IIntermediate · deel I4 · Chemie en materialen

Handboek · hoofdstuk 14Reacties en stoichiometrie

Atomen tellen door te wegen: van de gesloten kolf van Lavoisier tot de CO₂ van een liter benzine

Bij een chemische reactie verdwijnen er geen atomen en komen er geen bij: ze worden alleen anders gebonden. Daarom kan je een reactie in een kloppende vergelijking schrijven, en daarom kan je ermee rekenen. Omdat atomen te klein zijn om te tellen, tel je ze door te wegen: met de mol. Zo bereken je hoeveel zuurstof een gasvlam verbruikt, waarom een liter benzine meer dan twee kilogram koolstofdioxide oplevert, en voor Habitat hoeveel CO₂ de slaplanten van de kweekruimte opnemen, en waar die vandaan moet komen.

9× uitleg7× uitgewerkt voorbeeld2× proef1× naslag1× verhaal1× het geheel1× code15 opdrachten in het werkboek± 10 lestijden

MMaterie en chemie WWiskundig modelleren

Methaan en zuurstof worden koolstofdioxide en water: de druppeltjes op de koude lepel zijn reactieproduct.

Na dit hoofdstuk

Je kan een reactievergelijking kloppend maken en het verschil tussen coëfficiënt en index uitleggen.
Je kan de wet van behoud van massa toepassen en verklaren met het deeltjesmodel.
Je kan de molaire massa van een stof berekenen, ook met haakjes en kristalwater.
Je kan omrekenen tussen massa, hoeveelheid stof (mol), aantal deeltjes en het volume van een gas.
Je kan met een kloppende vergelijking de massa of het volume van een reactieproduct of een beginstof berekenen.
Je kan berekenen hoeveel koolstofdioxide ontstaat bij het verbranden van een brandstof, en volledige en onvolledige verbranding onderscheiden.
Je kan exotherme en endotherme reacties herkennen en in een energiediagram voorstellen.
Je kan berekenen hoeveel CO2 de planten van de kweekruimte nodig hebben, en bronnen en ventilatie beoordelen.

Uitleg · 14.1

Wat je al weet, en wat nu komt

1/22

In F8 zag je het verschil tussen een mengsel en een reactie: als je zout oplost, blijft het zout bestaan; als je hout verbrandt, ontstaan nieuwe stoffen. In hoofdstuk 12 en 13 leerde je welke atomen er bestaan en hoe ze aan elkaar vastzitten. Nu breng je het samen: bij een reactie breken bindingen en vormen zich nieuwe, en je gaat er precies mee rekenen.

wat je al weet	waar	wat er nu bij komt
bij een mengsel blijven de stoffen bestaan; bij een reactie ontstaan nieuwe stoffen	F8	reacties in formules schrijven
fotosynthese: koolstofdioxide + water → suiker + zuurstof	F27	dezelfde reactie, kloppend en met getallen
atoommassa's in u	hoofdstuk 12	de mol: van atomen tellen naar grammen wegen
formules van zouten en moleculen	hoofdstuk 13	molaire massa's berekenen
energie in joule, energie blijft behouden	F15, hoofdstuk 9	energie die vrijkomt of opgenomen wordt bij een reactie
koolstofdioxide en het klimaat	F17	hoeveel CO₂ er uit een liter brandstof komt

In dit hoofdstuk

schrijf je reacties als kloppende vergelijkingen, en toon je aan dat de massa behouden blijft;
leer je de mol kennen, de eenheid waarmee chemici atomen tellen door te wegen;
reken je met reacties: hoeveel gram, hoeveel liter gas;
bereken je hoeveel CO₂ er uit een liter benzine of diesel komt;
onderscheid je reacties die warmte afgeven en reacties die warmte opnemen;
reken je voor Habitat uit hoeveel CO₂ de planten van de kweekruimte nodig hebben.

Brandende staalwol wordt zwaarder: het ijzer bindt zuurstof uit de lucht. Een reactie, geen verdwijntruc.

Verhaal · 14.2

Lavoisier en de gesloten kolf

2/22

Wie in de achttiende eeuw een stuk metaal lang verhitte, zag het dof worden en een beetje zwaarder. Maar hout dat verbrandde, werd lichter. De meeste chemici verklaarden dat met een onzichtbare stof, het flogiston, dat bij het branden zou ontsnappen.

De Fransman Antoine Lavoisier geloofde alleen wat hij kon wegen. Hij liet de nauwkeurigste balansen van zijn tijd bouwen en deed zijn proeven in gesloten glazen vaten. In 1774 verhitte hij tin in een dichtgesmolten glazen kolf. Het tin werd grijs, maar de kolf met alles erin woog na afloop precies evenveel als ervoor. Pas toen hij de kolf opende, stroomde er lucht naar binnen en werd het geheel zwaarder. Het metaal had dus iets uit de lucht opgenomen. Dat bestanddeel van de lucht, dat Joseph Priestley en Carl Scheele kort voordien apart gemaakt hadden, noemde Lavoisier in 1777 oxygène: zuurstof. Branden en roesten zijn reacties met zuurstof; flogiston bestond niet.

In 1783 toonde hij dat water geen element is maar een verbinding van waterstof (dat hij zo noemde: 'watermaker') en zuurstof. In zijn leerboek van 1789 schreef hij de regel op die sindsdien de basis is van alle scheikunde: bij een reactie gaat geen massa verloren en komt er geen bij. Zijn vrouw, Marie-Anne Paulze Lavoisier, werkte mee in het labo, hield de metingen bij en tekende de dertien platen met toestellen in dat boek.

Lavoisier was ook belastingpachter voor de koning. Tijdens de Franse Revolutie werd hij daarvoor veroordeeld, en op 8 mei 1794 onthoofd.

Waarom 'gesloten' het verschil maakte

Robert Boyle had al een eeuw eerder metalen in een afgesloten vat verhit, maar hij opende het vat vóór het wegen. Hij zag de massa stijgen en dacht dat vuurdeeltjes door het glas waren gedrongen. Eén detail in de werkwijze, het wegen van het hele gesloten systeem, maakte het verschil tussen een foute en een juiste verklaring.

Balansen, gesloten kolven en veel geduld: het gereedschap waarmee Lavoisier de scheikunde tot een meetwetenschap maakte.

Uitleg · 14.3

Wat gebeurt er bij een reactie?

3/22

Bij een chemische reactie verdwijnen stoffen, de beginstoffen, en ontstaan er nieuwe, de reactieproducten, met andere eigenschappen. Je herkent een reactie vaak aan een gas dat ontstaat, een kleur die verandert, een vaste stof die neerslaat, warmte of licht die vrijkomt. Op het niveau van de deeltjes gebeurt er telkens hetzelfde: bindingen breken en nieuwe bindingen vormen zich. De atomen zelf blijven bestaan; ze worden alleen anders gegroepeerd.

Waterstof en zuurstof reageren tot water. Als woordvergelijking: waterstof + zuurstof → water. Met formules, en met de aggregatietoestand erbij (s: vast, l: vloeibaar, g: gas, aq: opgelost in water):

waterstof en zuurstof reageren tot water

2 H_{2} (g) + O_{2} (g) ⟶ 2 H_{2} O (l)

Links van de pijl de beginstoffen, rechts de reactieproducten. Het getal vóór een formule is de coëfficiënt: twee moleculen waterstof en één molecule zuurstof geven twee moleculen water.

Omdat er geen atomen verloren gaan, staan links en rechts van de pijl evenveel atomen van elke soort: 4 H en 2 O. Dat is de wet van behoud van massa van Lavoisier, gezien vanuit de atomen: elk atoom heeft zijn eigen massa, dus als alle atomen blijven, blijft ook de totale massa.

Twee waterstofmoleculen en een zuurstofmolecule worden twee watermoleculen: tel de bolletjes links en rechts.

Uitleg · 14.4

Reactievergelijkingen kloppend maken

4/22

Een reactievergelijking klopt als er links en rechts evenveel atomen van elke soort staan. Je maakt ze kloppend door coëfficiënten (de getallen vóór de formules) te kiezen. De indices (de kleine getallen in de formules) blijf je van af: die bepalen welke stof het is.

Een werkwijze die bijna altijd lukt:

Schrijf de juiste formules van alle beginstoffen en producten.
Begin met het element dat in de ingewikkeldste formule zit, en maak het in orde met een coëfficiënt.
Doe daarna de andere elementen. Elementen die als enkelvoudige stof voorkomen (O₂, H₂, Fe), en meestal ook H en O, spaar je voor het laatst: die kan je nog aanpassen zonder de rest te storen.
Kom je op een breuk uit (bijvoorbeeld 7/2 O₂), vermenigvuldig dan alle coëfficiënten met de noemer.
Controleer: tel elk element links en rechts, en kijk of de coëfficiënten niet nog te vereenvoudigen zijn.

Een index veranderen om het kloppend te maken

Van H₂O maken H₂O₂, omdat je rechts een zuurstofatoom tekortkomt? Dan schrijf je een andere stof op: waterstofperoxide, een bleekmiddel. De formule ligt vast; alleen het aantal moleculen (de coëfficiënt) kan je kiezen.

De coëfficiënt telt moleculen, de index telt atomen in één molecule.

Uitgewerkt voorbeeld · 14.5

Drie vergelijkingen kloppend maken

5/22

Maak kloppend: (a) de verbranding van methaan (aardgas), (b) het roesten van ijzer tot ijzer(III)oxide, (c) de verbranding van octaan C₈H₁₈, een bestanddeel van benzine.

Gegeven

$C H_{4} + O_{2} ⟶ C O_{2} + H_{2} O$
$Fe + O_{2} ⟶ F e_{2} O_{3}$
$C_{8} H_{18} + O_{2} ⟶ C O_{2} + H_{2} O$

Gevraagd

de coëfficiënten

Oplossing

1
(a) C: 1 links, 1 rechts: in orde. H: 4 links, dus 2 H₂O rechts. O: rechts nu $2 + 2 = 4$ , dus 2 O₂ links. $C H_{4} + 2 O_{2} ⟶ C O_{2} + 2 H_{2} O$ .
2
(b) O: 2 links, 3 rechts. Het kleinste gemene veelvoud is 6: 3 O₂ en 2 Fe₂O₃. Nu staan er rechts 4 Fe, dus 4 Fe links. $4 Fe + 3 O_{2} ⟶ 2 F e_{2} O_{3}$ .
3
(c) C: 8 CO₂. H: 18 H, dus 9 H₂O. O rechts: $8 \cdot 2 + 9 = 25$ atomen, dus $25/2$ O₂ links. Een breuk: alles maal 2. $2 C_{8} H_{18} + 25 O_{2} ⟶ 16 C O_{2} + 18 H_{2} O$ .

Antwoord

C H_{4} + 2 O_{2} ⟶ C O_{2} + 2 H_{2} O

;

4 Fe + 3 O_{2} ⟶ 2 F e_{2} O_{3}

;

2 C_{8} H_{18} + 25 O_{2} ⟶ 16 C O_{2} + 18 H_{2} O

Klopt dit? Tel bij (c): links 16 C, 36 H, 50 O; rechts 16 C, 36 H, 32 + 18 = 50 O. Klopt. Merk op hoeveel zuurstof een brandstof als octaan nodig heeft: 12,5 moleculen per molecule octaan.

Proef · 14.6

Blijft de massa behouden als er een gas ontstaat?

6/22

Onderzoeksvraag

Bakpoeder en azijn bruisen: er ontstaat een gas. Wordt het geheel daardoor lichter? En wat als je de reactie in een gesloten fles laat verlopen?

Materiaal

PET-fles van 1,5 L met dop
50 mL azijn (5 %)
1,00 g natriumwaterstofcarbonaat (bakpoeder) in een klein reageerbuisje
weegschaal tot op 0,01 g
veiligheidsbril

VeiligheidVeiligheidsbril. Gebruik niet meer dan 1 g bakpoeder in een gesloten fles van 1,5 L: dan stijgt de druk maar met ongeveer 0,2 bar. Nooit in een glazen fles, nooit met meer poeder. Open de dop langzaam, met de opening van je weg.

Zolang de dop dicht is, weegt de weegschaal alle atomen: voor, tijdens en na de reactie.

Werkwijze

1Giet de azijn in de fles. Zet het buisje met bakpoeder rechtop in de fles, zodat het nog niet in de azijn valt.
2Draai de dop dicht. Weeg de fles met alles erin.
3Kantel de fles zodat het bakpoeder in de azijn valt. Wacht tot het bruisen stopt en weeg opnieuw.
4Draai de dop langzaam open. Weeg meteen, en nog eens na 10 minuten (af en toe zacht walsen).

Waarneming

moment	massa (g)
voor de reactie, dop dicht	285,62
na de reactie, dop dicht (fles voelt hard aan)	285,62
meteen na het openen	285,24
10 minuten na het openen	285,13

Voorbeeldmeting. In de gesloten fles verandert de massa niet, op de laatste decimaal na. Na het openen daalt ze met ongeveer een halve gram.

Verklaring

De reactie is $NaHC O_{3} + C H_{3} COOH ⟶ C H_{3} COONa + H_{2} O + C O_{2}$ . In de gesloten fles blijven alle atomen binnen: de massa blijft gelijk, ook al is er een gas ontstaan. Het gas duwt wel tegen de wand: de fles wordt hard. Open je de fles, dan ontsnapt de koolstofdioxide en daalt de massa. Uit 1,00 g bakpoeder ontstaat 0,52 g koolstofdioxide (dat reken je verderop in dit hoofdstuk zelf uit). Na tien minuten is er 0,49 g weg: een klein deel van het gas blijft opgelost in de vloeistof of hangt nog in de fles, want koolstofdioxide is zwaarder dan lucht.

De fles wordt hard, de weegschaal blijft staan.

Uitleg · 14.7

De mol: atomen tellen door te wegen

7/22

In de vergelijking $C H_{4} + 2 O_{2} ⟶ C O_{2} + 2 H_{2} O$ reageert één molecule methaan met twee moleculen zuurstof. Maar hoeveel gram zuurstof heb je nodig voor een gram methaan? Moleculen kan je niet tellen: een druppel water bevat er al ongeveer $2 \cdot 1 0^{21}$ . Wel kan je wegen, zoals een bank munten niet telt maar weegt.

Chemici spraken daarom een 'pakje' af met een vast, gigantisch aantal deeltjes: de mol. Eén mol bevat precies

de constante van Avogadro

N_{A} = 6, 02214076 \cdot 1 0^{23} mo l^{- 1}

Sinds 2019 is dit getal exact vastgelegd: het definieert de mol. Het is zo gekozen dat 1 mol koolstof-12-atomen (vrijwel precies) 12 g weegt.

Het slimme aan dat getal: de massa van één mol van een stof in gram is dezelfde als de massa van één deeltje in u (hoofdstuk 12). Een koolstofatoom weegt gemiddeld 12,011 u, dus één mol koolstof weegt 12,011 g. Een watermolecule weegt $2 \cdot 1, 008 + 15, 999 = 18, 015 u$ , dus één mol water weegt 18,015 g, een slokje van 18 mL. Die massa per mol heet de molaire massa $M$ , in g/mol.

hoeveelheid stof

n = \frac{m}{M} N = n \cdot N_{A}

n

de hoeveelheid stof in mol,

m

de massa in g,

M

de molaire massa in g/mol,

N

het aantal deeltjes.

Het schema hieronder vat alle omrekeningen van dit hoofdstuk samen. De mol staat in het midden: wie met reacties rekent, rekent altijd via de mol.

Een gevoel voor de mol

Een mol zandkorrels van 0,3 mm zou heel België bedekken onder een laag van ongeveer een halve kilometer. Een mol watermoleculen is maar 18 mL: een slokje. Zo klein zijn moleculen.

Gram ↔ mol met de molaire massa M, mol ↔ deeltjes met de constante van Avogadro, mol ↔ liter gas met het molair volume.

Uitgewerkt voorbeeld · 14.8

Molaire massa's berekenen

8/22

Bereken de molaire massa van koolstofdioxide CO₂, glucose C₆H₁₂O₆ en calciumnitraat-tetrahydraat Ca(NO₃)₂·4H₂O, het calciumzout van de voedingsoplossing.

Gegeven

atoommassa's: H 1,008; C 12,011; N 14,007; O 15,999; Ca 40,078 (u, of g/mol)

Gevraagd

$M$ in g/mol

Oplossing

1
Tel de atomen in de formule en tel hun atoommassa's op. CO₂: $12, 011 + 2 \cdot 15, 999 = 44, 009 g/mol$ .
2
C₆H₁₂O₆: $6 \cdot 12, 011 + 12 \cdot 1, 008 + 6 \cdot 15, 999 = 72, 066 + 12, 096 + 95, 994 = 180, 156 g/mol$ .
3
Haakjes: (NO₃)₂ betekent 2 N en 6 O. Het kristalwater 4H₂O telt mee: 8 H en 4 O. Samen: 1 Ca, 2 N, 10 O, 8 H.
4
$40, 078 + 2 \cdot 14, 007 + 10 \cdot 15, 999 + 8 \cdot 1, 008 = 40, 078 + 28, 014 + 159, 99 + 8, 064 = 236, 15 g/mol$ .

Antwoord

M (C O_{2}) = 44, 01 g/mol

;

M (C_{6} H_{12} O_{6}) = 180, 16 g/mol

;

M (Ca (N O_{3})_{2} \cdot 4 H_{2} O) = 236, 15 g/mol

Klopt dit? Zonder kristalwater zou calciumnitraat 164,09 g/mol wegen. Wie het kristalwater vergeet, rekent met een verkeerde molaire massa en doseert 30 % te weinig calcium. Op het etiket van een meststof staat daarom altijd welke vorm het is.

Uitgewerkt voorbeeld · 14.9

Van gram naar mol naar deeltjes

9/22

(a) Hoeveel mol en hoeveel moleculen water zitten er in een glas van 250 g? (b) Een theelepel keukenzout weegt ongeveer 6,0 g. Hoeveel mol NaCl is dat, en hoeveel natriumionen?

Gegeven

$m (H_{2} O) = 250 g$ , $M = 18, 015 g/mol$
$m (NaCl) = 6, 0 g$ , $M = 22, 990 + 35, 45 = 58, 44 g/mol$
$N_{A} = 6, 022 \cdot 1 0^{23} mo l^{- 1}$

Gevraagd

$n$ en $N$

Oplossing

1
(a) $n = \frac{m}{M} = \frac{250 g}{18 , 015 g/mol} = 13, 88 mol$ .
2
$N = n \cdot N_{A} = 13, 88 \cdot 6, 022 \cdot 1 0^{23} = 8, 36 \cdot 1 0^{24}$ moleculen.
3
(b) $n = \frac{6 , 0}{58 , 44} = 0, 103 mol$ NaCl. Elke 'formule-eenheid' NaCl bevat één Na⁺, dus $0, 103 mol$ natriumionen: $0, 103 \cdot 6, 022 \cdot 1 0^{23} = 6, 2 \cdot 1 0^{22}$ ionen, en evenveel chloride-ionen.

Antwoord

(a) 13,9 mol,

8, 4 \cdot 1 0^{24}

watermoleculen; (b) 0,103 mol NaCl,

6, 2 \cdot 1 0^{22}

natriumionen.

Klopt dit? Snelle schatting: 18 g water is 1 mol, dus 250 g is ongeveer 250/18 ≈ 14 mol. De eenheden kloppen: g gedeeld door g/mol geeft mol; mol maal 1/mol geeft een aantal.

Code · 14.10

Python: een molaire-massarekenaar

10/22

Molaire massa's uitrekenen is telwerk, en telwerk laat je aan een computer over. Het moeilijkste is de formule lezen: een element is een hoofdletter met soms een kleine letter erachter (Ca, Cl), een getal erna is het aantal, en haakjes vermenigvuldigen alles ertussen. De functie tel_atomen leest de formule teken per teken en houdt voor elk niveau van haakjes een woordenboek bij, op een stapel. Kristalwater schrijf je met een sterretje: MgSO4*7H2O.

Pythonmolmassa.py53 regelsDownload

# molmassa.py - molaire massa uit een formule, ook met haakjes en kristalwaterATOOMMASSA = {"H": 1.008, "C": 12.011, "N": 14.007, "O": 15.999, "Na": 22.990, "Mg": 24.305,              "P": 30.974, "S": 32.06, "Cl": 35.45, "K": 39.098, "Ca": 40.078, "Fe": 55.845, "Cu": 63.546}  def lees_getal(tekst, i):    """Leest een getal vanaf positie i. Staat er geen getal, dan is het 1."""    j = i    while j < len(tekst) and tekst[j].isdigit():        j += 1    getal = int(tekst[i:j]) if j > i else 1    return getal, j  def tel_atomen(formule):    """Ca(NO3)2 -> {'Ca': 1, 'N': 2, 'O': 6}"""    stapel = [{}]                             # een woordenboek per niveau van haakjes    i = 0    while i < len(formule):        teken = formule[i]        if teken == "(":            stapel.append({})            i += 1        elif teken == ")":            getal, i = lees_getal(formule, i + 1)            groep = stapel.pop()            for el, aantal in groep.items():                stapel[-1][el] = stapel[-1].get(el, 0) + aantal * getal        else:                                 # element: een hoofdletter, soms gevolgd door een kleine letter            el = teken            i += 1            if i < len(formule) and formule[i].islower():                el += formule[i]                i += 1            getal, i = lees_getal(formule, i)            stapel[-1][el] = stapel[-1].get(el, 0) + getal    return stapel[0]  def molaire_massa(formule):    """Molaire massa in g/mol. Kristalwater mag met een sterretje: MgSO4*7H2O."""    totaal = 0.0    for stuk in formule.replace("·", "*").split("*"):        factor, i = lees_getal(stuk, 0)            # de 7 in 7H2O        for el, aantal in tel_atomen(stuk[i:]).items():            totaal += factor * aantal * ATOOMMASSA[el]    return totaal  if __name__ == "__main__":    for f in ["H2O", "CO2", "C6H12O6", "C8H18", "NaHCO3", "Ca(NO3)2", "Ca(NO3)2*4H2O",              "MgSO4*7H2O", "KH2PO4", "(NH4)2SO4"]:        print(f"{f:15s} {molaire_massa(f):8.2f} g/mol")

Uitvoer (gedraaid bij het bouwen van deze pagina):

H2O                18.02 g/mol
CO2                44.01 g/mol
C6H12O6           180.16 g/mol
C8H18             114.23 g/mol
NaHCO3             84.01 g/mol
Ca(NO3)2          164.09 g/mol
Ca(NO3)2*4H2O     236.15 g/mol
MgSO4*7H2O        246.47 g/mol
KH2PO4            136.08 g/mol
(NH4)2SO4         132.13 g/mol

Deze pagina rekent zelf ook met die functie: de tabel met molaire massa's in het overzicht, de CO₂ per kilogram brandstof en de grafieken van dit hoofdstuk komen er allemaal uit. In opdracht 14.10 breid je het programma uit met het massapercentage van elk element.

Uitleg · 14.11

Rekenen met reacties: de molverhouding

11/22

De coëfficiënten van een kloppende vergelijking zeggen in welke verhouding deeltjes reageren. Omdat een mol altijd hetzelfde aantal deeltjes bevat, is dat meteen ook de verhouding in mol: de molverhouding. In $C H_{4} + 2 O_{2} ⟶ C O_{2} + 2 H_{2} O$ reageert 1 mol methaan met 2 mol zuurstof tot 1 mol koolstofdioxide en 2 mol water. In gram is die verhouding niet 1 : 2 : 1 : 2, want elke stof heeft een andere molaire massa. Daarom reken je altijd via de mol, in vier stappen:

Schrijf de kloppende reactievergelijking.
Reken het gegeven om naar mol: $n = m / M$ (of voor een gas $n = V / V_{m}$ ).
Gebruik de molverhouding om het aantal mol van de gevraagde stof te vinden.
Reken dat om naar wat gevraagd is: $m = n \cdot M$ (of $V = n \cdot V_{m}$ ).

Een overzichtelijke manier om dat op te schrijven, is een rekentabel onder de vergelijking, met per stof de coëfficiënt, het aantal mol, de molaire massa en de massa (volgend blad). Dit rekenen met hoeveelheden bij reacties heet stoichiometrie, van het Griekse stoicheion, 'bestanddeel', en metron, 'maat'.

Als er van één beginstof te veel is

Beginstoffen zijn zelden precies in de juiste verhouding aanwezig. De stof die als eerste op is, heet de beperkende stof: zij bepaalt hoeveel product er ontstaat, de rest blijft over. Bij de fles met bakpoeder was er azijn genoeg voor 3,5 g bakpoeder: het bakpoeder (1,00 g) was beperkend. Reken dus eerst uit welke stof op raakt (opdracht 14.13).

Stap 3 is het hart van elke berekening: de molverhouding komt uit de coëfficiënten.

Uitgewerkt voorbeeld · 14.12

Hoeveel zuurstof verbruikt een gasvlam?

12/22

Een gasbrander verbrandt 16,0 g methaan volledig. Hoeveel gram zuurstof verbruikt hij, en hoeveel gram koolstofdioxide en water ontstaat er?

Gegeven

$m (C H_{4}) = 16, 0 g$
$C H_{4} + 2 O_{2} ⟶ C O_{2} + 2 H_{2} O$

Gevraagd

$m (O_{2})$ , $m (C O_{2})$ , $m (H_{2} O)$

Oplossing

1
Stap 1: de vergelijking is kloppend. Molverhouding 1 : 2 : 1 : 2.
2
Stap 2: $n (C H_{4}) = 16, 0/16, 04 = 0, 997 mol$ .
3
Stap 3: $n (O_{2}) = 2 \cdot 0, 997 = 1, 995 mol$ ; $n (C O_{2}) = 0, 997 mol$ ; $n (H_{2} O) = 1, 995 mol$ .
4
Stap 4: $m (O_{2}) = 1, 995 \cdot 32, 00 = 63, 8 g$ ; $m (C O_{2}) = 0, 997 \cdot 44, 01 = 43, 9 g$ ; $m (H_{2} O) = 1, 995 \cdot 18, 02 = 35, 9 g$ . In een rekentabel:
CH₄ O₂ CO₂ H₂O
coëfficiënt 1 2 1 2
n (mol) 0,997 1,995 0,997 1,995
M (g/mol) 16,04 32,00 44,01 18,02
m (g) 16,0 63,8 43,9 35,9

Antwoord

De vlam verbruikt 63,8 g zuurstof en maakt 43,9 g koolstofdioxide en 35,9 g water.

Klopt dit? Massabehoud: links

16, 0 + 63, 8 = 79, 8 g

, rechts

43, 9 + 35, 9 = 79, 8 g

. Klopt. De vlam verbruikt vier keer zoveel zuurstof als brandstof: een gasvuur in een kleine, slecht verluchte ruimte maakt de lucht snel arm aan zuurstof.

Uitleg · 14.13

Gassen: het molair volume

13/22

Gassen hebben een eigenaardigheid die vaste stoffen en vloeistoffen niet hebben. In 1811 stelde Amedeo Avogadro dat gelijke volumes van gassen, bij dezelfde temperatuur en druk, evenveel deeltjes bevatten, welk gas het ook is. In een gas zitten de deeltjes zo ver uit elkaar (F6) dat hun eigen grootte er niet toe doet: alleen hun aantal telt. Eén mol van elk gas neemt dus hetzelfde volume in: het molair volume $V_{m}$ .

molair volume bij 1013 hPa

n = \frac{V}{V _{m}} V_{m} = 22, 4 L/mol (0^{\circ} C) 24, 1 L/mol (20^{\circ} C) 24, 5 L/mol (25^{\circ} C)

Warmere gassen zetten uit:

V_{m}

is recht evenredig met de absolute temperatuur (in kelvin). Bij een lagere druk is

V_{m}

groter. Hoe je dat precies berekent, zie je in hoofdstuk E14 (de ideale gaswet).

In dit hoofdstuk rekenen we bij kamertemperatuur (20 °C) met 24,1 L/mol, of afgerond 24 L/mol. Eén mol koolstofdioxide (44 g) en één mol waterstof (2 g) nemen allebei ongeveer 24 L in; daarom is koolstofdioxide 22 keer zo zwaar als waterstof, per liter.

Alleen voor gassen

Een mol vloeibaar water is 18 mL, een mol ijzer 7 mL. Het molair volume geldt alleen voor gassen, en je moet er altijd de temperatuur bij zeggen.

Hoe warmer, hoe meer ruimte een mol gas inneemt: van 22,4 L bij 0 °C tot 24,5 L bij 25 °C.

Uitgewerkt voorbeeld · 14.14

Hoeveel gas uit een gram bakpoeder?

14/22

In de proef met de gesloten fles reageerde 1,00 g natriumwaterstofcarbonaat volledig met azijn. Hoeveel gram en hoeveel liter koolstofdioxide ontstond er bij 20 °C? Met hoeveel procent stijgt de druk in de fles, die 1,45 L lucht bevatte?

Gegeven

$m (NaHC O_{3}) = 1, 00 g$ , $M = 84, 01 g/mol$
$NaHC O_{3} + C H_{3} COOH ⟶ C H_{3} COONa + H_{2} O + C O_{2}$
$V_{m} = 24, 1 L/mol$ bij 20 °C

Gevraagd

$m (C O_{2})$ en $V (C O_{2})$
de drukstijging

Oplossing

1
$n (NaHC O_{3}) = 1, 00/84, 01 = 0, 0119 mol$ . Molverhouding 1 : 1, dus $n (C O_{2}) = 0, 0119 mol$ .
2
$m = 0, 0119 \cdot 44, 01 = 0, 524 g$ ; $V = 0, 0119 \cdot 24, 1 = 0, 286 L$ (bij de gewone luchtdruk).
3
In de gesloten fles kan het gas niet uitzetten. In dezelfde ruimte zitten nu $0, 286/1, 45 = 20 %$ meer deeltjes, die dus 20 % vaker tegen de wand botsen (F6): de druk stijgt met ongeveer 20 %, van 1,0 tot 1,2 bar.

Antwoord

0,524 g koolstofdioxide, 0,29 L bij 20 °C; in de gesloten fles stijgt de druk met ongeveer 0,2 bar.

Klopt dit? De gemeten massadaling na tien minuten (0,49 g) ligt net onder de berekende 0,52 g: niet al het gas was al ontsnapt. Met 5 g bakpoeder (en azijn genoeg) zou de druk op ongeveer 2 bar komen: daarom de veiligheidsregel bij de proef.

Uitleg · 14.15

Verbranding

15/22

Een verbranding is een reactie van een stof met zuurstof waarbij veel energie vrijkomt, als warmte en licht. Brandstoffen als aardgas, benzine, diesel, hout en kaarsvet bestaan vooral uit koolstof en waterstof. Bij een volledige verbranding, met zuurstof genoeg, wordt alle koolstof koolstofdioxide en alle waterstof water:

volledige verbranding van propaan (campinggas)

C_{3} H_{8} + 5 O_{2} ⟶ 3 C O_{2} + 4 H_{2} O

Is er te weinig zuurstof, dan verloopt de verbranding onvolledig. Dan ontstaat ook koolstofmonoxide CO, en zelfs zuivere koolstof: roet. Een gasvlam met genoeg lucht brandt blauw; een vlam met te weinig lucht wordt geel en walmt.

onvolledige verbranding van methaan

2 C H_{4} + 3 O_{2} ⟶ 2 CO + 4 H_{2} O

Koolstofmonoxide: geurloos en dodelijk

CO bindt zich ongeveer tweehonderd keer sterker aan het hemoglobine in je bloed dan zuurstof, en verdringt zo de zuurstof. Je ruikt het niet en je ziet het niet. Een slecht afgestelde geiser of kachel in een slecht verluchte ruimte kan dodelijk zijn: in België komen er elk jaar mensen om. Daarom hangt er naast elk verbrandingstoestel een CO-melder, en brandt in Habitat niets in een afgesloten ruimte.

Waarom meer CO₂ dan brandstof? Elk koolstofatoom (12 u) haalt twee zuurstofatomen (samen 32 u) uit de lucht en wordt een molecule CO₂ van 44 u: 3,67 keer zo zwaar. Een brandstof die voor 84 % uit koolstof bestaat, zoals octaan, levert zo meer dan drie kilogram CO₂ per kilogram. Waterstof bevat geen koolstof: bij zijn verbranding ontstaat alleen water. Ethanol bevat al zuurstof en levert minder CO₂ per kilogram, maar ook minder energie.

Berekend uit de formules met de molaire-massarekenaar van dit hoofdstuk, bij volledige verbranding.

Uitgewerkt voorbeeld · 14.16

Hoeveel CO₂ uit een liter benzine en een liter diesel?

16/22

Een auto verbruikt benzine. Hoeveel kilogram koolstofdioxide komt er vrij als hij één liter verbrandt? Benzine is een mengsel van vele koolwaterstoffen; reken met octaan C₈H₁₈ als model, met de dichtheid van benzine: 0,745 kg/L. Doe hetzelfde voor diesel, met cetaan C₁₆H₃₄ als model en 0,835 kg/L. Vergelijk met de officiële omrekenfactoren, ongeveer 2,3 kg/L voor benzine en 2,6 kg/L voor diesel.

Op schaal: de liter benzine (kubus van 10 cm) wordt een kubus CO₂ van meer dan een meter.

Gegeven

benzine: $ρ = 0, 745 kg/L$ , model C₈H₁₈, $M = 114, 23 g/mol$
diesel: $ρ = 0, 835 kg/L$ , model C₁₆H₃₄, $M = 226, 45 g/mol$
$M (C O_{2}) = 44, 01 g/mol$

Gevraagd

$m (C O_{2})$ per liter

Oplossing

1
Stap 1: $2 C_{8} H_{18} + 25 O_{2} ⟶ 16 C O_{2} + 18 H_{2} O$ . Molverhouding octaan : CO₂ = 2 : 16 = 1 : 8.
2
Stap 2: een liter benzine weegt 745 g: $n (C_{8} H_{18}) = 745/114, 23 = 6, 52 mol$ .
3
Stap 3: $n (C O_{2}) = 8 \cdot 6, 52 = 52, 2 mol$ .
4
Stap 4: $m (C O_{2}) = 52, 2 \cdot 44, 01 = 2296 g = 2, 30 kg$ . Als gas bij 20 °C: $52, 2 \cdot 24, 1 = 1255 L$ .
5
Diesel: $2 C_{16} H_{34} + 49 O_{2} ⟶ 32 C O_{2} + 34 H_{2} O$ , verhouding 1 : 16. $n = 835/226, 45 = 3, 69 mol$ ; $n (C O_{2}) = 59, 0 mol$ ; $m = 59, 0 \cdot 44, 01 = 2597 g = 2, 60 kg$ .

Antwoord

Eén liter benzine levert ongeveer 2,30 kg CO₂ (1,26 m³ gas), één liter diesel ongeveer 2,60 kg. Dat klopt met de officiële waarden van 2,3 en 2,6 kg per liter.

Klopt dit? Een liter diesel geeft meer CO₂ dan een liter benzine, vooral omdat diesel dichter is: per kilogram brandstof zijn ze bijna gelijk (3,08 en 3,11 kg). Echte diesel bevat ook moleculen met relatief meer koolstof (ringen): met de gemiddelde formule C₁₂H₂₃ vind je 2,64 kg/L. Om één liter benzine te verbranden, is er 2,61 kg zuurstof nodig, uit 9,4 m³ lucht. Een auto die 5,5 L per 100 km verbruikt, stoot

5, 5 \cdot 2, 30 = 12, 6 kg

per 100 km uit: 126 g per kilometer.

Uitleg · 14.17

Exotherm en endotherm

17/22

Bij elke reactie verandert er ook energie van vorm. Om een binding te breken, moet je energie toevoegen; als er een binding ontstaat, komt er energie vrij. Wat overblijft, bepaalt of de reactie warmte afgeeft of opneemt.

Bij een exotherme reactie komt er meer energie vrij bij het vormen van de nieuwe bindingen dan het breken van de oude kostte. De omgeving wordt warmer. Voorbeelden: elke verbranding, roesten (handwarmers met ijzerpoeder), de celademhaling in je lichaam. Eén mol methaan (16 g) geeft bij verbranding 890 kJ, genoeg om 2,7 L water van 20 °C aan de kook te brengen.
Bij een endotherme reactie is het omgekeerd: ze neemt energie op uit de omgeving, als warmte of als licht. Voorbeelden: fotosynthese (de energie komt van het licht), het ontbinden van kalk in een kalkoven, en de reactie van citroenzuur met bakpoeder, die merkbaar afkoelt.

fotosynthese: endotherm

6 C O_{2} + 6 H_{2} O ⟶ C_{6} H_{12} O_{6} + 6 O_{2} + 2803 kJ per mol glucose

Dezelfde hoeveelheid energie komt vrij als de plant (of wie haar opeet) de glucose weer verbrandt, bij de celademhaling.

Waarom brandt papier niet vanzelf, als verbranding toch energie oplevert? Omdat eerst enkele bindingen moeten breken voor de nieuwe zich kunnen vormen. Die drempel heet de activeringsenergie. Een lucifer levert ze; daarna houdt de vrijgekomen warmte de reactie zelf op gang. Hoe temperatuur en katalysatoren die drempel beïnvloeden, zie je in hoofdstuk 34 (enzymen) en E25.

Links liggen de producten lager dan de beginstoffen: energie komt vrij. Rechts hoger: energie wordt opgenomen. Beide moeten eerst over de heuvel.

Proef · 14.18

Warm of koud?

18/22

Onderzoeksvraag

Welke van twee reacties geeft warmte af aan het water rondom, en welke neemt er warmte uit op?

Materiaal

twee plastic bekers in een isolerende houder (piepschuim)
thermometer of temperatuursensor met datalogger
A: 50 mL water, 10 g citroenzuur, 10 g natriumwaterstofcarbonaat (bakpoeder)
B: 50 mL waterstofperoxide 3 % (apotheek), een koffielepel droge gist
roerstaafje, veiligheidsbril

VeiligheidVeiligheidsbril. Citroenzuur irriteert de ogen (GHS07). Waterstofperoxide niet in de ogen of op de huid; beker B schuimt sterk: gebruik een grote beker en zet hem in een schaal.

Citroenzuur draagt het uitroepteken: bril op.

Werkwijze

1Meet de begintemperatuur van het water in beker A. Los het citroenzuur op, voeg het bakpoeder toe en roer. Noteer de laagste temperatuur.
2Meet de begintemperatuur van het waterstofperoxide in beker B. Voeg de gist toe en roer. Noteer de hoogste temperatuur.
3Houd in beker B een gloeiende houtspaander net boven het schuim.

Waarneming

	begin (°C)	uiterste (°C)	verschil	verder
A: citroenzuur + bakpoeder	20,5	9,8	−10,7 °C	bruist
B: waterstofperoxide + gist	20,4	31,6	+11,2 °C	schuimt, de spaander vlamt op

Voorbeeldmeting.

Verklaring

Reactie A neemt energie op uit het water: ze is endotherm, en het water koelt af. De bubbels zijn koolstofdioxide, zoals bij de fles met azijn. In B ontbindt waterstofperoxide: $2 H_{2} O_{2} ⟶ 2 H_{2} O + O_{2}$ . Die reactie is exotherm. Zonder gist verloopt ze heel traag; de gist bevat een enzym, katalase, dat de reactie versnelt zonder zelf verbruikt te worden (hoofdstuk 34). Dat het gas zuurstof is, bewijst de gloeiende spaander die weer opvlamt.

Links wordt het koud, rechts warm, en de zuurstof uit het schuim laat de spaander opvlammen.

Uitgewerkt voorbeeld · 14.19

Habitat: hoeveel CO₂ eet een slaplant?

19/22

In de kweekruimte van de klimaatmodule groeien 48 kroppen sla in 35 dagen tot een krop van ongeveer 200 g. Sla is voor 95 % water; met de wortels erbij houdt een plant ongeveer 12 g droge stof over. Neem als model voor die droge stof (CH₂O)n: de bouwsteen van suiker, zetmeel en cellulose. Hoeveel koolstofdioxide heeft één krop opgenomen, hoeveel zuurstof gaf ze af, en hoeveel CO₂ nemen de 48 kroppen samen op per uur licht (16 uur per dag)?

Gegeven

droge stof $12 g$ per krop, model CH₂O, $M = 30, 03 g/mol$
fotosynthese per bouwsteen: $C O_{2} + H_{2} O ⟶ C H_{2} O + O_{2}$
48 kroppen, 35 dagen, 16 uur licht per dag; $V_{m} = 24, 1 L/mol$

Gevraagd

$m (C O_{2})$ en $m (O_{2})$ per krop
CO₂ per uur voor de hele teelt

Oplossing

1
$n (C H_{2} O) = 12/30, 03 = 0, 400 mol$ . Molverhouding 1 : 1, dus 0,400 mol CO₂ opgenomen en 0,400 mol O₂ afgegeven.
2
$m (C O_{2}) = 0, 400 \cdot 44, 01 = 17, 6 g$ , of $0, 400 \cdot 24, 1 = 9, 6 L$ gas. $m (O_{2}) = 0, 400 \cdot 32, 00 = 12, 8 g$ .
3
Voor 48 kroppen: $48 \cdot 17, 6 = 844 g$ CO₂ per teelt, gemiddeld $844/35 = 24, 1 g$ per dag.
4
De planten nemen alleen CO₂ op als het licht brandt: $24, 1/16 = 1, 51 g$ per uur, of $1, 51/44, 01 \cdot 24, 1 = 0, 82 L$ CO₂ per uur.

Antwoord

Eén krop sla neemt ongeveer 17,6 g CO₂ op (9,6 L) en geeft 12,8 g zuurstof af. De hele teelt vraagt gemiddeld 1,5 g CO₂ per lichtuur.

Klopt dit? Koolstofcontrole: 17,6 g CO₂ bevat

17, 6 \cdot 12, 01/44, 01 = 4, 8 g

koolstof, en droge plantenstof bestaat inderdaad voor ongeveer 40 % uit koolstof (

0, 40 \cdot 12 = 4, 8 g

). Het is een gemiddelde: jonge plantjes nemen weinig op, grote kroppen in de laatste week veel meer.

Uitleg · 14.20

Habitat: waar haalt de kweekruimte haar CO₂?

20/22

De kweekruimte van de klimaatmodule is binnen 2,40 m × 2,00 m × 2,40 m: 11,5 m³ lucht. Buitenlucht bevat vandaag ongeveer 425 ppm koolstofdioxide (0,0425 %). In de kweekruimte zit dus $11, 5 \cdot 1000 \cdot 425 \cdot 1 0^{- 6} = 4, 9 L$ CO₂, of 9,0 g. De planten nemen 0,82 L per uur op: de concentratie daalt met ongeveer 72 ppm per uur. Zonder verse lucht zakt ze in drie uur tot 200 ppm, en dan valt de groei sterk terug. Een gesloten kweekruimte houdt het dus maar een paar uur vol.

Ventilatie. Wordt er 11 m³ buitenlucht per uur doorgeblazen (ongeveer één keer de ruimte per uur), dan brengt elke kubieke meter die binnenkomt met 425 ppm en buitengaat met 350 ppm $1000 \cdot 75 \cdot 1 0^{- 6} = 0, 075 L$ CO₂ mee: samen 0,82 L per uur, precies wat de planten opnemen. De concentratie zakt dan niet verder dan 350 ppm (grafiek).

Andere bronnen.

De bewoners. Een volwassene ademt ongeveer 1 kg CO₂ per dag uit, 42 g per uur: veertig keer wat de hele teelt opneemt. De lucht uit de leefruimte door de kweekruimte leiden, is dus een goed idee. Maar in een afgesloten kweekruimte van 11,5 m³ laat één persoon de concentratie met bijna 2000 ppm per uur stijgen; boven ongeveer 1000 ppm voelt lucht bedompt en daalt de concentratie van wie er werkt.
Compost en gisting. Bij het afbreken van plantenresten (hoofdstuk 35) en bij gisting van suiker ontstaat CO₂ (opdracht 14.14).
Verbranding. Glastuinbouwers verbranden aardgas in een warmtekrachtkoppeling en blazen de gezuiverde rookgassen in hun serre; in Nederland brengt een pijpleiding CO₂ van een raffinaderij en een bio-ethanolfabriek naar honderden serres. In Habitat verbrandt niets in een gesloten ruimte (koolstofmonoxide).
Een fles CO₂. Tuinders verrijken tot 800 à 1000 ppm, omdat planten dan sneller groeien. De kweekruimte eenmaal van 425 naar 800 ppm brengen kost 4,3 L (7,9 g); een fles van 2 kg volstaat bij 24 g per dag voor ongeveer 80 dagen. Maar met ventilatie waait die extra CO₂ weer naar buiten.

Zuurstof: de rekening klopt niet

De 48 kroppen geven samen 614 g zuurstof af per teelt, 17,5 g per dag. Een mens ademt ongeveer 0,84 kg zuurstof per dag in: de hele teelt levert dus maar 2 % van wat één bewoner nodig heeft. Een station dat zijn lucht met planten wil vernieuwen, heeft tientallen vierkante meter gewassen per bewoner nodig, of een algenreactor (hoofdstuk E31).

Model: 48 planten nemen 1,5 g CO₂ per uur op. Dicht: lineair naar 200 ppm in drie uur. Geventileerd: exponentieel naar 350 ppm.

Een CO 2 -sensor en een ventilator: meer is er niet nodig om de planten genoeg CO 2 te geven. — Een CO₂-sensor en een ventilator: meer is er niet nodig om de planten genoeg CO₂ te geven.

Naslag · 14.21

Overzicht: reacties en stoichiometrie

21/22

massa en hoeveelheid stof

n = \frac{m}{M}

symbool	betekenis	eenheid
$n$	hoeveelheid stof	mol
$m$	massa	g
$M$	molaire massa	g/mol

aantal deeltjes

N = n \cdot N_{A} N_{A} = 6, 022 \cdot 1 0^{23} mo l^{- 1}

symbool	betekenis	eenheid
$N$	aantal deeltjes	–
$N_{A}$	constante van Avogadro	mol⁻¹

gassen

V = n \cdot V_{m} V_{m} = 24, 1 L/mol (20^{\circ} C, 1013 hPa)

symbool	betekenis	eenheid
$V$	volume van het gas	L
$V_{m}$	molair volume	L/mol

molverhouding bij a A + b B → …

\frac{n _{A}}{a} = \frac{n _{B}}{b}

symbool	betekenis	eenheid
$a, b$	coëfficiënten in de kloppende vergelijking	–

stof	formule	M (g/mol)
water	H₂O	18,02
zuurstof	O₂	32,00
koolstofdioxide	CO₂	44,01
methaan	CH₄	16,04
propaan	C₃H₈	44,10
octaan	C₈H₁₈	114,23
glucose	C₆H₁₂O₆	180,16
ethanol	C₂H₅OH	46,07
natriumchloride	NaCl	58,44
natriumwaterstofcarbonaat	NaHCO₃	84,01
calciumcarbonaat	CaCO₃	100,09
azijnzuur	CH₃COOH	60,05
kaliumnitraat	KNO₃	101,10
calciumnitraat-tetrahydraat	Ca(NO₃)₂·4H₂O	236,15
magnesiumsulfaat-heptahydraat	MgSO₄·7H₂O	246,47
kaliumdiwaterstoffosfaat	KH₂PO₄	136,08

brandstof (model)	dichtheid	CO₂ per kg	CO₂ per liter
benzine (octaan C₈H₁₈)	0,745 kg/L	3,08 kg	2,30 kg (1,26 m³)
diesel (cetaan C₁₆H₃₄)	0,835 kg/L	3,11 kg	2,60 kg
aardgas (methaan CH₄)	0,67 kg/m³ (20 °C)	2,74 kg	1,83 kg per m³

Habitat: rekenwaarden uit dit hoofdstuk
kweekruimte	2,40 × 2,00 × 2,40 m binnen: 11,5 m³ lucht, 9,0 g CO₂ bij 425 ppm
slaplant	200 g vers, 12 g droge stof; neemt 17,6 g CO₂ op, geeft 12,8 g O₂ af
teelt van 48 kroppen (35 dagen)	844 g CO₂: 24 g per dag, 1,5 g (0,82 L) per lichtuur
zonder ventilatie	−72 ppm per uur: 200 ppm na ongeveer 3 uur
ventilatie	11 m³/h (ongeveer één keer per uur) houdt 350 ppm
een bewoner	ademt ± 1 kg CO₂ per dag uit, ademt ± 0,84 kg O₂ in

Het geheel · 14.22

Waar reacties en de mol terugkomen

22/22

De mol is het gereedschap waarmee je in alle verdere chemie rekent: concentraties in mol per liter (zuren en basen), lading per mol (batterijen), energie per mol (thermochemie). Verbranding en fotosynthese verbinden de chemie met energie, klimaat en leven: de koolstof die een plant uit de lucht haalt, gaat terug de lucht in als iemand haar opeet of verbrandt.

F8 Zuivere stoffen en mengsels

Mengsel of reactie; massabehoud bij oplossen.

F17 Energie uit zon, wind en water

Fossiele brandstoffen en CO₂: hier in kilogram per liter.

F27 Planten: fotosynthese en groei

De woordvergelijking van fotosynthese wordt een kloppende vergelijking met getallen.

I12 Atomen en het periodiek systeem

Atoommassa's in u: de basis van de molaire massa.

I13 Chemische bindingen en stofeigenschappen

Formules van zouten en moleculen; bindingen die breken en ontstaan.

I15 Zuren, basen en pH

Concentraties in mol per liter, neutralisatie en titratie.

I16 Redox en batterijen

Verbranding en roesten als elektronenoverdracht; lading per mol.

I18 Warmte berekenen

De warmte van een reactie opvangen en meten (calorimetrie).

I34 Enzymen en stofwisseling

Fotosynthese en celademhaling als reactievergelijking; enzymen als katalysator.

I38 Duurzaam ontwerpen

CO₂-equivalenten van een product berekenen.

E14 Gassen en de gaswetten

De ideale gaswet: het molair volume bij elke temperatuur en druk.

E25 Thermochemie en reactiesnelheid

Reactie-enthalpie, activeringsenergie en reactiesnelheid, kwantitatief.

E31 Bioprocestechniek

Een algenreactor die CO₂ omzet in zuurstof, met massabalansen.

HabitatVoor Habitat leggen we vast: de kweekruimte van de klimaatmodule is binnen 2,40 × 2,00 × 2,40 m (11,5 m³). Een teelt van 48 kroppen sla neemt 844 g CO₂ op in 35 dagen, gemiddeld 1,5 g per lichtuur. Zonder ventilatie zakt de CO₂ in drie uur van 425 naar 200 ppm; een ventilatie van 11 m³/h houdt 350 ppm. De uitgeademde lucht van de bewoners (± 1 kg CO₂ per persoon per dag) is een bron om te benutten. In opdracht 14.12 ontwerp je de CO₂-voorziening; in hoofdstuk 19 blijkt wat die ventilatie in de winter aan warmte kost.

Samenvatting

In het kort

Bij een chemische reactie breken bindingen en vormen zich nieuwe; de atomen blijven. Daarom klopt een reactievergelijking: links en rechts evenveel atomen van elke soort.
Je maakt een vergelijking kloppend met coëfficiënten, nooit door indices te veranderen.
Wet van behoud van massa (Lavoisier): in een gesloten systeem blijft de massa gelijk, ook als er een gas ontstaat.
Een mol is $6, 022 \cdot 1 0^{23}$ deeltjes. De molaire massa $M$ (g/mol) is de som van de atoommassa's in de formule. $n = m / M$ .
Rekenen met een reactie: kloppende vergelijking, gegeven naar mol, molverhouding, mol naar het gevraagde. De beperkende stof bepaalt hoeveel product er ontstaat.
Eén mol van elk gas neemt bij 1013 hPa 22,4 L in bij 0 °C en 24,1 L bij 20 °C: $V = n \cdot V_{m}$ .
Volledige verbranding van koolwaterstoffen geeft CO₂ en water; onvolledige ook het giftige CO. Een liter benzine levert ongeveer 2,3 kg CO₂, een liter diesel 2,6 kg.
Exotherme reacties geven energie af (verbranding), endotherme nemen energie op (fotosynthese). Elke reactie moet eerst over een drempel: de activeringsenergie.
De 48 slaplanten van de kweekruimte nemen 1,5 g CO₂ per lichtuur op; zonder ventilatie is de CO₂ in 3 uur grotendeels op.

Begrippen

Wat je nu kent

chemische reactie: Een proces waarbij stoffen verdwijnen en nieuwe stoffen ontstaan: de atomen worden anders gebonden.
reactievergelijking: De reactie in formules, met evenveel atomen van elke soort links en rechts van de pijl.
coëfficiënt: Het getal vóór een formule in een reactievergelijking: hoeveel deeltjes (of mol) van die stof.
wet van behoud van massa: Bij een reactie in een gesloten systeem is de massa van de producten gelijk aan die van de beginstoffen.
mol: Hoeveelheid stof met precies $6, 02214076 \cdot 1 0^{23}$ deeltjes (de constante van Avogadro $N_{A}$ ).
molaire massa: De massa van één mol van een stof, in g/mol; getalsmatig gelijk aan de molecuul- of formulemassa in u.
molverhouding: De verhouding waarin stoffen reageren en ontstaan, af te lezen uit de coëfficiënten.
beperkende stof: De beginstof die als eerste op is en daardoor bepaalt hoeveel product er ontstaat.
molair volume: Het volume van één mol gas: bij 1013 hPa 22,4 L bij 0 °C en 24,1 L bij 20 °C.
verbranding: Reactie van een stof met zuurstof waarbij energie vrijkomt; van koolwaterstoffen ontstaan CO₂ en water.
exotherme reactie: Reactie waarbij energie vrijkomt naar de omgeving, meestal als warmte.
endotherme reactie: Reactie die energie opneemt uit de omgeving (warmte, licht).
activeringsenergie: De energie die nodig is om een reactie op gang te brengen.
ppm: Parts per million: deeltjes per miljoen. 425 ppm CO₂ betekent 425 CO₂-moleculen per miljoen deeltjes lucht (0,0425 %).

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

	CH₄	O₂	CO₂	H₂O
coëfficiënt	1	2	1	2
n (mol)	0,997	1,995	0,997	1,995
M (g/mol)	16,04	32,00	44,01	18,02
m (g)	16,0	63,8	43,9	35,9