## 3.2 Energieberekeningen en energiediagrammen

In Hoofdstuk 2 Kracht, Arbeid en Brandstofverbruik hebben we geleerd dat om een voertuig te laten rijden een hoeveelheid energie moet worden toegevoegd. Veel voertuigen halen deze energie uit een fossiele brandstof, bijvoorbeeld benzine, maar als we zelf een fiets moeten voortbewegen komt de energie uit ons voedsel.

Tijdens de scheikunde lessen heb je geleerd dat er reacties zijn die netto energie leveren, de exotherme reacties. Er bestaan ook reacties waarbij energie moet worden toegevoerd aan de reagerende stoffen om de reactie tot stand te brengen, dit noemen we een endotherme reactie.

Tijdens het practicum hebben we kunnen zien dat verschillende brandstoffen verschillende hoeveelheden energie leveren. We zouden natuurlijk voor alle soorten brandstoffen de reactiewarmte, of wel het energie-effect van de verbranding, kunnen bepalen met een experiment, maar het is ook mogelijk het energie-effect te berekenen. We moeten dan wel weten waaruit de brandstof bestaat: de molecuulformule en structuurformule moeten bekend zijn. Bovendien moeten we dan weten welke verbrandingsproducten er ontstaan. Om daar achter te komen kunnen we de reactievergelijking voor de verbranding opstellen.

Vragen

1. Aan welke drie voorwaarden moet worden voldaan bij een verbranding?

2. Koolwaterstoffen (stoffen die alleen uit koolstof (C) en waterstof (H) bestaan) branden over het algemeen goed. Welke twee verbrandingsproducten verwacht je bij de volledige verbranding van een koolwaterstof?

3. Ethaan is een koolwaterstof met de molecuulformule C2H6.

a) Stel de reactievergelijking op voor de verbranding van ethaan.

b) Hoeveel ethaanmoleculen en zuurstofmoleculen heb je nodig om de reactievergelijking kloppend te maken?

c) Bereken de molverhouding ethaan:zuurstof.

4. Ethanol, beter bekend onder de naam alcohol, is ook een prima brandstof. De molecuul formule van ethanol is C2H5OH.

a) Stel de reactievergelijking op voor de verbranding van ethanol.

b) Hoeveel ethanol moleculen en zuurstofmoleculen heb je nodig om de reactievergelijking kloppend te maken?

c) Bereken de molverhouding ethanol:zuurstof.

d) Kun je uitleggen waarom de molverhouding brandstof:zuurstof hier anders is dan bij de vorige vraag?

We hebben even kunnen oefenen met het opstellen van een reactievergelijking. We weten ook weer aan welke voorwaarden er moet worden voldaan om een verbrandingsreactie plaats te laten vinden. Nu kunnen we beginnen met het uitrekenen van de reactiewarmte van een verbranding. In de komende paragraaf gaan jullie aan de slag met de verbranding van methaan. Hiermee zullen jullie stapje voor stapje leren hoe de reactiewarmte moet worden berekend.

3.2.1 De verbranding van aardgas

De verbranding van aardgas kennen we allemaal uit de praktijk. We maken gebruik van deze reactie bij het koken van ons avondeten op een gasfornuis en ook bij het scheikundepracticum als we met een brander aan de slag gaan. We gebruiken de verbranding van aardgas meestal om iets te verwarmen. Bij deze reactie komt namelijk energie vrij, het is dus een exotherme reactie. Aardgas bestaat voor het grootste deel uit methaan. Methaan heeft als molecuulformule CH4, dit betekent dat aan het C-atoom (koolstof) vier H-atomen (waterstof) gebonden zijn.

Vragen en opdrachten

1. Stel de reactievergelijking op voor de volledige verbranding van methaan.

2. Teken deze reactievergelijking ook in structuurformules.

3. Kijk goed naar de moleculen die je hebt getekend en tel van elk type binding hoeveel er in jouw moleculen aanwezig zijn. Vul de aantallen in Tabel 3.1 in.

We weten nu welke bindingen in de stoffen die voor de pijl staan aanwezig zijn. We hebben ook geteld hoeveel van deze bindingen er zijn. Waarom is dit belangrijk om te weten? Bij een verbrandingsreactie worden de beginstoffen (brandstof en zuurstof) omgezet in reactieproducten, in dit geval CO2 en H2O. De moleculen veranderen dus in andere moleculen en hiervoor moeten de oude bindingen worden verbroken en worden er nieuwe bindingen gevormd.

4. Als je nu alle bindingen in je moleculen verbreekt, houdt je losse atomen over. Noteer in Tabel 3.2 hieronder hoeveel van elke atoomsoort je nu hebt.

Nu worden de stoffen die je in de reactievergelijking bij vraag 1 hebt opgeschreven gemaakt uit de losse atomen die je bij vraag 4 hebt genoteerd.

5. Kijk goed naar de moleculen die je na de pijl hebt getekend en tel van elk type binding hoeveel er in de moleculen aanwezig zijn. Vul de aantallen in Tabel 3.3 in.

We weten nu precies welke bindingen verbroken worden en welke bindingen moeten worden gemaakt bij de verbranding van methaan. We weten ook dat er energie is vrijgekomen bij de verbranding. Met andere woorden: de energie-inhoud van de stoffen na de reactie (verbrandingsproducten) moet lager zijn dan de energie-inhoud van methaan en zuurstof (reactanten).

Het totaal aantal atomen voor en na de pijl is niet veranderd. Alleen de bindingen tussen de atomen zijn anders geworden. De energie die vrij komt bij de verbranding moet dus wel te maken hebben met het veranderen van de bindingen. Het breken van een sterke binding kost relatief veel energie. Bij het vormen van een dergelijke sterke binding komt diezelfde hoeveelheid energie weer vrij. Hoeveel energie er vrij komt bij het vormen van een bepaalde binding kunnen we vinden in Tabel 58 van Binas.

6. Nu kun je gaan rekenen. Vul alle benodigde gegevens in Tabel 3.4 in.

7. Reken uit hoeveel energie je totaal nodig hebt om de bindingen voor de pijl te verbreken.

8. Reken ook uit hoeveel energie er vrij komt bij het vormen van de bindingen naar de pijl.

De reactiewarmte, of wel de het energie-effect van een reactie, kunnen we op de volgende manier uitrekenen:

Let hierbij wel op dat het juiste teken (min of plus) wordt gebruikt.

- Het breken van bindingen kost energie: + teken.
- Het maken van bindingen levert energie: - teken.

9. Bereken de reactiewarmte voor de verbranding van methaan.

Alle stappen die we hierboven hebt uitgevoerd kunnen we ook overzichtelijk weergeven in een zogenaamd energiediagram.

Hieronder staat een energiediagram voor een exotherme reactie. Op de y-as staat de energie (daar bedoelen we de energie-inhoud mee) en op de x-as staat het reactieverloop. Hiermee bedoelen we dat we de reactie als het ware in stukjes knippen en elk stapje apart weergeven.

10. Het energiediagram in Figuur 3.4 is nog niet helemaal af. De stoffen die reageren en ontstaan zijn nog niet weergegeven en bij de pijlen staan nog niet de juiste energie-effecten weergegeven. Zet de juiste stoffen bij A, B en C en zet ook de juiste waarden bij I, II en III.

3.2.2 Hoeveel CO2 komt er vrij per gereden kilometer?

Als we met een motorvoertuig gaan rijden gebruiken we meestal benzine of diesel als brandstof. Bij de verbranding van deze fossiele (en bio-) brandstoffen komt CO2 vrij. De hoeveelheid CO2 die vrijkomt per gereden km bepaald voor een groot deel hoe belastend het gebruik van een specifiek voertuig is voor het milieu. In Europa staat op het energielabel (een label dat wordt meegeleverd bij de verkoop van onder andere auto’s, elektrische apparaten, lampen en gebouwen) wat de uitstoot aan CO2 is in gram per gereden km. De waarde van het label (A t/m G) wordt niet alleen bepaald door de totale CO2-uitstoot, maar door hoe zuinig een auto is ten opzichte van het gemiddelde. Men houdt dan rekening met de grootte van de auto.

De fabrikant meet hoeveel CO2 er vrijkomt per gereden kilometer. We kunnen aan de hand van de reactievergelijking, de dichtheid van de brandstof en het verbruik ook zelf een schatting maken.