Experimenteren
Mengsels
Scheidings methoden
Atomen en moleculen
antwoorden
antwoorden
antwoorden
antwoorden
oefentoets
oefentoets
oefentoets
oefentoets
Zouten
...
...
...
antwoorden
antwoorden
antwoorden
antwoorden
oefentoets
oefentoets
oefentoets
oefentoets

Hoofdstuk 4
Atomen en Moleculen

§1 Het periodiek systeem
§2 Metalen
§3 Moleculaire stoffen
§4 Naamgeving
§5 Koolwaterstoffen
§6 Het milieu



§1     Het periodiek systeem

In dit hoofdstuk gaan we kijken naar de verschillende stoffen waar de wereld uit bestaat. Het blijkt dat de wereld bestaat uit 118 verschillende atomen. Deze atomen kunnen gecombineerd worden tot zogenaamde metaalroosters, moleculen en zouten. Metaalroosters en moleculen bespreken we in dit hoofdstuk en zouten in het volgende hoofdstuk. In deze paragraaf beginnen we met het bestuderen van atomen.

De wereld bestaat uit miljoenen soorten stoffen, maar al deze stoffen blijken te bestaan uit een combinatie van slechts 118 soorten kleine bolvormige deeltjes die we atomen noemen. Elk van de 118 atoomsoorten heeft een naam en een symbool. Dit symbool bestaat uit een hoofdletter en in sommige gevallen ook een kleine letter (zie de onderstaande afbeelding). Een stof die alleen uit één soort atomen bestaat noemen we een element.

In de 19de eeuw zijn door de wetenschapper Dmitri Mendelejev de atoomsoorten op rij gezet van de lichtste tot de zwaarste. Hij ontdekte toen dat de eigenschappen van de stoffen zich in een vast patroon herhaalden. Bijvoorbeeld, atoom nummer 2 is niet reactief, atoom nummer 3 juist wel en 4 iets minder. Dit herhaalde zich bij atoom 10 (niet reactief), atoom 11 (reactief) en atoom 12 (iets minder reactief). Mendelejev kwam toen op het briljante idee om de stoffen met gelijke eigenschappen onder elkaar te noteren. Het resultaat is de bovenstaande tabel, genaamd het periodiek systeem der elementen.

We lezen dit systeem van links naar rechts en dan rij voor rij naar beneden. De (horizontale) rijen worden ook we periodes genoemd en de (vertikale) kolommen worden groepen genoemd. Deze groepen en kolommen zijn hierboven genummerd. Je kan een soortgelijke tabel in BINAS vinden.

De atomen kunnen in drie groepen worden verdeeld. De atoomsoorten die hieronder in grijs zijn weergegeven noemen we metalen. De atoomsoorten die blauw zijn weergegeven noemen we niet-metalen. De atomen in de witte vlakjes worden metalloïden genoemd en zitten qua eigenschappen tussen metalen en niet-metalen in.

De volgende atoomsoorten en de bijbehorende symbolen moet je uit je hoofd kennen:

Metaalatomen Niet-metaalatomen
Natrium Na Waterstof H
Kalium K Koolstof C
Magnesium Mg Stikstof N
Calcium Ca Fosfor P
Barium Ba Zuurstof O
Chroom Cr Zwavel S
IJzer Fe Fluor F
Nikkel Ni Chloor Cl
Platinum Pt Broom Br
Koper Cu Jood I
Zilver Ag Helium He
Goud Au Neon Ne
Zink Zn Argon Ar
Cadmium Cd
Kwik Hg
Aluminium Al
Tin Sn Metalloïde
Lood Pb Silicium Si


         Leerdoelen:
  • Zorg dat je de groep en de periode van een element uit het periodiek systeem kan achterhalen met BINAS. En zorg dat je weet dat de elementen rij voor rij in volgorde staan van het lichtste tot het zwaarste element.
  • Zorg dat je kan achterhalen welke elementen metalen, niet-metalen en metalloïden zijn.
  • Zorg dat je de namen en symbolen kent van de atoomsoorten uit de tabel in de paragraaf.

         Opdrachten
  1. Leer de elementen herkennen met het volgende programma. Ga net zolang door tot je alles goed hebt.
  2. (3p) Laat met behulp van het periodiek systeem zien of de volgende stoffen metalen, metalloïden of niet-metalen zijn: Mg, S, Xe, Tc, Mn, Si, V, As.
  3. (1p) In welke groep en in welke periode van het periodiek systeem staat natrium?
  4. (1p) Welk van de volgende elementen staan in dezelfde periode: goud, zilver, koper, zink.
  5. (1p) Noem de eerste drie atoomsoorten van groep 18. Gebruik de volledige naam en het symbool.
  6. (1p) Welke atoomsoort is zwaarder: magnesium of koolstof. Leg je antwoord uit.

 

§2     Metalen

In deze paragraaf bestuderen we een aantal eigenschappen van metalen.

Metalen zijn te herkennen aan de volgende stofeigenschappen:

Daarnaast is het ook waar dat de meeste metalen grijs zijn, maar zeker niet allemaal. Goud is bijvoorbeeld geel en koper is oranje (zie de linker onderstaande afbeelding). Het metaal kwik is ook een uitzondering, omdat het vloeibaar is bij kamertemperatuur (zie de rechter afbeelding).


(Afbeelding: images-of-elements.com; CC BY-SA 3.0; Marmall4; CC BY 3.0)

Je kunt kwik tegenwoordig niet meer kopen, omdat het erg giftig is. We moeten het daarom dus even doen met het volgende filmpje:

DEMO

In de onderstaande afbeelding zijn de metalen in het periodiek systeem in het grijs aangegeven.

De metalen in de eerste linker twee kolommen van het periodiek systeem worden de zeer onedele metalen genoemd. Deze metalen zijn extreem reactief. De stoffen in de eerste kolom reageren bijvoorbeeld heftig met water en zuurstof. Een voorbeeld is het metaal natrium. In de linker onderstaande afbeelding zien we een explosie die ontstaat als je natrium in water gooit.

De metalen in de tweede kolom reageren iets minder heftig, maar als ze worden verwarmd, reageren ze behoorlijk met zuurstof. Rechtsonder zien we bijvoorbeeld een foto van de verbranding van magnesium. Deze chemische reactie zorgt voor een fel wit licht.

DEMO

De stoffen zilver (Ag), goud (Au) en platina (Pt) worden edele metalen genoemd. Deze metalen reageren niet of nauwelijks met andere stoffen.


(Afbeelding: Alchemist-hp; CC BY-SA 3.0 / Alchemist-hp; CC BY-SA 3.0 / Robert Lavinsky; CC BY 3.0)

De overige metalen noemen we de onedele metalen. Deze metalen reageren ook met zuurstof, maar deze reacties verlopen erg langzaam. We noemen de reactie tussen metalen zuurstof ook wel oxidatie of corrosie. Alleen bij het oxideren van ijzer spreken we ook wel van roesten. Dankzij oxidatie komen zowel zeer onedele als onedele metalen zo goed als nooit in elementaire vorm tegen in de natuur. Na verloop van tijd zijn al deze metalen immers allemaal geoxideerd.

Een nadeel van de corrosie van ijzer is dat roest erg broos is en zuurstof daardoor gemakkelijk bij het ijzer komt onder de roestlaag, waardoor het verder blijft roesten (zie de linker onderstaande afbeelding). Er zijn ook metalen die meer corrosiebestendig zijn. Dit komt doordat ze een dun en hard oxidelaagje vormen dat het metaal eronder beschermd tegen verdere corrosie. Bij het oxideren van koper ontstaat koperoxide, ook wel patina genoemd. Patina is lichtgroen. Het Vrijheidsbeeld is hier bijvoorbeeld van gemaakt (zie de middelste afbeelding). Bij chroom ontstaat een dun doorzichtig laagje chroomoxide. Doordat dit laagje doorzichtig is, blijft het glimmende metaal eronder goed zichtbaar. Dit is de reden dat bijvoorbeeld ijzeren kranen vaak met een laagje chroom worden bedekt (zie de rechter afbeelding). Dit wordt verchromen genoemd. Een andere manier om ijzer te beschermen tegen corrosie is door het te bedekken met een laagje zink. Dit wordt galvaniseren genoemd. Maar je kan het ijzer natuurlijk ook gewoon verven.


(Afbeelding: Dudva; CC BY-SA 4.0 / Matthew Bowden; www.digitallyrefreshing.com; PD )

Als we metaalatomen samenbrengen in vaste vorm, dan ordenen ze zich meestal in een regelmatig patroon dat een metaalrooster wordt genoemd (zie de onderstaande afbeelding).

Een zuiver metaal bestaat slechts uit één atoomsoort en als gevolg passen de atomen netjes naast elkaar in het metaalrooster. Het gevolg hiervan is dat de atomen in deze roosters gemakkelijk langs elkaar kunnen worden geschoven (zie de linker onderstaande afbeelding). Zuivere metalen zijn hierdoor buigbaar. Een mengsel van een metaal en een andere stof noemen we een legering. Doordat verschillende soorten atomen verschillende groottes hebben, verbreekt de legering de perfecte ordening van het rooster (zie de middelste twee afbeeldingen). Als gevolg hiervan zijn legeringen een stuk sterker. Een bekend voorbeeld van een legering is staal. Dit bestaat uit ijzer gemengd met een beetje koolstof. Staal wordt bijvoorbeeld gebruikt voor de kabels die een brug omhoog houden (zie de rechter afbeelding).

Een aantal veelvoorkomende legeringen kan je in BINAS vinden. Hier kan je lezen dat de legering brons een combinatie van koper en tin is, messing een combinatie van koper en zink en soldeer een combinatie van tin en lood.



         Leerdoelen:
  • Zorg dat je de verschillen in reactiviteit kent tussen edele, onedele en zeer onedele metalen.
  • Zorg dat je weet dat de metalen in de eerste twee kolommen in het periodiek systeem zeer onedele metalen zijn en dat zilver, goud en platina edele metalen zijn.
  • Zorg dat je weet wat corrosie en oxidatie is. De corrosie van ijzer heet ook wel roesten. .
  • Zorg dat je weet dat je onedele metalen als ijzer kan beschermen tegen oxidatie door het te bedekken met bijvoorbeeld een laagje chroom, zink of verf. .
  • Zorg dat je weet dat metalen uit metaalatomen bestaan die in vaste vorm zich ordenen in een metaalrooster.
  • Zorg dat je kan uitleggen waarom legeringen sterker zijn dan zuivere metalen en dat je de samenstelling van verschillende legeringen kan vinden in BINAS.

         Opdrachten
  1. (1p) Noem drie eigenschappen van metalen.
  2. (3p) Noem drie zeer onedele, drie onedele en drie edele metalen.
  3. (1p) Maak een tekening van vast aluminium op atomair niveau.
  4. (2p) Leg met het periodiek systeem uit of calcium sterk reageert met zuurstof als de stof flink wordt verwarmd. Doe hetzelfde voor de stof lood.
  5. (2p) Goud komt in de natuur in zuivere vorm voor. IJzer echter niet. Leg uit hoe dit komt.
  6. Een kraan is gemaakt van staal. Het staal is geverfd om het tegen corrosie te beschermen.
    1. (1p) Wat is corrosie?
    2. (1p) Noteer nog een manier om staal tegen roesten te beschermen.
  7. (1p) Chroom is een duur metaal. Toch worden metalen voorwerpen in de badkamer omhult door een laagje chroom. Bedenk waarom dit gedaan wordt.
  8. (1p) Trouwringen bestaan meestal voor een groot deel uit goud. Zuiver goud is echter niet geschikt voor sieraden. Bedenk waarom dit zo is.
  9. (2p) Brons is een legering van 85% koper en 15% tin. Koper is een zuivere stof / mengsel en zit daarom in een geordend rooster / vervormd rooster. De atomen zijn hierdoor gemakkelijk / lastig langs elkaar te schuiven. Brons is een zuivere stof / mengsel en zit daarom in een geordend rooster / vervormd rooster. De atomen zijn hierdoor gemakkelijk / lastig langs elkaar te schuiven.
  10. (1p) De 'bronzen medailles' van de Olympische Spelen 2020 zijn niet werkelijk gemaakt van brons. Ze zijn gemaakt van koper en zink. Geef de naam van de legering waaruit deze medailles zijn samengesteld. Maak gebruik van Binas.
  11. (1p) Vliegtuigen moeten sterk en licht zijn. Daarom worden grote delen van vliegtuigen gemaakt uit een legering met aluminium, koper en magnesium. Geef de naam van deze aluminiumlegering.
  12. (1p) Staal bevat behalve ijzer en koolstof nog een andere stof. Geef de naam van deze stof.

 

§3     Moleculaire stoffen

In deze paragraaf bestuderen we een aantal eigenschappen van niet-metalen. Ook gaan we leren dat niet-metalen combineren tot moleculen.

Als we niet-metaalatomen samenbrengen, dan groeperen ze zich meestal in vaste combinaties die we moleculen noemen. In de middelste onderstaande afbeelding zien we bijvoorbeeld twee watermoleculen. Moleculen beschrijven we met behulp van een molecuulformule. De molecuulformule van een watermolecuul is H2O, omdat het uit twee waterstofatomen (H2) en één zuurstofatoom (O) bestaat. De "2" in H2O noemen we een index (meervoud indices).

Het soort molecuul bepaalt met welk soort stof we te maken hebben. Neem bijvoorbeeld de onderste twee moleculen. Links zien we water (H2O) en rechts zien we waterstofperoxidemolecuul (H2O2). Waterstofperoxide bevat slechts één zuurstofatoom meer dan water, maar toch is het een geheel andere stof. Waterstofperoxide wordt bijvoorbeeld gebruikt voor het blonderen van haar!

Bron: S. Nova (glas water)

Ook de fase van een stof kunnen we weergeven met een molecuulformule. We gebruiken hiervoor de eerste letter van de Engelse woorden "solid" (vaste stof), "liquid" (vloeistof) en "gas" (gas). We schrijven deze letter tussen haakjes achter de molecuulformule (zie de onderstaande afbeelding). We noemen dit ook wel toestandsaanduidingen.

Ook het aantal moleculen kunnen we in de molecuulformule weergeven. Dit doen we door een getal voor de molecuulformule te schrijven. We noemen dit getal de coëfficiënt. In de onderstaande afbeelding zijn bijvoorbeeld 10 watermoleculen in gasfase afgebeeld. Onder de afbeelding zien we de bijbehorende molecuulformule.

In het onderstaande periodiek systeem zijn de niet-metalen in kleur aangegeven.

De niet-metalen in de meest rechtse kolom worden de edelgassen genoemd. De bekendste voorbeelden zijn helium (He), neon (Ne) en argon (Ar). Edelgassen zijn niet reactief. Dit betekent dat ze vrijwel nooit met andere stoffen reageren. Edelgassen kunnen wel gebruikt worden voor neonverlichting. Elk van deze gassen licht namelijk op in een andere kleur wanneer er stroom doorheen loopt (zie de onderstaande afbeelding). Omdat helium een erg kleine dichtheid heeft, wordt deze stof ook gebruikt in heliumballonnen en zeppelins.


(Afbeelding: Pslawinski; CC BY-SA 2.5)

De atomen van edelgassen bewegen allemaal los van elkaar (zie de onderstaande afbeelding). Edelgassen vormen dus geen moleculen.

De niet-metalen in de tweede kolom van rechts in het periodiek systeem worden de halogenen genoemd. De halogenen zijn juist erg reactief en reageren vooral goed met metalen. De bekendste halogenen zijn fluor (F) en chloor (Cl). Dit zijn beide giftige, lichtgele gassen. Zoals je weet wordt fluor gebruikt in tandpasta en wordt chloor gebruikt voor het ontsmetten van zwembadwater. Natuurlijk wordt hier niet elementair fluor en elementair chloor bedoeld, want dat is immers giftig!

Als zuivere stof komen de halogenen in paren voor (dus in groepjes van twee). Dit is goed te zien in de onderstaande afbeelding. Een chloormolecuul heeft dus de molecuulformule Cl2 en bestaat uit twee chlooratomen. Een fluormolecuul heeft de molecuulformule F2 en bestaat uit twee fluoratomen. Etc.

Naast de halogenen komen ook stikstofmoleculen (N2), zuurstofmoleculen (O2) en waterstofmoleculen (H2) in paren voor. Het is belangrijk dat je dit uit je hoofd weet. Zuurstof (O2) en stikstof (N2) zijn beide gassen die in grote hoeveelheden in de lucht voorkomen. De lucht bestaat wel voor 78 %vol uit stikstof en voor 21 %vol uit zuurstof (er zit verder nog 0,9 %vol argon en slechts 0,04 vol% koolstofdioxide in de lucht). Waterstof is de atoomsoort met de kleinste massa en als gevolg werd het vroeger gebruikt in zeppelins. Dit bleek echter niet het beste plan, omdat waterstof ook brandbaar is. In de onderstaande beroemde foto zien we de explosie van de Hindenburg Zeppelin.


(Afbeelding: Sam Shere; PD)

De laatste niet-metalen die we bespreken zijn koolstof, fosfor en zwavel. Koolstof (C) kan voorkomen als roet, maar ook als grafiet en diamant. Grafiet is zwart en voelt vettig aan en wordt gebruikt in potloden. Onder zeer hoge druk en bij zeer hoge temperatuur verandert grafiet in diamant. Diamant is een heldere vaste stof die vaak in sieraden wordt gebruikt. Het is de hardste stof die bestaat.


(Afbeelding: Y.K. Liao; CC BY-SA 4.0 / Dmgerman; CC BY 3.0 / Pixabay; PD)

Zwavel (S) is een vaste gele stof die veel voorkomt in vulkanische gebieden (zie de linker onderstaande afbeelding). Zwavel is brandbaar en wordt bijvoorbeeld gebruikt in de kop van lucifers en in vuurwerk. Van fosfor (P) bestaat zowel een witte als een rode variant (zie de rechter onderstaande afbeeldingen). De witte variant is giftig, brandbaar en erg reactief. Rode fosfor is minder brandbaar en wordt bijvoorbeeld gebruikt op het strijkvlak van luciferdoosjes.


(Afbeelding: Ben Mills; PD / W. Oelen; CC BY 3.0)

         Leerdoelen:
  • Zorg dat je het verschil begrijpt tussen atomen en moleculen. Niet-metaalatomen groeperen zich in vaste combinaties genaamd moleculen.
  • Zorg dat je de molecuulformules kan aflezen en opschrijven inclusief de indices, de coëfficiënten voor de formules en de toestandsaanduidingen (s, l en g).
  • Zorg dat je weet dat de niet-metalen in de rechter kolom van het periodiek systeem de edelgassen zijn en dat de niet-metalen in de tweede kolom van rechts de halogenen zijn.
  • Zorg dat je weet dat de edelgassen niet reactief zijn en als losse atomen voorkomen en dat de halogenen in paren voorkomen, net als stikstof (N2), zuurstof (O2) en waterstof (H2).

         Opdrachten
  1. Leer met het onderstaande programma het verschil tussen atomen, atoomsoorten, moleculen en molecuulsoorten.
  2. (1p) Geef de molecuulformule van water.
  3. (4p) Uit hoeveel atomen bestaat water (H2O), zuurstof (O2), koolstofdioxide (CO2) en methaan (CH4).
  4. (5p) Maak tekeningen van:
    1. 2 H2O
    2. 4 He (g)
    3. 3 O2 (g)
    4. 16 Cu (s)
    5. 9 Sn (s)
  5. (2p) Bereken het aantal atomen van elke atoomsoort in 15 CO2.
  6. (1p) Geef aan uit hoeveel atoomsoorten sucrose (C12H2O11) bestaat.
  7. (2p) Bereken het totaal aantal atomen in vijf suikermoleculen (C12H22O11).
  8. Als suiker (C12H22O11) ontleed wordt, ontstaan koolstof en water.
    1. (1p) Hoeveel koolstofatomen ontstaan er uit één suikermolecuul?
    2. (1p) Hoeveel watermoleculen ontstaan er uit één suikermolecuul?
  9. (2p) Noteer de molecuulformules van de onderste twee moleculen. (grijs = koolstof, blauw = waterstof, rood = zuurstof)

  10. (1p) Welke notatie geeft het verdampen van water weer? Kies uit:
    H2O (g) → H2O (l)
    H2O (l) → H2O (g)
    2 H2O (g) → 2 H2 (l) + O2 (l)
    2 H2O (l) → 2 H2 (g) + O2 (g)
  11. (2p) Leg uit wat het verschil is tussen Cl2 en 2Cl?
  12. (3p) Teken een stikstofmolecuul, een zuurstofmolecuul en een koolstofdioxidemolecuul op atomair niveau. Noteer ook de bijbehorende molecuulformules.
  13. (2p) Teken drie fluormoleculen. Noteer ook de bijbehorende molecuulformule.
  14. (1p) Een ballon is gevuld met helium. Teken zes heliumdeeltjes op atomair niveau. Noteer ook de bijbehorende molecuulformule.
  15. (2p) Teken zes broommoleculen. Noteer ook de bijbehorende molecuulformule.
  16. (1p) In neonverlichting zit neon. Als we door neon een elektrische stroom laten lopen, dan gaat het oplichten. Teken neon op atomair niveau.
  17. (1p) Wat hebben edelgassen en edelmetalen met elkaar gemeen.
  18. (1p) Waarom worden gloeilampen gevuld met argon en niet met lucht?
  19. (2p) Welke twee eigenschappen maakt helium geschikt als vulling van een zeppelin?
  20. (1p) De gassen waterstof en methaan hebben allebei een stofeigenschap waardoor ze niet worden gebruikt in luchtballonnen. Geef deze stofeigenschap.
  21. (2p) Bestaat 1 mg vitamine B6 (C8H11NO3) uit evenveel moleculen als 1 mg vitamine B12 (C63H88N14O14PCo)? En zo niet, welke stof bevat meer moleculen? Leg je antwoord uit.
    (Bron: Examen VMBO-T, 2022-1)

 

§4     Naamgeving

In deze paragraaf gaan we leren molecuulformules in woorden uit te drukken.

Molecuulformules kunnen we ook in woorden noteren. Voor de indices in de molecuulformules gebruiken we de volgende Griekse voorvoegsels:

Voorvoegsels Cijfer
mono- één
di- twee
tri- drie
tetra- vier
penta- vijf

Daarnaast eindigen we de namen op "-ide". Neem bijvoorbeeld N2F4. Dit spreken we uit als distikstoftetrafluoride. Het voorvoegsel mono- wordt altijd weggelaten bij het eerst genoemde atoom. ClF wordt dus niet "monochloormonofluoride", maar chloormonofluoride.

Als het laatste atoom zuurstof (O) is, dan eindigen we de benaming niet op "zuurstofide", maar op -oxide. Denk bijvoorbeeld aan koolstofdioxide (CO2). Als het laatste atoom zwavel (S) is, dan eindigen we de benaming niet op "zwavelide", maar op -sulfide. H2S wordt dus diwaterstofmonosulfide, terwijl we SO2 gewoon uitspreken als zwaveldioxide. Op soortgelijke manier noteren we fosfor als fosfide en broom als bromide.

De hierboven besproken naamgeving noemen we de rationele naamgeving. Slechts weinig mensen zullen echter voor water de naam diwaterstofmono-oxide gebruiken. In plaats daarvan gebruiken we gewoon de naam "water". Dit noemen we de triviale naam van de stof. Hieronder vind je een aantal triviale namen die je uit het hoofd moet weten:

Triviale naam Chemische formule
Water H2O
Waterstofperoxide H2O2
Ammoniak NH3
Alcohol C6H12O
Glucose C6H12O6




         Leerdoelen:
  • Zorg dat je molecuulformules in woorden kan uitschrijven met behulp van de Griekse voorvoegsels. Herinner ook dat de benamingen van moleculen eindigen op "-ide", dat het voorvoegsel "mono" aan het begin van de naam wordt weggelaten en dat zuurstof aan het eind van een naam als "oxide" wordt uitgesproken, zwavel als "sulfide" en fosfor als "fosfide".
  • Zorg dat je het verschil kent tussen rationele en triviale namen en dat je de triviale namen uit de tabel in de paragraaf uit je hoofd kent.

         Opdrachten
  1. (4p) Geef de molecuulformule van:
    1. koolstofmonoxide
    2. koolstofdioxide
    3. zwaveldichloride
    4. diwaterstofmonosulfide
  2. (7p) Geef de rationele naam van de volgende verbindingen:
    1. H2O
    2. SO2
    3. SO3
    4. N2O3
    5. H2S
    6. SCl2
    7. SF4
  3. (5p) Geef de triviale namen van de volgende verbindingen:
    1. H2O2
    2. NH3
    3. diwaterstofmonoxide
    4. C6H12O
    5. C6H12O6
    1. Leer met het onderstaande programma hoe je de molecuulformule van verschillende stoffen schrijft:
    2. Leer met het onderstaande programma hoe je de molecuulformule van verschillende stoffen in woorden uitdrukt:

 

§5     Koolwaterstoffen

In deze paragraaf bestuderen we moleculen genaamd koolwaterstoffen. Dit zijn stoffen die uit koolstof en waterstof bestaan.

Moleculen die uit koolstof- en waterstofatomen bestaan noemen we koolwaterstoffen. Voor koolwaterstoffen gebruiken we een aparte naamgeving. Hieronder zien we de acht simpelste koolwaterstoffen. Methaan, ethaan, propaan en butaan zijn brandbare gassen. Methaan wordt in het dagelijks leven ook wel aardgas genoemd. Als we de gassen propaan en butaan genoeg onder druk zetten, dan worden deze gassen vloeibaar. In vloeibare vorm kunnen ze gemakkelijker vervoerd worden. We noemen dit LPG. Pentaan, hexaan, heptaan en octaan zijn bij kamertemperatuur vloeibare brandstoffen. Alleen methaan en de bijbehorende molecuulformule moet je uit je hoofd kennen.

Als het aantal koolstofatomen in de keten toeneemt, dan vinden we op een gegeven moment benzine en diesel (veelgebruikt brandstoffen voor auto's), kerosine (een brandstof voor vliegtuigen), stookolie (voor schepen) en uiteindelijk ook kaarsvet, verschillende cosmetica waaronder vaseline, bepaalde medicijnen, kunststof en zelfs asfalt. In de laatste twee gevallen bestaan de ketens uit wel duizenden koolstofatomen.

Deze stoffen kunnen allemaal worden gewonnen uit een fossiele brandstof genaamd ruwe aardolie. Ruwe aardolie is een mengsel van duizenden verschillende koolwaterstoffen. In een olieraffinaderij worden deze stoffen met behulp van destillatie opgesplitst in verschillende fracties. Er wordt hiervoor een destillatietoren gebruikt (zie de onderstaande afbeelding).

De temperatuur in de destillatietoren neemt af met de hoogte en zo kunnen op verschillende hoogten verschillende moleculen worden verzameld en afgetapt. Zoals je kan zien zijn de lichtste moleculen aardgas en de zwaarste moleculen zijn asfalt.

Ook bestaat een proces genaamd kraken. Hiermee kunnen langere koolwaterstoffen worden opgesplitst in kleinere stukjes. Zo kan je bijvoorbeeld benzine maken van stookolie.

In de destillatietoren zien we ook de stof nafta. Hiermee kunnen kunststoffen worden vervaardigd (in het dagelijks leven ook wel plastics genoemd). De nafta wordt eerst met behulp van kraken opgedeeld in kleine moleculen die we monomeren noemen. Deze monomeren kunnen dan aan elkaar gekoppeld worden tot een keten van duizenden koolstofatomen (zie de onderstaande afbeelding). De gevormde ketens noemen we polymeren en het maken van polymeren noemen we polymerisatie.

Er bestaan veel verschillende soorten kunststoffen. Denk bijvoorbeeld aan polyetheen (voor o.a. plastic tassen), PVC, oftewel polyvinylchloride (voor o.a. plastic buizen), PET, oftewel Polyethyleentereftalaat (voor o.a. frisdrankflessen), en piepschuim, oftewel polystyreen (voor o.a. isolatiemateriaal). Het is niet nodig de namen van deze kunststoffen uit je hoofd te kennen. Merk wel op dat al deze stoffen het voorvoegsel "poly" bevatten. Dit betekent "veel" en wordt gebruikt omdat kunststoffen polymeren zijn die uit een keten van heel veel monomeren bestaat.

Kunststoffen worden soms onderverdeeld in thermoharders en thermoplasten. Thermoplasten worden zacht als ze verwarmd worden. Als gevolg zijn deze kunststoffen gemakkelijk in een andere vorm de gieten of te persen. Ook zijn deze plastics gemakkelijk te recyclen. Thermoharders, daarentegen, zijn moeilijk te vervormen en daardoor lastiger te recyclen.

Een groot voordeel van kunststoffen is dat ze goedkoop te produceren zijn en om nauwelijks worden aangetast door lucht en water (wat wel het geval is bij bijvoorbeeld ijzer en hout). Ook zijn kunststoffen slechte geleiders van elektrische stroom en warmte, waardoor het ook geschikte materialen zijn voor isolatie. De nadelen van kunststoffen zijn met name voor het milieu. Het duurt jaren voordat kunststoffen in de natuur afbreken en bij de verbranding ervan kunnen giftige stoffen vrijkomen.

         Leerdoelen:
  • Zorg dat je weet dat koolwaterstoffen uit alleen koolstof- en waterstofatomen bestaan en zorg dat je de koolwaterstof methaan (CH4) uit je hoofd kent.
  • Zorg dat je begrijpt hoe de fossiele brandstof ruwe aardolie door middel van een destillatietoren wordt gescheiden in een heel aantal nuttige producten zoals benzine, kerosine, diesel, kaarsvet, cosmetica (o.a. vaseline), sommige medicijnen, kunststof en asfalt.
  • Zorg dat je weet dat kunststoffen polymeren zijn die bestaan uit een keten van monomeren en dat je kunststoffen kan maken door middel van kraken en polymerisatie.
  • Zorg dat je het verschil tussen thermoplasten en thermoharders kent.
  • Zorg dat je voor- en nadelen van kunststoffen kan noemen.

         Opdrachten
  1. (1p) Noem acht producten van ruwe aardolie. Gebruik hiervoor BINAS.
  2. (1p) Welke moleculen zijn gemiddeld gezien groter? Kies uit stookolie- en benzinemoleculen. Leg je antwoord uit met de afbeelding van de destillatiekolom uit de paragraaf of BINAS.
  3. (1p) Welke scheidingsmethode wordt gebruikt bij het verwerken van aardolie tot brandstoffen?
  4. (3p) Welke van de onderstaande kenmerken heeft destilleren van ruwe aardolie met behulp van een kolom? Geef van elk van de onderstaande stellingen aan of ze juist of onjuist zijn:
    I De stof met het laagste kookpunt verdampt het eerst.
    II Onderin de kolom is de temperatuur het laagst.
    III De stof met het laagste kookpunt komt onder uit de kolom.
  5. Grote koolwaterstoffen kunnen worden opgesplitst in kleinere koolwaterstoffen.
    1. (1p) Hoe heet deze techniek?
    2. (2p) Leg met behulp van BINAS uit of je met deze techniek brandstof voor schepen kan omzetten naar benzine of juist benzine kan omzetten naar brandstof voor schepen. Leg ook uit hoe je dit met de afbeelding in BINAS kan achterhalen.
  6. 2p) Kunststoffen worden gemaakt door een hele hoop kleine moleculen genaamd ______________ aan elkaar te koppelen tot een ______________. Dit proces wordt ______________ genoemd.
  7. (2p) Welke twee processen zijn nodig om van nafta kunststof te maken.
  8. Hieronder is een afbeelding van polystyreen te zien. Deze kunststof wordt in het dagelijks leven ook wel piepschuim genoemd. Ook wegwerpbekertjes en frietbakjes worden hiervan gemaakt.


    (Afbeelding: Ben Mills; PD)

    1. (1p) Piepschuim is een thermoplastisch polymeer. Wat wil dit zeggen?
    2. (1p) Hoe zal het monomeer van polystyreen heten?
    3. (1p) Hieronder is het monomeer te zien waaruit polystyreen gemaakt wordt. Het bestaat alleen uit koolstofatomen (zwart) en waterstofmoleculen (wit). Geef de molecuulformule.


      (Afbeelding: Ben Mills; PD)

 

§6     Het milieu

Met fossiele brandstoffen kunnen we o.a. energie opwekken. Dit heeft natuurlijk veel voordelen, maar heeft ook negatieve effecten op het milieu. Dit is het onderwerp van deze paragraaf.

Veel van de energie die we in huishoudens, in het verkeer en in de industrie gebruiken komt van fossiele brandstoffen, zoals aardolie, aardgas en steenkool. Aardolie, zoals we hebben gelezen, wordt in de vorm van benzine en diesel veel gebruikt in auto's, in de vorm van kerosine in vliegtuigen en als stookolie in schepen. Aardgas wordt veel gebruikt voor het verwarmen van huizen of het opwekken van elektriciteit. Steenkool wordt ook gebruikt voor het opwekken van elektriciteit, maar dit gebeurt tegenwoordig steeds minder, omdat deze brandstof erg vervuilend is.

Het nadeel van alle fossiele brandstoffen (met name steenkool), is dat bij de verbranding hiervan veel koolstofdioxide (CO2) vrijkomt. Koolstofdioxide heeft veel positieve eigenschappen. Het is bijvoorbeeld een voedingstof voor planten en zonder CO2 in de atmosfeer zou het op aarde gemiddeld 30 graden Celsius kouder zijn. Maar in de laatste 200 jaar heeft de mensheid door industrialisatie zoveel CO2 in de atmosfeer vrijgelaten dat de gemiddelde temperatuur van de aarde steeds verder is gaan toenemen. We noemen dit het broeikaseffect. Als gevolg van deze temperatuurstijging smelt het ijs op de Noord- en Zuidpool. Het smelten van landijs zorgt op zijn beurt weer voor een stijging van de zeespiegel. En een snelle stijging van de temperatuur zal ook het weer op veel plekken doen veranderen, waar mens en dier zich op moeten aanpassen.

Bij het verbranden van fossiele brandstoffen komt met name koolstofdioxide en water vrij, maar ook een kleine hoeveelheid schadelijke stoffen. Zo zit er bijvoorbeeld vaak zwavel in ruwe aardolie, die bij de verbranding vrijkomt in de vorm van zwaveldioxide (SO2). Andere ongewenste stoffen die bij verbranding van fossiele brandstoffen vrijkomen zijn stikstofoxiden, zoals NO en NO2. We vatten deze stoffen vaak samen als NOx. Deze stoffen zijn niet in ruwe aardolie aanwezig, maar ontstaan doordat bij de verbranding de temperatuur hoog genoeg wordt dat zuurstof en stikstof uit de lucht met elkaar reageren tot deze stoffen.

Zwaveldioxide vormt in reactie met zuurstof en water zwavelzuur en stikstofoxiden vormen in reactie met zuurstof en water salpeterzuur. Deze stoffen zorgen voor zure regen. Dit is slecht voor de natuur en kan ook bepaalde steensoorten aantasten, waaronder kalksteen (zie de onderstaande linker afbeelding). Daarnaast zorgen deze en andere stoffen ook nog voor de smog die boven vervuilde steden hangt (zie de rechter afbeelding). Smog kan o.a. zorgen voor irritatie van de slijmvliezen (de binnenkant van je neus en mond), de ogen en de luchtwegen.


(Afbeelding: Nino Barbieri; CC BY 2.5 / Radek Kolakowski; CC BY 2.0)

De hoeveelheid SO2 die vrijkomt bij de verbranding van fossiele brandstoffen kan worden teruggedrongen door zoveel mogelijk de zwavel van tevoren uit de aardolie te verwijderen. NOx is lastiger te verwijderen, omdat het pas bij de verbranding van de fossiele brandstoffen ontstaat. Met behulp van een zogenaamde katalysator (meer hierover in een later hoofdstuk), kan een deel van de stikstofoxiden wel weer worden omgezet in zuurstof en stikstof.

Door de nadelen van fossiele brandstoffen zijn wetenschappers de laatste decennia bezig om fossiele brandstoffen te vervangen door duurzame energiebronnen. Deze energiebronnen zijn schoon, waarmee we bedoelen dat ze geen stoffen uitscheiden die schadelijk zijn voor het milieu. Hier zijn al grote stappen in gezet. Voorbeelden van schone energiebronnen zijn waterkrachtcentrales, windmolens, zonnecellen en kerncentrales.

Andere belangrijke vervuilende stoffen zijn chloorfluorkoolstofverbindingen, meestal bekend als cfk's. Deze stoffen kwamen vroeger veel voor in bijvoorbeeld koelmiddel en als drijfgas voor spuitbussen. Deze stoffen tasten de ozonlaag aan. Dit is een laag van ozon (O3) hoog in de atmosfeer. Ozon is belangrijk omdat het een deel van de UV-straling van de zon tegenhoudt. Deze straling is bij veel blootstelling slecht voor onze huid.

Als laatste noemen we ammoniak (NH3). Deze stof komt voor in o.a. mest dat gebruikt wordt om gewassen beter te laten groeien. Bacteriën zetten deze stof o.a. om in salpeterzuur en hierdoor wordt de bodem zuur. Ook dit is in grote hoeveelheden schadelijk voor de natuur.

         Leerdoelen:
  • Zorg dat je weet dat bij de verbranding van fossiele brandstoffen koolstofdioxide vrijkomt en dat dit zorgt voor een toename van het broeikaseffect. Zorg ook dat je weet dat het broeikaseffect zorgt voor een stijging van de temperatuur op aarde en ook een stijging van de zeespiegel door het smelten van ijs.
  • Zorg dat je weet dat bij de verbranding van fossiele brandstoffen ook zwaveldioxide (SO2) en stikstofoxiden (NOx) vrijkomen en zorg dat je weet dat deze stoffen zure regen en smog kunnen veroorzaken.
  • Zorg dat je weet dat cfk's de ozonlaag kunnen aantasten en dat deze laag ons beschermt tegen UV-straling van de zon.
  • Zorg dat je weet dat ammoniak (NH3) o.a. voorkomt in mest. Mest wordt gebruikt om gewassen beter te laten groeien, maar maakt ook de bodem zuur.

         Opdrachten
  1. (2p) Noem een voordeel en een nadeel van CO2.
  2. (2p) Noem een voordeel en een nadeel van mest.
  3. Kies bij de volgende vragen telkens uit de volgende opties. Je mag per vraag meerdere opties kiezen.
    - De ozonlaag wordt aangetast.
    - De aarde warmt op.
    - Er ontstaat smog.
    - Er ontstaat een tekort aan zuurstof.
    - Er wordt zure regen gevormd.
    1. (1p) Wat is het gevolg van het versterkt broeikaseffect?
    2. (1p) Wat is het gevolg van het gebruik van cfk’s.
    3. (1p) Wat is een gevolg van het vrijkomen van stikstofoxides?
    4. (1p) Wat is een gevolg van het vrijkomen van zwaveloxide?
  4. (1p) Door het gebruik van ckf's te verbieden zijn we bezig een probleem op te lossen. Welk probleem wordt hiermee opgelost.
  5. Stikstofoxiden (NOx) is een verzamelnaam voor gassen zoals NO, NO2 en N2O3.
    1. Geef de rationele naam van N2O3
    2. Geef aan waarom stikstof en zuurstof in de lucht onder normale omstandigheden niet met elkaar reageren, maar wel in een verbrandingsmotor.
    3. Bij de verbranding van sommige fossiele brandstoffen kan, behalve NOx, ook een andere stof vrijkomen die zure regen veroorzaakt. Welke stof is dat? Kies uit: cfk's, koolstofmono-oxide, roet of zwaveldioxide.

    (Bron: Examen VMBO-T, 2023-2)

Stoffen die je uit je hoofd moet kennen:

Atomen

Metalen

Niet-metalen

Natrium

Na

Waterstof

H

Kalium

K

Koolstof

C

Magnesium

Mg

Stikstof

N

Calcium

Ca

Fosfor

P

Barium

Ba

Zuurstof

O

Chroom

Cr

Zwavel

S

IJzer

Fe

Fluor

F

Nikkel

Ni

Chloor

Cl

Platinum

Pt

Broom

Br

Koper

Cu

Jood

I

Zilver

Ag

Helium

He

Goud

Au

Neon

Ne

Zink

Zn

Argon

Ar

Cadmium

Cd

 

Kwik

Hg

Aluminium

Al

Tin

Sn

Metalloïde

Lood

Pb

Silicium

Si




Moleculen

Water

H2O

Waterstofperoxide

H2O2

Koolstofdioxide

CO­2

Koolstofmonoxide

CO

Methaan

CH4

Ammoniak

NH3

Ethanol (alcohol)

C6H12O

Glucose

C6H12O6

Edelgassen

X

Halogenen

X2

Stikstof

N2

Waterstof

H2

Zuurstof

O2

Ozon

O3




BINAS:
33 Elementen en symbolen
34 Periodiek systeem
41 Olieraffinaderij
42 Triviale en rationele namen stoffen