FFundamental · deel F2 · Materie en materialen

Handboek · hoofdstuk 8Zuivere stoffen en mengsels

Waarom 'puur' sap een mengsel is, hoeveel zout er in water past, en hoeveel voeding er in de gieter moet

Bijna alles om je heen is een mengsel: lucht, kraanwater, melk, zeewater, staal, potgrond. Een zuivere stof bestaat uit één soort deeltjes en heeft vaste stofeigenschappen, zoals een smeltpunt en een kookpunt. In dit hoofdstuk leer je stoffen herkennen aan hun eigenschappen, mengsels indelen in homogeen en heterogeen, rekenen met oplossingen (verzadiging, oplosbaarheid, concentratie in g/L), en aan een smelt- of kookcurve zien of iets zuiver is. Voor de meetkas maak je een voedingsoplossing op de juiste sterkte.

8× uitleg4× uitgewerkt voorbeeld1× proef1× ontleed1× naslag1× verhaal1× het geheel15 opdrachten in het werkboek± 6 lestijden

MMaterie en chemie OOnderzoeken en meten

Zes glazen, zes mengsels. Welke zijn homogeen, welke heterogeen?

Na dit hoofdstuk

Je kan stofeigenschappen (kleur, geur, smeltpunt, kookpunt, dichtheid, oplosbaarheid, geleiding) opnoemen en onderscheiden van voorwerpeigenschappen.
Je kan een stof herkennen door enkele stofeigenschappen te onderzoeken en te vergelijken met een tabel.
Je kan het verschil tussen een zuivere stof en een mengsel uitleggen, ook met het deeltjesmodel.
Je kan mengsels indelen in homogeen en heterogeen, en voorbeelden geven van oplossing, legering, suspensie, emulsie, schuim, rook en nevel.
Je kan de woorden oplosmiddel, opgeloste stof, oplossing, verzadigd en oplosbaarheid correct gebruiken.
Je kan een oplosbaarheidscurve lezen en voorspellen hoeveel stof er kristalliseert als een oplossing afkoelt.
Je kan rekenen met de concentratie $c = m / V$ in g/L, in drie richtingen.
Je kan legeringen, lucht en zeewater beschrijven als mengsels en hun samenstelling geven.
Je kan aan een smelt-, stol- of kookcurve zien of een stof zuiver is of een mengsel.

Verhaal · 8.1

Hoe zuiver is zuiver?

1/17

Op een brik sinaasappelsap staat '100 % puur'. In de winkel hangt een affiche over 'zuivere lucht'. In het dagelijks leven betekent zuiver of puur: er is niets aan toegevoegd. In de wetenschap betekent het iets heel anders: een zuivere stof bestaat uit één enkele stof. Puur sinaasappelsap is dan een mengsel van water, suikers, zuren, vitaminen, kleur- en geurstoffen en vruchtvlees. Zuivere lucht is een mengsel van stikstof, zuurstof, argon en nog wat andere gassen.

Hoe zuiver kan een stof worden? Het record staat op naam van de chipindustrie. Chips worden gemaakt van silicium, dat uit kwartszand gehaald wordt. Voor een chip moet het silicium minstens 99,9999999 % zuiver zijn ('negen negens'): op een miljard siliciumatomen mag er hooguit één vreemd atoom zitten. Om dat te bereiken, wordt het silicium eerst omgezet in een vloeistof die men steeds opnieuw destilleert (hoofdstuk 9). Daarna trekt men uit gesmolten silicium langzaam een staaf die uit één enkel kristal bestaat, soms twee meter lang. Die wordt in schijven (wafers) gezaagd van minder dan een millimeter dik.

En dan gebeurt er iets opvallends: in dat supergezuiverde silicium brengt men bewust piepkleine, exact afgemeten hoeveelheden van andere atomen, zoals boor of fosfor. Pas dan werkt het als halfgeleider (hoofdstuk 23 in Intermediate). Wie een mengsel precies wil maken, moet eerst zuivere stoffen hebben.

Waarom dit verhaal ertoe doet

'Zuiver' is in STEM geen reclamewoord maar een meetbare eigenschap. Een zuivere stof herken je aan haar vaste stofeigenschappen, zoals een scherp smeltpunt. In dit hoofdstuk leer je die eigenschappen kennen, en in hoofdstuk 9 hoe je stoffen uit een mengsel haalt.

Een wafer van bijna perfect zuiver silicium: de grondstof van elke chip.

Uitleg · 8.2

Stofeigenschappen: het paspoort van een stof

2/17

In hoofdstuk 7 zag je dat de dichtheid bij de stof hoort, niet bij het voorwerp. Zulke eigenschappen heten stofeigenschappen. Samen vormen ze een soort paspoort: aan een handvol ervan herken je een stof.

Waarneembaar met je zintuigen: kleur, glans, geur, aggregatietoestand bij kamertemperatuur. Ruik voorzichtig door de damp naar je toe te wuiven, en proef nooit in een labo (hoofdstuk 5).
Meetbaar: smeltpunt, kookpunt en dichtheid (hoofdstukken 6 en 7), oplosbaarheid in water, elektrische geleiding, warmtegeleiding.
Gedrag: is de stof magnetisch, brandbaar, reageert ze met azijn?

Massa, volume, vorm en temperatuur zijn geen stofeigenschappen: ze zeggen iets over het voorwerp of over de toestand waarin het nu is. Een ijzeren spijker en een ijzeren brug hebben een heel andere massa, maar hetzelfde smeltpunt: 1538 °C.

stof	kleur, geur	smeltpunt (°C)	kookpunt (°C)	ρ (g/cm³)	lost op in water?	geleidt stroom?
water	kleurloos, geurloos	0	100	1,00	(is zelf het oplosmiddel)	zuiver: nauwelijks
ethanol	kleurloos, alcoholgeur	−114	78	0,79	ja, mengt volledig	nee
keukenzout	wit, geurloos	801	1465	2,16	ja: 36 g per 100 g water	vast niet, opgelost wel
suiker (sacharose)	wit, geurloos	ontleedt vanaf ± 186	(geen)	1,59	ja: 202 g per 100 g water	nee, ook opgelost niet
zwavel	geel, geurloos (vast)	115	445	2,07	nee	nee
aluminium	zilvergrijs	660	± 2500	2,70	nee	ja
koper	roodbruin	1085	2562	8,96	nee	ja, heel goed
ijzer	grijs, magnetisch	1538	2862	7,87	nee	ja

Smelt- en kookpunten bij normale luchtdruk, oplosbaarheid bij 20 °C. Suiker heeft geen kookpunt: vanaf ongeveer 186 °C valt ze uiteen en wordt ze karamel.

Eén eigenschap is zelden genoeg

Suiker en keukenzout zijn allebei wit, geurloos en oplosbaar in water. Maar zout water geleidt stroom en suikerwater niet, en suiker smelt en wordt bruin in een lepel boven een vlammetje, terwijl zout onveranderd blijft. Combineer daarom altijd enkele eigenschappen (opdracht 8.6).

Vijf witte poeders die er bijna hetzelfde uitzien. Hun stofeigenschappen verschillen wel.

Proef · 8.3

Geleidt de oplossing stroom?

3/17

Onderzoeksvraag

Geleidt water stroom? En maakt het uit wat er in het water opgelost is?

Materiaal

9 V-batterij met clip
led met een weerstand van 470 Ω in serie
twee koperdraadjes (of twee potloodstiften) als elektroden
multimeter op mA (in serie)
vijf bekertjes: gedemineraliseerd water, kraanwater, zout water, suikerwater, azijn
keukenpapier

VeiligheidAlleen met de 9 V-batterij, nooit met het stopcontact (hoofdstuk 5). Laat de stroom telkens maar enkele seconden lopen: aan de elektroden ontstaan gasbelletjes.

In zout water brandt de led; in suikerwater blijft ze uit.

Werkwijze

1Maak de zout- en de suikeroplossing met gedemineraliseerd water: een theelepel in 100 mL.
2Bouw de kring: batterij, weerstand, led, multimeter en de twee elektroden, die nog niet in het water hangen. Test de kring door de elektroden even tegen elkaar te houden.
3Hang de elektroden in het eerste bekertje, 1 cm uit elkaar. Noteer of de led brandt en wat de multimeter toont.
4Spoel en droog de elektroden, en herhaal voor elk bekertje, altijd op dezelfde afstand en even diep.

Waarneming

vloeistof	led	stroom (mA)
gedemineraliseerd water	uit	0,0
kraanwater	uit of heel zwak	0,4
suiker in gedemineraliseerd water	uit	0,0
azijn	zwak	2,1
zout in gedemineraliseerd water	fel	13,6

Voorbeeld van metingen. De getallen hangen af van de elektroden, hun afstand en hoeveel er opgelost is, maar de volgorde is altijd dezelfde.

Verklaring

Zuiver water geleidt nauwelijks. Of een oplossing geleidt, hangt af van wat erin opgelost is. Zout valt in water uiteen in geladen deeltjes (ionen) die kunnen bewegen en zo de lading door de vloeistof dragen. Suiker lost ook op, maar als ongeladen deeltjes: suikerwater geleidt niet. Kraanwater geleidt een beetje, omdat er altijd wat zouten in opgelost zijn (kalk bijvoorbeeld). Geleiding is dus een stofeigenschap die zout en suiker van elkaar onderscheidt, en een meting die zegt hoeveel zout er opgelost is: in Intermediate meet je zo de sterkte van de voedingsoplossing (EC-meter, hoofdstuk 13).

Uitleg · 8.4

Zuivere stof of mengsel?

4/17

In het deeltjesmodel (hoofdstuk 6) is het verschil eenvoudig:

Een zuivere stof bestaat uit één soort deeltjes: gedestilleerd water, suiker, koper, zuurstof.
Een mengsel bevat twee of meer soorten deeltjes, van verschillende stoffen: kraanwater, lucht, melk, brons.

In een mengsel behoudt elke stof haar eigen deeltjes en dus haar eigen eigenschappen. Suiker in water is nog altijd zoet; het ijzer in een mengsel van zand en ijzervijlsel is nog altijd magnetisch. Daarom kan je een mengsel scheiden met een techniek die gebruikmaakt van zo'n verschil (hoofdstuk 9). En de verhouding in een mengsel kan je kiezen: een beetje of veel suiker in je thee.

Hoe zie je of iets zuiver is? Niet met het oog: kraanwater en gedestilleerd water zien er hetzelfde uit. Wel met een stofeigenschap die je nauwkeurig meet. Een zuivere stof smelt en kookt bij één vaste temperatuur; een mengsel smelt en kookt over een temperatuurgebied (verderop in dit hoofdstuk).

Een mengsel is een nieuwe stof

Als je zout in water oplost, verdwijnt het zout niet en ontstaat er geen nieuwe stof: indampen geeft je het zout terug. Bij een chemische reactie, zoals het verbranden van hout of het roesten van ijzer, ontstaan wel nieuwe stoffen met andere eigenschappen. Reacties zijn het onderwerp van hoofdstuk 14 (Intermediate).

Blauw: waterdeeltjes; groen: suiker; donker: zandkorrels (elk korreltje bevat zelf miljarden deeltjes).

Uitleg · 8.5

Homogeen en heterogeen

5/17

Mengsels deel je in volgens wat je ziet.

In een homogeen mengsel zijn de stoffen tot op het niveau van de deeltjes gemengd. Het mengsel is overal hetzelfde en meestal helder (doorzichtig, al kan het gekleurd zijn): suikerwater, zeewater na filtreren, lucht, brons.
In een heterogeen mengsel zitten brokjes, druppeltjes of belletjes van de ene stof in de andere. Soms zie je dat meteen (zand in water), soms pas onder een microscoop (melk: vetdruppeltjes in water). Een heterogeen mengsel is vaak troebel, en na een tijd kan het ontmengen: de deeltjes zakken (modderwater) of stijgen (room op melk die niet gehomogeniseerd is).

soort	wat zit waarin?	voorbeelden
homogeen: overal hetzelfde, ook onder een microscoop
oplossing	vaste stof, vloeistof of gas opgelost in een vloeistof	suikerwater, zeewater, spuitwater, wijn
gasmengsel	gas in gas	lucht, uitgeademde lucht
legering	metaal met een ander metaal (of koolstof), samen gesmolten en gestold	brons, messing, staal, soldeertin
heterogeen: je ziet (met het oog of een microscoop) verschillende delen
suspensie	vaste deeltjes in een vloeistof	modderwater, sinaasappelsap met vruchtvlees, verf
emulsie	druppeltjes vloeistof in een andere vloeistof	melk, mayonaise, vinaigrette na schudden
schuim	gasbellen in een vloeistof of vaste stof	slagroom, bierschuim, piepschuim, brood
rook	vaste deeltjes in een gas	rook van een kampvuur, fijnstof
nevel	druppeltjes vloeistof in een gas	mist, wolken, spray
vast mengsel	korrels van verschillende stoffen	graniet, beton, muesli, potgrond

Een lichtstraal als test

Schijn met een laserpointer (nooit in iemands ogen) of een smalle lichtbundel door een glas. In zout water zie je de straal niet: de opgeloste deeltjes zijn te klein om licht opzij te sturen. In water met een paar druppels melk zie je een heldere streep: de vetdruppeltjes verstrooien het licht. Zo zie je dat melk heterogeen is, al lijkt het één witte vloeistof. Dat heet het Tyndall-effect; je ziet het ook aan zonnestralen in mist of in een stoffige zolder.

Links een oplossing, rechts water met wat melk: alleen in het heterogene mengsel zie je de straal.

Ontleed · 8.6

Een fles cola, ingezoomd

6/17

Een gesloten fles cola is een homogeen mengsel: een oplossing met veel opgeloste stoffen, waaronder een gas. Draai je de dop open, dan verandert dat.

Links de fles, rechts een sterk vergrote druppel: water als oplosmiddel, met suiker, koolstofdioxide en zuur erin opgelost.

Wijs een nummer aan: de figuur zoomt in. Klik om vast te zetten.

1
Dop
Houdt het gas onder druk in de fles. Zolang die druk er is, blijft er veel koolstofdioxide opgelost.
2
Belletjes na het openen
Zakt de druk, dan kan niet al het gas opgelost blijven: er ontstaan bellen. Nu is het mengsel heterogeen (gas in vloeistof). Warme cola verliest sneller zijn prik: gassen lossen slechter op in warm water.
3
De oplossing
Helder (bruin gekleurd, maar doorzichtig): homogeen. Een lichtstraal gaat er onzichtbaar door.
4
Water: het oplosmiddel
Bijna 90 % van de massa. Het water 'draagt' alle andere stoffen.
5
Suiker: opgeloste stof
Ongeveer 10 à 11 g per 100 mL, dus ruim 100 g/L. In een blikje van 33 cL zit ongeveer 35 g suiker.
6
Koolstofdioxide: opgelost gas
Onder druk opgelost; het geeft de prik en maakt de drank iets zuurder.
7
Zuur, kleur- en smaakstoffen
Kleine hoeveelheden, maar ze bepalen de smaak. Cola is zuur (pH ongeveer 2,5, hoofdstuk 15 in Intermediate).

Uitleg · 8.7

Oplossen: oplosmiddel en opgeloste stof

7/17

Doe een suikerklontje in water en wacht: het klontje wordt kleiner en verdwijnt. De suiker is niet weg (het water smaakt zoet), maar ze is opgelost. De watermoleculen botsen voortdurend tegen de suiker en maken deeltje na deeltje los. Door diffusie (hoofdstuk 6) raken die suikerdeeltjes verspreid tussen de waterdeeltjes, tot ze overal even dicht zitten.

De stof die oplost, heet de opgeloste stof (hier: suiker).
De stof waarin ze oplost, heet het oplosmiddel (hier: water). Zijn er twee vloeistoffen, dan noem je de stof waarvan er het meest is het oplosmiddel.
Samen vormen ze een oplossing: een homogeen mengsel.

De massa blijft behouden. 200 g water en 20 g suiker geven 220 g suikerwater: er gaan geen deeltjes verloren. Het volume telt niet altijd netjes op, omdat kleine deeltjes in de ruimte tussen grotere kunnen schuiven: 50 mL alcohol en 50 mL water geven samen maar ongeveer 97 mL.

Sneller oplossen doe je door te roeren, door de stof fijner te maken (poedersuiker lost sneller op dan een klontje: meer oppervlak) en door het oplosmiddel te verwarmen (snellere deeltjes).

Niet alles lost op in water. Olie, vet, zand en was lossen niet op. Water is wel het beste oplosmiddel dat we kennen, maar voor sommige stoffen heb je een ander nodig: alcohol voor de inkt van een watervaste stift, aceton voor nagellak, wasbenzine voor vet. Waarom dat zo is, leer je in Intermediate (hoofdstuk 13).

Voor en na het oplossen: dezelfde deeltjes, dezelfde massa. De suikerdeeltjes zitten nu verspreid tussen de waterdeeltjes.

Uitleg · 8.8

Verzadigd: hoeveel er maximaal oplost

8/17

Blijf je zout in een glas water scheppen en roeren, dan komt er een moment waarop het zout niet meer oplost: het blijft als een laagje op de bodem liggen (een bezinksel). De oplossing is dan verzadigd. Zolang er nog meer kan oplossen, is ze onverzadigd.

Hoeveel er maximaal oplost, is een stofeigenschap: de oplosbaarheid. Je drukt ze uit als het aantal gram dat oplost in 100 g water (100 mL) bij een bepaalde temperatuur. Keukenzout: 35,9 g bij 20 °C. Suiker lost veel beter op: 202 g in 100 g water, meer suiker dan water! Krijt, zand en olie lossen praktisch niet op.

Bij de meeste vaste stoffen stijgt de oplosbaarheid met de temperatuur, maar niet bij allemaal even sterk. Dat zie je in een oplosbaarheidscurve. Kaliumnitraat (een meststof, ook voor de meetkas) lost bij 20 °C maar 31,6 g op per 100 g water, en bij 60 °C al 110 g. De curve van keukenzout is bijna vlak: van 35,7 g bij 0 °C tot 39,0 g bij 100 °C.

Koel je een verzadigde oplossing af, dan kan er minder opgelost blijven: het teveel komt terug als vaste stof, vaak in mooie kristallen. Dat heet kristalliseren. Zo zuivert men stoffen, en zo maak je kandijsuiker (opdracht 8.15).

$T$ (°C)	0	20	40	60	80	100
keukenzout	35,6	35,9	36,4	37,0	37,9	39,0
kaliumnitraat	13,3	31,6	63,9	110	169	246
suiker	182	202	236	289	365	476

Maximaal op te lossen massa, in gram per 100 g water (100 g water is 100 mL).

Gassen doen het omgekeerd

Gassen lossen slechter op in warm water. Water van 10 °C kan ongeveer 11 mg zuurstof per liter bevatten, water van 30 °C maar ongeveer 7,6 mg. Daarom krijgen vissen het moeilijk in een warme zomer, verliest warme frisdrank snel zijn prik, en moet de voedingsoplossing van een hydrocultuur koel en belucht blijven (hoofdstuk 36 in Intermediate).

Kaliumnitraat lost bij hoge temperatuur veel beter op; keukenzout bijna even goed bij elke temperatuur.

Uitgewerkt voorbeeld · 8.9

Een oplosbaarheidscurve lezen

9/17

In 100 g water van 70 °C los je 100 g kaliumnitraat op. Je laat de oplossing afkoelen tot 20 °C. (a) Is de oplossing bij 70 °C verzadigd? (b) Bij welke temperatuur verschijnen de eerste kristallen? (c) Hoeveel gram kristallen liggen er bij 20 °C? (d) Waarom werkt deze methode slecht om keukenzout uit zout water te halen?

Horizontale hulplijn bij 100 g: die snijdt de curve van kaliumnitraat bij ongeveer 56 °C.

Gegeven

100 g kaliumnitraat in 100 g water, bij 70 °C
de oplosbaarheidscurve en de tabel

Gevraagd

verzadigd bij 70 °C?
temperatuur van de eerste kristallen
massa kristallen bij 20 °C
keukenzout?

Oplossing

1
(a) Bij 70 °C lost er maximaal 138 g op. 100 g is minder: de oplossing is onverzadigd.
2
(b) Zoek op de curve waar de oplosbaarheid 100 g is: tussen 50 °C (85,5 g) en 60 °C (110 g), ongeveer bij 56 °C. Tot dan blijft alles opgelost; onder 56 °C is er meer kaliumnitraat dan er kan opgelost blijven.
3
(c) Bij 20 °C blijft er maar 31,6 g opgelost. De rest kristalliseert: $100 - 31, 6 = 68, 4 g$ kristallen, en de vloeistof erboven is een verzadigde oplossing.
4
(d) De curve van keukenzout is bijna vlak: een verzadigde oplossing van 60 °C (37,0 g) houdt bij 20 °C nog 35,9 g opgelost. Er kristalliseert amper 1,1 g. Keukenzout haal je daarom uit water door het water te laten verdampen (indampen, hoofdstuk 9).

Antwoord

(a) onverzadigd; (b) bij ongeveer 56 °C; (c) 68,4 g kristallen; (d) de oplosbaarheid van keukenzout verandert bijna niet met de temperatuur.

Klopt dit? Lees af op de grafiek én controleer met de tabel: 56 °C ligt netjes tussen 50 en 60 °C, en 100 g tussen 85,5 en 110 g. Een curve interpoleer je, je rekent niet met één punt.

Uitleg · 8.10

Concentratie: hoeveel gram per liter

10/17

Hoe sterk is een oplossing? Dat zegt de concentratie: hoeveel gram opgeloste stof er in één liter oplossing zit.

concentratie

c = \frac{m}{V}

m

: massa van de opgeloste stof (g);

V

: volume van de oplossing (L);

c

in g/L. Omgevormd:

m = c \cdot V

V = m / c

Doe je 10 g suiker in een liter water, dan is de concentratie 10 g/L. Dezelfde 10 g in een halve liter geeft 20 g/L: de suikerdeeltjes zitten dichter op elkaar (figuur). Voor kleine concentraties gebruik je milligram per liter (mg/L).

oplossing	opgeloste stof	concentratie
zuurstof in water van 20 °C (maximum)	zuurstof	± 9 mg/L
drinkwater (wettelijk maximum)	nitraat	50 mg/L
voedingsoplossing voor planten	voedingszouten	± 1 à 2 g/L
fysiologisch zout (infuus, lenzenvloeistof)	keukenzout	9 g/L
zeewater	zouten	± 35 g/L
cola	suiker	± 105 g/L

Concentratie en dichtheid zijn hetzelfde, want allebei g/L

Ze hebben dezelfde eenheid, maar meten iets anders. De dichtheid van zeewater is de massa van de hele oplossing per liter: ongeveer 1025 g/L. De concentratie is alleen de massa van het opgeloste zout per liter: ongeveer 35 g/L. Kijk dus altijd welke massa er in de teller staat.

Per liter oplossing

De concentratie gaat over het volume van de oplossing, niet van het water dat je gebruikte. Bij een paar gram per liter is het verschil verwaarloosbaar. Bij sterke oplossingen niet: los je 300 g suiker op in 1 L water, dan heb je bijna 1,2 L oplossing.

Elk groen bolletje stelt 1 g suiker voor. Het tweede en derde glas hebben dezelfde concentratie.

Uitgewerkt voorbeeld · 8.11

Rekenen met concentraties

11/17

(a) Fysiologisch zout heeft een concentratie van 9,0 g/L. Hoeveel zout zit er in een zakje infuus van 250 mL? (b) Op een blikje cola van 330 mL staat: 35 g suiker. Wat is de concentratie? (c) Zeewater bevat ongeveer 35 g zout per liter. Hoeveel liter zeewater moet je indampen voor een pak van 1,0 kg zout?

Gegeven

(a) $c = 9, 0 g/L$ , $V = 250 mL$
(b) $m = 35 g$ , $V = 330 mL$
(c) $c = 35 g/L$ , $m = 1, 0 kg$

Gevraagd

(a) $m$
(b) $c$
(c) $V$

Oplossing

1
Eenheden eerst: de concentratie staat in g/L, dus het volume in liter en de massa in gram.
2
(a) $V = 250 mL = 0, 250 L$ . $m = c \cdot V = 9, 0 g/L \times 0, 250 L = 2, 25 g$ .
3
(b) $V = 0, 330 L$ . $c = \frac{m}{V} = \frac{35 g}{0 , 330 L} \approx 106 g/L$ .
4
(c) $m = 1000 g$ . $V = \frac{m}{c} = \frac{1000 g}{35 g/L} \approx 29 L$ .

Antwoord

(a) 2,25 g zout; (b) ongeveer 106 g/L; (c) ongeveer 29 L zeewater (bijna drie emmers).

Klopt dit? Grootte-check: 9 g per liter is ongeveer een theelepel per liter; in een kwartliter dus een kwart daarvan, ruim 2 g. En 29 L zeewater voor 1 kg zout verklaart waarom zoutpannen zo groot zijn: het water verdampt er in de zon (hoofdstuk 9).

Uitgewerkt voorbeeld · 8.12

Habitat: de voedingsoplossing voor de meetkas

12/17

De planten in de meetkas krijgen water uit het reservoir. Om ze te voeden, los je er voedingszouten in op (stikstof, fosfor, kalium en andere). De juiste sterkte is 1,0 g per liter. Je gebruikt een vloeibare plantenvoeding die 200 g voedingszouten per liter bevat. (a) Hoeveel mL van die vloeistof heb je nodig per liter water? (b) Hoeveel mL voor het reservoir, gevuld met 24 L? (c) Hoeveel gram voedingszouten krijgen de planten per dag, als ze 1,8 L verbruiken?

120 mL plantenvoeding in 24 L water: 1,0 g voedingszouten per liter.

Gegeven

gewenst: $c = 1, 0 g/L$
plantenvoeding: $c = 200 g/L$
reservoir: $24 L$ ; verbruik: $1, 8 L$ per dag

Gevraagd

mL plantenvoeding per liter
mL voor 24 L
g voedingszouten per dag

Oplossing

1
(a) In 1 L gietwater moet 1,0 g voedingszouten. De plantenvoeding bevat 200 g/L. Welk volume bevat 1,0 g? $V = \frac{m}{c} = \frac{1 , 0 g}{200 g/L} = 0, 005 L = 5 mL$ : één dopje per liter.
2
(b) Voor 24 L: $24 \times 1, 0 g = 24 g$ voedingszouten, dus $24 \times 5 mL = 120 mL$ plantenvoeding. De vloeistof wordt 200 keer verdund.
3
(c) $m = c \cdot V = 1, 0 g/L \times 1, 8 L = 1, 8 g$ per dag.

Antwoord

(a) 5 mL per liter; (b) 120 mL voor het reservoir; (c) ongeveer 1,8 g voedingszouten per dag.

Klopt dit? De 120 mL plantenvoeding maakt het volume 24,12 L in plaats van 24 L: een verschil van een half procent, te verwaarlozen. Meer is niet beter: een te sterke oplossing trekt water uit de wortels, en de planten verwelken. In opdracht 8.12 bereken je wat er gebeurt als je het reservoir bijvult.

Uitleg · 8.13

Legeringen, lucht en zeewater

13/17

Drie mengsels waar je elke dag mee te maken hebt:

Legeringen. Zuivere metalen zijn vaak te zacht. Meng je er een ander metaal door (in gesmolten toestand), dan krijg je een legering met betere eigenschappen:

legering	samenstelling	waarom
brons	koper met ± 12 % tin	harder dan koper; klokken, beelden, lagers
messing	koper met 30 à 40 % zink	goed te bewerken, roest niet; sleutels, kranen
staal	ijzer met minder dan 2 % koolstof	veel sterker en taaier dan zuiver ijzer
roestvast staal	staal met minstens 10,5 % chroom (vaak ook nikkel)	roest niet; bestek, spoelbak
soldeertin (loodvrij)	tin met 3 % zilver en 0,5 % koper	smelt lager dan de onderdelen (hoofdstuk 5)
goud van 18 karaat	75 % goud, rest zilver en koper	harder en slijtvaster dan zuiver goud

Lucht is een homogeen gasmengsel. Droge lucht bestaat (in volume) voor 78 % uit stikstof, 21 % zuurstof, 0,9 % argon en ongeveer 0,04 % koolstofdioxide, plus sporen van andere gassen. Daarnaast bevat lucht een wisselende hoeveelheid waterdamp (hoofdstuk 6). Dat kleine beetje koolstofdioxide is wel wat planten nodig voor fotosynthese (hoofdstuk 27).

Zeewater is ongeveer 96,5 % water en 3,5 % opgeloste zouten: ± 35 g per liter, waarvan ruim drie kwart keukenzout. Het is een oplossing, dus homogeen, zolang er geen zand of plankton in zweeft. Het bevriest pas rond −2 °C en is iets dichter dan zoet water (1,025 g/cm³, hoofdstuk 7).

Waarom geen zeewater drinken?

Je nieren kunnen het zout niet sneller kwijt dan in urine die minder zout is dan zeewater. Om het zout van één liter zeewater af te voeren, verlies je dus meer water dan je gedronken hebt. Op zee kan je van dorst omkomen, midden in het water. Daarom maakt een schip drinkwater door zeewater te destilleren of te filtreren door een heel fijn membraan (hoofdstuk 9).

Stikstof en zuurstof vormen samen 99 % van droge lucht. 'Andere gassen' is vooral argon.

Brons, messing, roestvast staal, soldeertin en goud van 18 karaat: allemaal legeringen.

Uitleg · 8.14

Smelten, stollen en koken: zuiver of mengsel?

14/17

In hoofdstuk 6 zag je de opwarmcurve van ijs en de afkoelcurve van stearinezuur: tijdens een faseovergang blijft de temperatuur van een zuivere stof gelijk. Een vlak stuk in de grafiek bij één temperatuur is het kenmerk van een zuivere stof.

Een mengsel gedraagt zich anders. De grafiek toont 100 g zuiver water en 100 g water met 5 % zout, samen in een diepvries van −18 °C (berekend met een eenvoudig model).

Het zuivere water koelt af tot 0 °C en blijft daar staan tot alles bevroren is, van 0,5 h tot 3,5 h. Pas daarna koelt het ijs verder af.
Het zoute water begint pas te bevriezen bij ongeveer −3 °C. Er vormt zich ijs van zuiver water; het zout blijft achter in het water dat nog vloeibaar is. Dat restje wordt dus zouter, en zouter water bevriest pas bij een lagere temperatuur. De temperatuur blijft dalen tijdens het bevriezen: na 3 uur is het −7 °C, na 5 uur −15 °C, en er is nog altijd een beetje zeer zout vloeibaar water tussen het ijs. Een vlak stuk is er niet.

Bij het koken zie je hetzelfde (schets). Zuiver water kookt bij 100 °C en blijft daar. Zout water begint iets boven 100 °C te koken, en terwijl het water wegkookt, wordt de oplossing zouter en stijgt de kooktemperatuur verder, tot ongeveer 109 °C als ze verzadigd is. Vanaf dan kristalliseert het zout en blijft de temperatuur gelijk.

Zo herken je een mengsel

Een zuivere stof smelt, stolt en kookt bij één temperatuur: een vlak stuk. Een mengsel doet het over een temperatuurgebied, meestal lager (smelten, stollen) of hoger (koken) dan de zuivere stof. Daarom strooien we zout op de weg: zout water bevriest pas onder 0 °C, zodat het ijs smelt. Bij strenge vorst (kouder dan ongeveer −10 °C) werkt het veel minder goed.

Zuiver water: een vlak stuk bij 0 °C. Zout water: geen vlak stuk, de temperatuur blijft zakken terwijl er ijs bij komt.

Schets, niet op schaal: zuiver water kookt bij één temperatuur, zout water over een gebied.

Uitgewerkt voorbeeld · 8.15

Is dit poeder zuiver?

15/17

Een apotheker controleert een lading pijnstiller. Zuivere paracetamol smelt bij 169 °C. Ze bepaalt het smeltpunt van drie stalen door een beetje poeder langzaam te verwarmen:

staal	begint te smelten bij	volledig gesmolten bij
A	168,5 °C	169,5 °C
B	158 °C	165 °C
C	168,6 °C	169,4 °C

(a) Welke stalen zijn zuiver? (b) Wat is er met staal B aan de hand? (c) Ze mengt een beetje van staal A met een onbekend wit poeder X. Het mengsel smelt scherp bij 169 °C. Wat besluit ze over X?

Gegeven

smeltpunt zuivere paracetamol: 169 °C
smeltgedrag van drie stalen

Gevraagd

zuiver of niet
verklaring voor B
wat is X?

Oplossing

1
(a) A en C smelten binnen één graad, rond 169 °C: dat is het scherpe smeltpunt van zuivere paracetamol.
2
(b) Staal B smelt lager en over een gebied van 7 °C. Dat is het kenmerk van een mengsel: er zit een andere stof in, een verontreiniging. Die lading mag niet verkocht worden.
3
(c) Was X een andere stof, dan zou het mengsel lager en over een gebied smelten, zoals B. Het smelt scherp bij 169 °C: X is zelf zuivere paracetamol. Deze controle met een mengsel heet een mengsmeltpunt.

Antwoord

(a) A en C; (b) B is verontreinigd: een mengsel smelt lager en over een temperatuurgebied; (c) X is paracetamol.

Klopt dit? Zo controleren labo's echt de zuiverheid van geneesmiddelen en grondstoffen: een smeltpunttoestel verwarmt een klein buisje poeder heel langzaam, zodat je het begin en het einde van het smelten nauwkeurig ziet.

Naslag · 8.16

Overzicht: stoffen, mengsels en oplossingen

16/17

concentratie

c = \frac{m}{V} m = c \cdot V V = \frac{m}{c}

symbool	betekenis	eenheid
$c$	concentratie	g/L (of mg/L)
$m$	massa opgeloste stof	g
$V$	volume oplossing	L

begrip	betekenis	voorbeeld
zuivere stof	één soort deeltjes; vast smelt- en kookpunt	gedestilleerd water, suiker, koper
homogeen mengsel	overal hetzelfde, meestal helder	suikerwater, lucht, brons
heterogeen mengsel	verschillende delen te onderscheiden, vaak troebel	melk, modderwater, mist
oplosmiddel	de stof waarin iets oplost	water in suikerwater
opgeloste stof	de stof die oplost	suiker in suikerwater
verzadigd	er kan niet meer oplossen	zout water met zout op de bodem
oplosbaarheid	maximaal op te lossen massa per 100 g water, bij een temperatuur	keukenzout: 35,9 g bij 20 °C
kristalliseren	vaste stof komt uit een oplossing terug	kandijsuiker, zoutkristallen

soort	wat zit waarin?	voorbeelden
homogeen: overal hetzelfde, ook onder een microscoop
oplossing	vaste stof, vloeistof of gas opgelost in een vloeistof	suikerwater, zeewater, spuitwater, wijn
gasmengsel	gas in gas	lucht, uitgeademde lucht
legering	metaal met een ander metaal (of koolstof), samen gesmolten en gestold	brons, messing, staal, soldeertin
heterogeen: je ziet (met het oog of een microscoop) verschillende delen
suspensie	vaste deeltjes in een vloeistof	modderwater, sinaasappelsap met vruchtvlees, verf
emulsie	druppeltjes vloeistof in een andere vloeistof	melk, mayonaise, vinaigrette na schudden
schuim	gasbellen in een vloeistof of vaste stof	slagroom, bierschuim, piepschuim, brood
rook	vaste deeltjes in een gas	rook van een kampvuur, fijnstof
nevel	druppeltjes vloeistof in een gas	mist, wolken, spray
vast mengsel	korrels van verschillende stoffen	graniet, beton, muesli, potgrond

$T$ (°C)	0	20	40	60	80	100
keukenzout	35,6	35,9	36,4	37,0	37,9	39,0
kaliumnitraat	13,3	31,6	63,9	110	169	246
suiker	182	202	236	289	365	476

Maximaal op te lossen massa, in gram per 100 g water (100 g water is 100 mL).

	zuivere stof	mengsel
smelten, stollen	bij één temperatuur: vlak stuk	over een gebied, meestal lager
koken	bij één temperatuur	over een gebied, meestal hoger
samenstelling	vast	kan je kiezen
eigenschappen	vast (stofeigenschappen)	hangen af van de samenstelling

Het geheel · 8.17

Waar stoffen en mengsels naartoe leiden

17/17

Met dit hoofdstuk heb je de woordenschat van de leerlijn materie en chemie: stof, mengsel, oplossing, concentratie. Je gebruikt ze meteen in hoofdstuk 9 (stoffen scheiden op basis van hun eigenschappen) en hoofdstuk 10 (materialen, waaronder legeringen). In Intermediate kijk je binnen in de deeltjes: atomen, ionen en bindingen verklaren waarom zout water geleidt en suikerwater niet, en waarom olie niet oplost in water. Concentraties komen terug bij de pH, bij reacties en bij de hydrocultuur. In Expert reken je met chemisch evenwicht, bijvoorbeeld wanneer een zout neerslaat.

F5 Veilig werken in labo en werkplaats

Etiketten en pictogrammen: stofeigenschappen als ontvlambaarheid en giftigheid, en veilig werken met oplossingen.

F6 Het deeltjesmodel

Het deeltjesmodel verklaart oplossen (diffusie) en de vlakke stukken in een smelt- en kookcurve.

F7 Massa, volume en dichtheid

Dichtheid als stofeigenschap; de dichtheid van zout water en het ei dat zweeft.

F9 Mengsels scheiden

Filtreren, indampen, destilleren, kristalliseren: stoffen uit een mengsel halen.

F10 Materialen en hun eigenschappen

Legeringen en composieten als materialen met eigenschappen op maat.

F27 Planten: fotosynthese en groei

Wat een plant uit de voedingsoplossing en uit de lucht haalt.

I12 Atomen en het periodiek systeem

Welke elementen een plant nodig heeft: N, P, K en andere.

I13 Chemische bindingen en stofeigenschappen

Ionen en polariteit: waarom zout oplost en geleidt, en olie niet oplost. De EC-meter.

I14 Reacties en stoichiometrie

Bij een reactie ontstaan nieuwe stoffen; rekenen met de mol.

I36 Hydroponie en voedselproductie

De voedingsoplossing op sterkte houden met EC en pH.

E26 Chemisch evenwicht

Oplosbaarheid en neerslag als evenwicht, kwantitatief.

HabitatIn de meetkas gaat de voedingsoplossing via de pomp naar de planten: 1,0 g voedingszouten per liter, of 5 mL van een plantenvoeding met 200 g/L per liter water, dus 120 mL voor 24 L. In opdracht 8.12 werk je een doseerplan uit voor je portfolio, ook voor het bijvullen van het reservoir.

Samenvatting

In het kort

Stofeigenschappen horen bij de stof, niet bij het voorwerp: kleur, geur, smeltpunt, kookpunt, dichtheid, oplosbaarheid, geleiding. Combineer er enkele om een stof te herkennen.
Een zuivere stof bestaat uit één soort deeltjes; een mengsel uit twee of meer. In een mengsel behoudt elke stof haar eigenschappen.
Een homogeen mengsel is overal hetzelfde (oplossing, gasmengsel, legering); in een heterogeen mengsel zie je verschillende delen (suspensie, emulsie, schuim, rook, nevel).
Een oplossing bestaat uit een opgeloste stof in een oplosmiddel. De massa blijft behouden bij het oplossen.
De oplosbaarheid (g per 100 g water) hangt af van de stof en de temperatuur. Een verzadigde oplossing kan niet meer oplossen; afkoelen laat het teveel kristalliseren.
Concentratie is massa opgeloste stof per volume oplossing: $c = m / V$ in g/L. Niet te verwarren met dichtheid.
Legeringen (brons, messing, staal), lucht (78 % stikstof, 21 % zuurstof) en zeewater (± 35 g zout per liter) zijn mengsels.
Een zuivere stof smelt, stolt en kookt bij één temperatuur (vlak stuk in de curve); een mengsel over een temperatuurgebied.

Begrippen

Wat je nu kent

stofeigenschap: Eigenschap die bij een stof hoort, los van de grootte of vorm van het voorwerp: smeltpunt, kookpunt, dichtheid, kleur, oplosbaarheid, geleiding.
zuivere stof: Stof die uit één soort deeltjes bestaat; ze heeft een vast smeltpunt en een vast kookpunt.
mengsel: Twee of meer stoffen samen, elk met haar eigen deeltjes; een mengsel smelt en kookt over een temperatuurgebied.
homogeen mengsel: Mengsel dat overal hetzelfde is, ook onder een microscoop: een oplossing, een gasmengsel, een legering.
heterogeen mengsel: Mengsel waarin je verschillende delen kan onderscheiden: suspensie, emulsie, schuim, rook, nevel.
oplossing: Homogeen mengsel van een opgeloste stof in een oplosmiddel, bv. suiker in water.
oplosbaarheid: De grootste massa van een stof die oplost in 100 g oplosmiddel bij een bepaalde temperatuur.
verzadigde oplossing: Oplossing waarin niet meer van de stof kan oplossen; extra stof blijft als bezinksel liggen.
concentratie: Massa opgeloste stof per volume oplossing: $c = m / V$ , meestal in g/L.
legering: Mengsel van een metaal met andere metalen of met koolstof, zoals brons, messing en staal.
emulsie: Heterogeen mengsel van druppeltjes van een vloeistof in een andere vloeistof, zoals melk of mayonaise.
suspensie: Heterogeen mengsel van vaste deeltjes die in een vloeistof zweven, zoals modderwater.

Aan de slag in het werkboek15 opdrachten, van oefenen tot uitdagen