Energie bij reacties (Scheikunde havo), les 1: Uitleg

• New lesson editor
• Scheikunde
• Middelbare school
• havo
• Leerjaar 4,5

Introduction

Uitleg over energie bij reacties: exotherm en endotherm, reactiewarmte, het energiediagram met overgangstoestand, Ea en katalysator, ontbrandingstemperatuur, ΔE berekenen met vormingswarmtes, energiebehoud en kwaliteit van energie. Met woordweb, zes controlevragen, twee animaties, een poll en een open vraag.

Thermietreactie: zoveel warmte dat het gevormde ijzer vloeibaar wordt (foto: Kingfisher, CC BY-SA 3.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · ENERGIE

Energie bij reacties

Examenstof scheikunde havo

Les 1 van 3: uitleg. Les 2 is de examentraining, les 3 de terugblik met quiz. Syllabus: R5.1 t/m R5.5, R&A3.1 (energiebehoud/energiebalans). Image credit: Kingfisher / Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · ENERGIE

Wat ga je kunnen?

Ik kan een energiediagram geven en lezen, de reactiewarmte berekenen met vormingswarmtes en redeneren met energiebehoud en kwaliteit van energie.

Welke reacties maken warmte, en welke hebben juist warmte nodig?

Verwacht: verbranden van gas of hout, lucifer, handwarmer (warmte komt vrij); een ei bakken, fotosynthese, een koud kompres (warmte nodig). Koppel aan de les: bij elke reactie verandert energie, en daar kun je mee rekenen. Veelgemaakte misvatting: een reactie die warmte nodig heeft om te starten, is endotherm; starten en energie-effect zijn twee verschillende dingen. Syllabus R5.1.

Thermietreactie: zoveel warmte dat het gevormde ijzer vloeibaar wordt (foto: Kingfisher, CC BY-SA 3.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · ENERGIE

Chemische energie

• Stoffen bevatten chemische energie, opgeslagen in de bindingen tussen de deeltjes.

• Bij een reactie verandert die energie: producten hebben een andere energie dan de beginstoffen.

• Het verschil is het energie-effect van de reactie: warmte die vrijkomt of nodig is.

• Thermiet: 2 Al + Fe₂O₃ → Al₂O₃ + 2 Fe geeft zoveel warmte dat het ijzer vloeibaar wordt.

Syllabus R5.1: reactiewarmte/energie-effect. De vergelijking klopt: links 2 Al, 2 Fe en 3 O, rechts 2 Al, 2 Fe en 3 O. Alleen als demonstratie door de docent, met veiligheidsbril, afstand en blusmiddelen; geen proef om thuis na te doen. Kijkvraag: waar komen het licht en de warmte vandaan? Veelgemaakte fout: denken dat energie 'ontstaat'; de energie zat al als chemische energie in de stoffen. Image credit: Kingfisher / Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0

Animatie: bij exotherm gaat warmte naar buiten, bij endotherm komt warmte binnen

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · ENERGIE

Exotherm en endotherm

• Bij een exotherme reactie komt energie vrij: de omgeving wordt warmer.

• Bij een endotherme reactie wordt energie opgenomen: de omgeving wordt kouder.

• In de animatie gaat bij exotherm de warmte naar buiten en bij endotherm naar binnen.

• Exotherm: de stoffen verliezen energie, de omgeving wint. Endotherm: precies andersom.

Syllabus R5.1: endotherm, exotherm. Wat te zien: links stijgt de temperatuur en bewegen de deeltjes sneller, rechts daalt de temperatuur en bewegen ze langzamer. De magenta pijlen tonen de warmtestroom tussen reactiemengsel en omgeving. Kijkvraag: waarom voelt een bekerglas bij een endotherme reactie koud aan? Veelgemaakte fout: exotherm betekent dat het mengsel zelf energie heeft gewonnen; juist de stoffen verliezen energie. Image credit: Eigen animatie voor deze les

Blad met een waterdruppel in zonlicht: fotosynthese neemt energie op (foto: NARA, publiek domein)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · ENERGIE

Reactiewarmte

• De reactiewarmte ΔE is het energie-effect van de reactie, voor de hoeveelheden in de vergelijking.

• Exotherm: ΔE is negatief. Endotherm: ΔE is positief.

• Fotosynthese is endotherm: 6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ neemt energie uit zonlicht op.

• De omgekeerde reactie heeft hetzelfde getal voor ΔE, maar met het tegengestelde teken.

Syllabus R5.1: reactiewarmte/energie-effect. De vergelijking klopt: links 6 C, 12 H en 18 O, rechts 6 C, 12 H en 18 O. Het teken van ΔE volgt de producten: lagere energie dan de beginstoffen geeft een negatieve ΔE. Veelgemaakte fout: een negatieve ΔE lezen als 'er gaat energie verloren'; het betekent dat energie is vrijgekomen. Image credit: Onbekende maker, U.S. National Archives / Wikimedia Commons, publiek domein

Tijdens een reactie daalt de temperatuur van de oplossing. Wat klopt?

A

Exotherm: energie komt vrij aan de omgeving

B

Endotherm: energie komt vrij aan de omgeving

C

Endotherm: energie wordt uit de omgeving opgenomen

D

Exotherm: energie wordt uit de omgeving opgenomen

De oplossing wordt kouder doordat de reactie energie opneemt: endotherm. Verwachte fout: de combinatie van het juiste woord met de verkeerde richting van de energie. Syllabus R5.1.

Vul in

Bij een exotherme reactie is ΔE negatief, want de producten hebben een lagere energie dan de beginstoffen.

exotherme

negatief

lagere

endotherme

positief

hogere

Begrippen van de dia's Exotherm en endotherm en Reactiewarmte. Syllabus R5.1.

Animatie: een deeltje over de energieberg, bij een exotherme en een endotherme reactie

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · ENERGIE

Het energiediagram

• Een energiediagram toont de energieniveaus (E) van beginstoffen, overgangstoestand en producten.

• De overgangstoestand (geactiveerde toestand) is de top: daar hebben de stoffen de hoogste energie.

• Ea = E overgangstoestand − E beginstoffen. Ea is altijd positief.

• ΔE = E producten − E beginstoffen: negatief bij exotherm, positief bij endotherm.

Syllabus R5.1 en R5.2: energieniveaus, overgangstoestand/geactiveerde toestand, activeringsenergie, energiediagram geven. In de animatie loopt het bolletje van de beginstoffen over de top naar de producten; daarna verschijnen Ea en ΔE. Boven staat een exotherme reactie (producten lager), onder een endotherme (producten hoger). Activeringsenergie als begrip staat al in het onderwerp Reactiesnelheid; hier lees je hem af in het diagram. Kijkvraag: waar verschilt de pijl ΔE tussen de twee diagrammen? Veelgemaakte fout: Ea meten vanaf de producten of de top meten vanaf de onderkant van het diagram. Image credit: Eigen animatie voor deze les

Energiediagram zonder en met katalysator: Ea wordt kleiner, ΔE blijft gelijk (eigen figuur)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · ENERGIE

Katalysator in het diagram

• Een katalysator zorgt voor een route met een lagere top: Ea wordt kleiner.

• Beginstoffen en producten liggen even hoog, dus ΔE verandert niet.

• De reactie gaat sneller, maar er komt niet meer of minder warmte vrij.

• Zwart: zonder katalysator, met een hoge top. Magenta: met katalysator, met een lagere top.

Syllabus R5.1: invloed van een katalysator. De werking van een katalysator op de reactiesnelheid (botsende deeltjes) staat in Reactiesnelheid; hier gaat het om wat je in het diagram ziet. Kijkvraag: welke twee dingen blijven gelijk in beide curves? Veelgemaakte fout: denken dat een katalysator het niveau van de producten verlaagt, of dat er meer warmte vrijkomt. Image credit: Eigen figuur voor deze les

Een lucifer vlak na het ontbranden, met een kaarsvlam eronder (foto: Pixelmaniac pictures, CC0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · ENERGIE

Ontbrandingstemperatuur

• De ontbrandingstemperatuur is de minimale temperatuur waarbij een brandstof gaat branden.

• Bij die temperatuur hebben genoeg botsingen minstens de activeringsenergie.

• Een lucifer haalt die temperatuur door wrijving; daarna houdt de vrijkomende warmte de reactie gaande.

• Zonder startenergie reageert een brandstof niet met zuurstof, ook al is de reactie exotherm.

Syllabus R5.1: ontbrandingstemperatuur, activeringsenergie. Een brandstof in lucht is een exotherme reactie, maar zonder voldoende hoge temperatuur gebeurt er niets: dat is de activeringsenergie. Veiligheid: open vuur alleen als demonstratie, met afstand, veiligheidsbril en blusdeken. Kijkvraag: waarom blijft de lucifer branden nadat de wrijving is gestopt? Veelgemaakte fout: denken dat een exotherme reactie vanzelf start. Image credit: Pixelmaniac pictures / Wikimedia Commons, CC0

In een energiediagram liggen de producten lager dan de beginstoffen. Wat geldt?

A

Exotherm, en ΔE is negatief

B

Endotherm, en ΔE is negatief

C

Exotherm, en ΔE is positief

D

Endotherm, en ΔE is positief

Lagere energie van de producten betekent dat er energie is vrijgekomen: exotherm, ΔE = E producten − E beginstoffen is negatief. Verwachte fout: de richting van het teken omdraaien. Syllabus R5.1 en R5.2.

Zet op volgorde, van links naar rechts

1

Overgangstoestand bovenaan

2

Producten op hun energieniveau

3

Beginstoffen op hun energieniveau

4

Energie opnemen tot de top

Volgorde zoals het bolletje in de animatie loopt. Syllabus R5.2.

Blauwe vlam van een brander waarin gas verbrandt: een exotherme reactie (foto: Jason Woodhead, CC BY 2.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · ENERGIE

Vormingswarmte

• De vormingswarmte is het energie-effect van het vormen van 1 mol stof uit de elementen.

• Je zoekt vormingswarmtes op in Binas; de vormingswarmte van een element is 0.

• ΔE = (som vormingswarmtes producten) − (som vormingswarmtes beginstoffen).

• Vermenigvuldig elke vormingswarmte met de coëfficiënt uit de reactievergelijking.

Syllabus R5.1 en R5.3: vormingswarmte en de reactiewarmte berekenen met vormingswarmtes. In Binas staan vormingswarmtes in 10⁵ J mol⁻¹; in de opgave worden de waarden gegeven of je zoekt ze op. De formule staat niet op het formuleblad. Veelgemaakte fouten: beginstoffen min producten rekenen en de coëfficiënt vergeten. De vlam in de foto is een exotherme verbranding van gas. Image credit: Jason Woodhead / Wikimedia Commons, CC BY 2.0

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · ENERGIE

Voorbeeld: methaan verbranden

• CH₄(g) + 2 O₂(g) → CO₂(g) + 2 H₂O(l)

• Gegeven (10⁵ J mol⁻¹): CH₄ −0,75; CO₂ −3,94; H₂O(l) −2,86; O₂ is een element: 0.

• Producten: −3,94 + 2 × (−2,86) = −9,66. Beginstoffen: −0,75 + 2 × 0 = −0,75.

• ΔE = −9,66 − (−0,75) = −8,91·10⁵ J per mol CH₄: negatief, dus exotherm.

• Twee decimalen in de gegevens: ook twee decimalen in het antwoord, met de eenheid J.

Syllabus R5.3 en R&A (significante cijfers). Vergelijking klopt: links 1 C, 4 H, 4 O; rechts 1 C, 4 H, 2 + 2 = 4 O. Controle: 2 × (−2,86) = −5,72; −3,94 − 5,72 = −9,66; −9,66 + 0,75 = −8,91. Bij optellen en aftrekken geldt het aantal decimalen. Veelgemaakte fout: de coëfficiënt 2 bij H₂O vergeten (dan −6,80·10⁵ J).

Calorimeter met thermometer: hiermee meet je hoeveel warmte water opneemt (foto: M. J. Mrowinski, CC BY-SA 4.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · ENERGIE

Warmte en elektrische energie

• Wet van behoud van energie: energie gaat niet verloren, ze wordt omgezet in een andere vorm.

• Warmte om water te verwarmen (gegeven in de opgave): Q = m · c · ΔT, met c de soortelijke warmte.

• Water: c = 4,18·10³ J kg⁻¹ K⁻¹. Voorbeeld: 0,300 kg en ΔT = 20,0 K geeft 2,51·10⁴ J.

• Elektrische energie (gegeven in de opgave): E = P · t, met P in W en t in s; 1 W s is 1 J.

Syllabus R5.4: omzettingen van chemische energie, redeneren met berekeningen en de wet van behoud van energie, bij elektrische energie en warmte. Controle: 0,300 × 4,18·10³ × 20,0 = 25 080 J = 2,51·10⁴ J (drie significante cijfers). Deze formules staan niet in de syllabus: ze worden in de opgave gegeven, samen met c; reken uit tot de warmte uit de reactie gelijk is aan de warmte die het water opneemt, tenzij verlies wordt genoemd. Veelgemaakte fouten: de temperatuur in °C met kg combineren zonder ΔT te nemen, en kW niet omrekenen naar W. Image credit: Maciej J. Mrowinski / Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

Chemische energie wordt elektrische energie en warmte (eigen figuur)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · ENERGIE

Kwaliteit van energie

• Bij elke omzetting van energie wordt minstens een deel warmte.

• Een centrale zet chemische energie om in elektrische energie én warmte; de som blijft gelijk.

• Warmte van omgevingstemperatuur is lastig nog te benutten: de kwaliteit van energie is laag.

• Elektrische energie heeft een hoge kwaliteit: je kunt er veel mee doen.

Syllabus R5.5: minstens een deel wordt omgezet in warmte; het begrip kwaliteit van energie gebruiken in redeneringen. De figuur is een schema zonder getallen: de brede band is warmte. Veelgemaakte fout: zeggen dat energie 'verloren gaat'; de energie blijft behouden, maar de kwaliteit neemt af. Kijkvraag: wat is groter, de band elektrische energie of de band warmte, en waarom blijft de totale energie gelijk? Image credit: Eigen figuur voor deze les

ΔE bij 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O(l)? H₂O(l): −2,86·10⁵ J mol⁻¹

Producten: 2 × (−2,86·10⁵) = −5,72·10⁵ J; beginstoffen: elementen, dus 0. ΔE = −5,72·10⁵ J, exotherm. Verwachte fouten: de coëfficiënt 2 vergeten (−2,86·10⁵ J) en het teken omdraaien. Syllabus R5.3.

Een lamp zet 100 J elektrische energie om in 5 J licht en de rest warmte. Hoeveel J warmte?

A

5 J

B

95 J

C

105 J

D

100 J

Energiebehoud: 100 J = 5 J + warmte, dus 95 J warmte. Verwachte fout: de 5 J licht aanzien voor de warmte, of de energie optellen in plaats van aftrekken. Syllabus R5.4 en R5.5.

Wat vond je vandaag het lastigst?

1

Exotherm en endotherm

2

Het energiediagram lezen

3

ΔE met vormingswarmtes

4

Energiebehoud en kwaliteit

Gebruik de uitslag om te bepalen welk onderdeel je nog eens met een voorbeeld doorneemt. Syllabus R5.

Hoe controleer jij of het teken van ΔE klopt?

Persoonlijke reflectie, geen goed of fout. Verwacht: kijken of de reactie warmte afgeeft (negatief) of opneemt (positief), of de producten lager of hoger liggen dan de beginstoffen.

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · ENERGIE

Begrippen (1/2)

• exotherm: energie komt vrij: ΔE is negatief

• endotherm: energie wordt opgenomen: ΔE is positief

• reactiewarmte (ΔE): energie-effect van de reactie

• energiediagram: energieniveaus tijdens de reactie

• overgangstoestand: top van het diagram, hoogste energie

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · ENERGIE

Begrippen (2/2)

• activeringsenergie (Ea): E overgangstoestand − E beginstoffen

• vormingswarmte: energie-effect van het vormen van 1 mol uit de elementen

• ontbrandingstemperatuur: minimale temperatuur waarbij een brandstof gaat branden

• energiebehoud: energie wordt omgezet, niet gemaakt of vernietigd

• kwaliteit van energie: elektrisch hoog, warmte laag