkte van de zuur toeneemt, is het gevaarlijk voor de mens en brandt het overal doorheen. Denk maar eens aan gevaarlijke accuzuur.

De zuurgraad is een schaal met getallen tussen de 0 en de 14.  Raar genoeg is niet 14, maar 0 het zuurst en is een pH van 14 is het tegenovergestelde van zuur: Basisch. In het midden, bij pH = 7 is de stof noch zuur noch basis en dan noemen we de de oplossing neutraal. Zuiver water heeft een pH van precies 7.

Hoe ontstaat een zure oplosssing?

Er zijn bepaalde stoffen die als stofeigenschap hebben, dat ze in een oplossing makkelijk een geladen waterstofatoom (een geladen deeltje noem je een ion, dus eigenlijk moet hier staan waterstof-ion) afstaan. Hoe meer geladen waterstofionen ze afstaan vanuit hun molecuul, hoe zuurder de oplossing is en des te lager de pH. Je meet met de pH dus eigenlijk het aantal vrije waterstof-atomen.

Bij pH 1 zijn er dus veel meer waterstof-ionen aanwezig in de oplossing dan bij een pH van 4.

De pH schaal
De pH schaal

Hoe ontstaat een basische stof?

Het tegenovergestelde van een zuur noemen we een base. Basische stoffen hebben een pH boven de 7. Hoe hoger de pH hoe basischer de stof is. De smaak van een base wordt vaak vergeleken met een zeepachtige smaak.


Basische stoffen hebben de stofeigenschap dat ze gemakkelijk een geladen hydroxy-deeltje loslaten(dit zijn OH-ionen, die bestaat uit een zuurstofatoom en een waterstofatoom) .

 

Hoe meer hydroxy-ionen de moleculen loslaten, hoe basischer de oplossing is en des te hoger de pH wordt. Basische stoffen met een hele hoge pH  is een gevaarlijk en bijtende stoffen. Denk maar eens aan natronloog, dit stop je in een verstopte gootsteen en bijt de afvoer weer schoon.

Neutrale stof en neutraliseren

Een neutrale stof is niet zuur en niet basisch, zuiver water is een neutrale stof. Een neutrale stof heeft een pH van 7.

Het goede antwoord hierboven is: de pH zal tussen de 2 en de 7 in komen zitten.  Dit komt omdat citroenzuur een pH van 2 heeft en water een pH van 7. Je verdunt de zure oplossing, hierdoor komt de pH hoger te liggen. Maar de pH kan nooit hoger worden dan 7, omdat water een pH van 7 heeft.

Bepalen van pH

Je kunt op verschillende manieren de pH van een oplossing meten:pH-papier

  1. Met pH papier. Je voegt een druppel van de oplossing op het papier, het papier verandert van kleur. De overeenkomstige kleur op de verpakking laat zien welke pH het is.
     
  2. Indicatoren. Dit zijn stoffen die je toevoegt aan je oplossingen. De indicatoren hebben verschillende kleuren bij verschillende pH’s. Zie de afbeelding hieronder.

    fenoftaline


    Maar ook rode kool verkleurt bij verschillende pH’s.

rode koolsap als indicator

           3. Met een digitale pH-meter. Je kunt dan nauwkeurig aflezen welke pH de oplossing heeft.

Een pH meter
Een pH meter

Onderzoek: pH van vloeistoffen

Deze opdracht staat in Teams klaar. 

Reactieschema's

In dit onderdeel gaan we echt kijken wat een chemische reactie nu eigenlijk is en ook wat het niet is.

Mengsels maken

Bij het maken van mengsels voeg je stoffen bij elkaar. Hierbij gaan de moleculen door elkaar heen bewegen. In het eerste thema  zijn we het begrip mengsel al tegen gekomen. Als je zuivere stoffen bij elkaar gooit, veranderen de moleculen niet. Ze mengen alleen met elkaar. Mengsels hebben als eigenschap dat je ze doormiddel van verschillende scheidingsmethode weer kan scheiden in zuivere stoffen, zoals we dat in thema één gedaan hebben. Bijvoorbeeld filtratie of destillatie.

Chemische reactie met legoblokjes
Chemische reactie met legoblokjes

Wat is een chemische reactie?

Bij een chemische reactie voeg je ook stoffen samen, hierbij veranderen alleen de moleculen. Een chemische reactie is een proces waarbij de moleculen (of eigenlijk de verbindingen) omgezet worden in andere moleculen (of andere verbindingen). Je kunt het beste vergelijken met een legoblokjes die op een bepaalde manier aan elkaar vast zitten. Door de energie tijdens een chemische reactie worden de blokjes van elkaar gehaald en op een andere manier weer gebouwd. Voor de reactie heb je dus andere lego-bouwsels dan na de reactie.


In de afbeelding hierboven kun je kijken na een 'Lego-reactie'. Voor de pijl staan 'lego-moleculen', dit zijn de moleculen vóór de reactie. Deze noem je ook wel beginstoffen. De 'lego-moleculen' na de pijl zijn ontstaan door de reactie. Deze noem je reactieproducten.  

Noteren van reactieschema’s

We kunnen een reactie goed beschrijven door middel van een reactieschema te maken. Je kunt ook een reactie beschrijven door middel van molecuultekeningen of een reactievergelijking. Bij alle notaties van reacties staan de beginproducten voor de pijl hebben staan, en de reactieproducten na de pijl. In dit thema moet je zelf een reactieschema kunnen maken én een molecuultekening kunnen aflezen. Hier zie je een reactie tussen methaan en zuurstof op drie verschillende manieren beschreven.

Reactieschema opstellen

1. Zoek alle namen van de beginstoffen op.

2. Zoek alle namen van de reactieproducten op.

3. Zet alle beginstoffen voor de pijl.

4. Zet alle reactieproducten achter de pijl.

5. Noteer de fase van de stof (s, l, g, aq)

Faseaanduiding

Het reactieschema tussen methaan en zuurstof is:

Methaan (g) + zuurstof (g) → koolstofdioxide (g) + water (g)

Achter de stof in een relatieschema kun je de fase van de stof vinden. In de bovenstaande reactie zijn alle stoffen in een gasfase, vandaar die (g).

Er zijn vier toestandsaanduidingen:

  • Vast (s), vanuit het Engels "Solid"
  • Vloeibaar (l), vanuit het Engels "Liquid"
  • gas (g), eigenlijk vanuit het Engels "Gas"
  • opgelost in water (aq), vanuit het Latijn "Aqua"

Soorten reacties

Wanneer je nog een keer goed kijkt naar de reacties in de vraag van het vorige onderdeel, dan kan je opvallen dat sommige reacties maar één beginproduct hebben, terwijl sommige reacties meerdere beginproducten hebben.  Kijk bijvoorbeeld maar eens naar de volgende twee reactiesschema's:

Suiker (s) → Koolstof (s) + Waterstof (g) + zuurstof (g)     

en

Waterstofchloride (g) + Ammonia (g) → Salmiak (s)

Dit komt omdat er meerdere soorten reacties bestaan:

Vorming- en ontledingsreacties

Een vormingsreacties is een reactie, waarbij uit twee of meer stoffen minstens één nieuwe stof wordt gevormd. Zoals het maken van salmiak uit waterstofchloride en ammonia.

Een ontledingsreactie is een reactie, waarbij uit één stof twee of meer nieuwe stoffen ontstaan. Het molecuul wordt als het ware kapot gemaakt en hieruit ontstaan nieuwe kleinere moleculen of losse atomen.  Dit kost natuurlijk energie om de bindingen tussen de atomen kapot te krijgen.

Zuur-base reactie

Eerder hebben we het al gehad over de neutralisatie van pH, dit noemen we een zuur-base reactie. Hierbij reageren een zuur en een base samen tot water en het zuurresst: dat wat overblijft van het zuur nadat het geneurtraliseerd is.

citroenzuur (aq) + hydroxide-ionen (aq) → water (l) + zuurrest (aq)

Verbrandingsreacties

Verbrandingsreacties zijn reacties tussen een brandstof en zuurstof waarbij warmte en licht ontstaat als energievorm.

Een verbranding vindt pas plaats als de omstandigheden goed zijn. Er moeten aan drie voorwaarden voldaan worden voordat er een verbranding plaats vindt. De drie brandvoorwaardes worden vaak in een branddriehoek weergegeven.

Alle drie de voorwaarden moeten aanwezig zijn, wil er een verbranding plaats vinden. Je kunt een verbranding dan ook stoppen, door één of meerdere brandvoorwaarden weg te nemen. De opdracht van dit onderdeel staat geheel in het teken van deze branddriehoek.

 

Brandstoffen

We maken tot op heden nog veel gebruik van fossiele brandstoffen als energieleverancier (brandstoffen). In het derde thema over duurzaamheid hebben we het daar al over gehad.

Fossiele brandstoffen zijn grote moleculen die in ieder geval bestaan uit  koolstof- en waterstofatomen. De bindingen tussen deze atomen zijn erg energierijk. Ze kosten veel energie om te maken (door middel van fotosynthese bij planten) maar leveren ook veel energie op bij het kapot maken van de bindingen, wat gebeurt bij verbranding.

 

Verschillende fossiele brandstoffen, bestaande uit C-atomen en H-atomen
Verschillende fossiele brandstoffen, bestaande uit C-atomen en H-atomen

Onvolledige verbrandingen

Voor een verbrandingsreactie kun je een algemene reactie maken namelijk:

Brandstof(?) + zuurstof (g) → koolstofdioxide (g) + water (g)

Dit gaat over reacties waarbij er voldoende zuurstof aanwezig is. Verbrandingen kunnen ook plaatsvinden als er onvoldoende zuurstof aanwezig is, dit noemen we dan een onvolledige verbranding.

 

volledig/onvolledige verbranding
volledig/onvolledige verbranding

Maar wanneer er onvoldoende zuurstofatomen aanwezig zijn, krijgt niet elke koolstofatoom na de verbranding twee zuurstofatomen gebonden. Maar de koolstofatomen krijgen maar één zuurstofatoom en vormt koolstofmonoxide. Of ze krijgen geen zuurstofatoom en vormt koolstof (roet). Vaak ontstaat er bij een onvolledige verbranding ook wel koolstofdioxide.

 

Onvolledige verbranding kunnen gevaarlijk zijn, omdat koolstofmonoxide een geurloze, kleurloze en zeer giftige gas is.  

Voor een onvolledige verbrandingsreactie kun je een algemene reactie maken namelijk:

Brandstof (?) + zuurstof(g) → koolstof (s) + koolstofmonxide (g) + koolstofdioxide (g) + water (g)

Gevaren van koolstofoxide
Gevaren van koolstofoxide

Wet van behoud van massa

Bij een chemische reactie veranderen de moleculen van samenstelling, de atomen rangschikken zich anders. Denk nog maar eens aan de lego-reactie.

Reactie met legoblokjes
Reactie met legoblokjes
Antoine Lavoisier
Antoine Lavoisier

Zoals je weet hebben alle atomen, en dus ook moleculen een bepaalde massa die je niet kunt veranderen. In het geval van de Lego reactie:

Alle blauwe blokjes hebben een massa van 1 gram
De zwarte blokjes hebben een massa van 2 gram
De rode blokjes hebben een massa van 3 gram.

Dan heb je voor de pijl: (4 x 1) + 2 + (4 x 3) = 18 gram
Na de pijl heb je weer: (4 x 1) + 2 + (4 x 3) = 18 gram

Het aantal legoblokjes/atomen blijft gelijk, dus de massa blijft ook gelijk.

Bij een reactie is de massa van de beginstoffen als de massa van de reactieproducten altijd gelijk aan elkaar.  Dit wordt de wet van  behoud van massa genoemd.

Deze wet is bedacht door Antoine Lavoisier, daarom wordt deze wet ook wel de wet van Lavoisier genoemd. Dit is een belangrijke wet in de moderne scheikunde, omdat deze wet laat zien dat atomen niet kunnen verdwijnen bij een scheikundige reactie. Voor deze wet dachten de Alchemisten dat dit wel kon. Een belangrijke stap in de moderne scheikunde dus.

Reactieverhoudingen

Wat weten we nu van reacties en stoffen:

  • Alle atomen hebben hun eigen massa
  • Bij een reactie rangschikken de atomen anders, er komen geen nieuwe atomen bij of verdwijnen de atomen
  • Hierdoor hebben de beginstoffen samen dezelfde massa als alle reactieproducten samen

Door deze informatie kunnen we stellen dat alle reacties in een bepaalde massaverhouding met elkaar reageren. Hiernaast zie je de reactie tussen aluminium en zuurstof. De reactievergelijking ziet er als volgt uit.

Aluminium (s) + zuurstof (g) → aluminiumoxide (s)
(dit is een vormingsreactie)

De verhouding tussen aluminium en zuurstof is 9:8 (we spreken dit uit als: 9 staat tot 8), dit wil zeggen dat 9 delen aluminium precies met 8 delen zuurstof reageert.  En omdat massa nooit verloren gaat verkrijg je dus precies 17 delen aluminiumoxide. De verhouding tussen aluminium en zuurstof is altijd gelijk.

Wet behoud van massa
Wet behoud van massa

Wet van behoud van massa toepassen

Er vanuit gaan dat elke reactie in een bepaalde massaverhouding met elkaar reageert kun je dus precies uitrekenen hoeveel gram van de beginstoffen je nodig hebt voor een bepaalde reactie. Neem de reactie van aluminium met zuurstof nog een keer en beantwoord dan de onderstaande vraag.

Aluminium (s) + zuurstof (g) → aluminiumoxide (s)       
   9 gram         :      8 gram      →   17 gram  

Wat hebben we in deze vraag nu gedaan? Omdat de reactieverhouding van de reactie gelijk blijft aan elkaar, verkrijg je bij de helft aluminium dus ook maar de helft aan aluminiumoxide. En dan gebruik je voor die reactie ook maar de helft zuurstof. De massaverhouding tussen de stoffen blijft altijd gelijk!!

Rekenen met massaverhoudingen

De bovenstaande vraag was gemakkelijk op te lossen omdat je de helft van alle stoffen hebt genomen. Moeilijker wordt het als je met andere massa’s gaat rekenen.

Hieronder staat een stappenplan die je kunt gebruiken bij het rekenen met massaverhoudingen.

  1. Noteer de reactievergelijking (met faseaanduidingen)
  2. Noteer de massaverhoudingen eronder
  3. Noteer de gegevens. Noteer de bekende massa en noteer een vraagteken bij de gevraagde stof.
  4. Bereken de gevraagde stof. Dit kan op verschillende manieren: (zie voorbeeld hieronder)
    1. Met een verhoudingstabel
    2. De factor bepalen tussen 3,6 en 40,
    3. De factor bepalen tussen 3,6 en 1,7
  5. Noteer je conclusie/antwoord
voorbeeldopgave
voorbeeld rekenopgave

 

Maak het werkblad voor het oefenen met rekenen.

Rekenen met massaverhouding

De antwoorden

Onderzoek massaverhouding staalwol met zuurstof

Staalwol
Staalwol

Doel van het onderzoek

In dit onderzoek ga je de massaverhouding tussen staalwol en zuurstof experimenteel bepalen. Je gaat staalwol laten reageren met zuurstof door er stroom met een batterij door heen te laten lopen.

Oxideren

De reactie die plaatsvindt noemen we een oxidatie. Oxidatie, komt van het Latijnse woord oxygenium, wat zuurstof betekent. Dit komt omdat oxideren meestal een reactie met zuurstof betreft, al hoeft dit niet perse zo te zijn. Voorbeelden van oxidaties zijn verbrandingsreacties en bijvijvoorbeeld het roesten van metalen.

Onderzoek

Het doel van dit onderzoek is bepalen hoeveel zuurstof er met een bepaalde hoeveelheid staalwol reageert: De massaverhouding dus. Je gebruikt hiervoor een9V  batterij om de oxidatie te laten verlopen. Je moet zelf bedenken hoe je de massaverhouding gaat bepalen. Om de betrouwbaarheid te verhogen voer je dit in duplo uit.

Literatuur(voor)onderzoek

  1. Waar is staalwol van gemaakt?
  2. Hoe heet de stof die ontstaat bij de oxidatie?

Leerdoelen en oefentoets

Aan het einde van dit thema moet de volgende dingen weten of kunnen:

  1. Je weet wat stofeigenschappen zijn en kunt ze herkennen.
  2. Je weet wat een goed reagens is en wat deze doet.
  3. Je weet van de volgende reagentia de aangetoonde stof, en de reactie op die stof:
    • pH-papier
  4. Je kunt gebruik maken van indicatoren om de zuurgraad aan te tonen (onderzoek maagzuur) en kent de andere manieren om de zuurtegraad aan te tonen.
  5. Je kent de pH-schaal en de begrippen zuur, base en neutraal .
  6. Je weet hoe een zure stof en basische stof ontstaat.
  7. Je weet wat neutralisatie is en kent de reactievergelijking
  8. Je weet het verschil tussen mengen en reageren op molecuul/atoom-niveau
  9. Je weet dat een reactieschema bestaat uit beginstoffen en reactieproducten
  10. Je kunt een reactieschema (met faseaanduidingen) maken aan de hand van een verhaaltje waarin een reactie beschreven wordt.
  11. Je herkent een vormingsreactie, ontledingsreactie en zuur-basereactie.
  12. Je weet wat er brandvoorwaardes zijn en kent de branddriehoek.
  13. Je kunt uitleggen welke brandvoorwaarde wordt ontnomen bij het doven van vuur.
  14. Je weet welke twee atomen er altijd aanwezig zijn bij brandstoffen.
  15. Je kent de algemene reactievergelijking voor een verbranding en kan dus voor elke brandstof een reactievergelijking maken.
  16. Je kent de algemene reactievergelijking voor een onvolledige verbranding.
  17. Je weet waarom onvolledige verbranding gevaarlijk kunnen zijn.
  18. Je weet wat er met de wet behoud van massa wordt bedoelt.
  19. Je weet waarom reacties altijd in bepaalde massaverhoudingen met elkaar reageren
  20. Je kunt rekenen met massaverhoudingen
  21. Je weet welke twee reacties onder oxidatie vallen

Diagnostische toets thema 6

Let op hieronder staat de oefentoets, maar deze bevat ook informatie die jullie niet hebben gehad.

Diagnostische toets thema 6

Correctiemodel diagnostische toets