Energie bij reacties (Scheikunde vwo), les 2: Examentraining

• newEditor
• Scheikunde
• Middelbare school
• vwo
• Leerjaar 4-6

Introduction

Examentraining met vier vraagtypen: Ea en ΔE in het diagram, ΔE en vormingswarmtes berekenen, energiebalans met warmte en elektrische energie, en kwaliteit en ontbranding. Elk vraagtype heeft een uitleg en twee vragen in examenstijl; de gegevens staan op de dia of in de vraag.

Thermietlassen van een spoorstaaf (foto: PetrS, CC BY-SA 3.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · ENERGIE

Examentraining

Energie bij reacties: zo pak je examenvragen aan

Les 2 van 3. Laat leerlingen in tweetallen overleggen bij de open vragen. Image credit: PetrS / Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · ENERGIE

Wat ga je kunnen?

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

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · ENERGIE

Zo pak je een examenvraag aan

• 1. Lees: wat is gegeven (diagram, vormingswarmtes, ΔE, P, t, m, c) en wat moet je vinden?

• 2. Kies: Ea en ΔE uit het diagram, de formule met vormingswarmtes of een energiebalans?

• 3. Reken: producten min beginstoffen, met coëfficiënten; Q in J, m in kg, ΔT in K.

• 4. Controleer: teken (exotherm geeft ΔE < 0), eenheid en aantal decimalen of significante cijfers.

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · ENERGIE

Vraagtype 1: Ea en ΔE in het diagram

• Ea heen = E top − E beginstoffen; Ea terug = E top − E producten.

• ΔE = E producten − E beginstoffen = Ea heen − Ea terug.

• Een katalysator verlaagt Ea heen en Ea terug evenveel; ΔE blijft gelijk.

• Casus: een reactie heeft Ea heen = 90 kJ en Ea terug = 140 kJ.

Wat zijn ΔE en het type reactie voor Ea heen 90 kJ en Ea terug 140 kJ?

A

ΔE = −50 kJ, exotherm

B

ΔE = +50 kJ, endotherm

C

ΔE = +50 kJ, exotherm

D

ΔE = +230 kJ, endotherm

ΔE = Ea heen − Ea terug = 90 − 140 = −50 kJ: de producten liggen lager dan de beginstoffen, dus exotherm. Verwachte fouten: Ea terug − Ea heen nemen (+50 kJ), de twee optellen (230) en het teken niet koppelen aan exotherm. Syllabus R5.1 en R5.2.

Katalysator: Ea heen 60 kJ, ΔE = −50 kJ. Ea terug?

Ea terug = Ea heen − ΔE = 60 − (−50) = 110 kJ. Zonder katalysator was Ea terug 140 kJ: ook die is 30 kJ lager. Verwachte fouten: 60 + (−50) = 10 kJ en ΔE als Ea terug invullen. Syllabus R5.1 en R5.2.

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · ENERGIE

Vraagtype 2: ΔE met vormingswarmtes

• Hoogoven: Fe₂O₃(s) + 3 CO(g) → 2 Fe(s) + 3 CO₂(g).

• Gegeven (10⁵ J mol⁻¹): Fe₂O₃ −8,24; CO −1,11; CO₂ −3,94; Fe is een element: 0.

• Tweede vraag: 2 C₂H₂(g) + 5 O₂(g) → 4 CO₂(g) + 2 H₂O(l), ΔE = −26,02·10⁵ J.

• Daarbij gegeven: CO₂ −3,94 en H₂O(l) −2,86; gevraagd wordt de vormingswarmte van C₂H₂.

Wat is ΔE voor de reactie in de hoogoven?

A

+0,25·10⁵ J

B

−0,25·10⁵ J

C

−2,47·10⁵ J

D

−11,57·10⁵ J

Producten: 2 × 0 + 3 × (−3,94) = −11,82. Beginstoffen: −8,24 + 3 × (−1,11) = −8,24 − 3,33 = −11,57. ΔE = −11,82 − (−11,57) = −0,25·10⁵ J, licht exotherm. Verwachte fouten: het teken omdraaien (+0,25), de coëfficiënt 3 bij CO vergeten (−2,47: −11,82 + 8,24 + 1,11) en alleen de beginstoffen noemen (−11,57). Syllabus R5.3.

Bereken Δf van C₂H₂ (10⁵ J mol⁻¹).

Producten: 4 × (−3,94) + 2 × (−2,86) = −15,76 − 5,72 = −21,48. Beginstoffen: 2 × x + 5 × 0 = 2x. −26,02 = −21,48 − 2x, dus 2x = −21,48 + 26,02 = +4,54 en x = +2,27·10⁵ J mol⁻¹. Controle: −21,48 − 2 × 2,27 = −26,02. Verwachte fouten: de factor 2 bij C₂H₂ vergeten (x = +4,54) en het teken omdraaien (−2,27). Vergelijking klopt: links 4 C, 4 H, 10 O; rechts 4 C, 4 H, 8 + 2 = 10 O. Syllabus R5.4.

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · ENERGIE

Vraagtype 3: energiebalans met warmte

• Gegeven: E = P · t, Q = m · c · ΔT en c(water) = 4,18·10³ J kg⁻¹ K⁻¹.

• Casus 1: een brandstofcel zet 0,50 mol H₂ om (ΔE = −2,86·10⁵ J per mol H₂, product H₂O(l)).

• Van die energie wordt 55% elektrische energie, de rest warmte.

• Casus 2: een verwarmingselement van 150 W staat 120 s in 0,400 kg water; 20% van de warmte gaat verloren.

Hoeveel elektrische energie levert de brandstofcel in casus 1?

A

1,4·10⁵ J

B

6,4·10⁴ J

C

2,6·10⁵ J

D

7,9·10⁴ J

Chemische energie: 0,50 × 2,86·10⁵ = 1,43·10⁵ J. Elektrisch: 55% van 1,43·10⁵ = 7,9·10⁴ J (twee significante cijfers, 7,865·10⁴). Verwachte fouten: het rendement vergeten (1,4·10⁵), de warmte nemen (45%: 6,4·10⁴) en delen door 0,55 (2,6·10⁵). Syllabus R5.5.

Bereken ΔT van het water in K voor casus 2.

E = P · t = 150 × 120 = 1,8·10⁴ J. In het water: 80% van 1,8·10⁴ = 1,44·10⁴ J. ΔT = Q / (m · c) = 1,44·10⁴ / (0,400 × 4,18·10³) = 1,44·10⁴ / 1672 = 8,6 K. Verwachte fouten: het verlies vergeten (10,8 K, dus 11 K) en de 20% als 80% aftrekken van de temperatuur. Syllabus R5.5.

Brandstofcel van een space shuttle (foto: Kim Shiflett, NASA, publiek domein)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · ENERGIE

Vraagtype 4: kwaliteit en ontbranding

• Bij elke omzetting wordt minstens een deel warmte; de totale energie blijft gelijk.

• Elektrische energie heeft een hoge kwaliteit, warmte van omgevingstemperatuur een lage.

• Een brandstof start pas bij de ontbrandingstemperatuur: dan wordt Ea overwonnen.

• Casus: H₂ en O₂ reageren sterk exotherm, maar pas na een vonk.

Image credit: Kim Shiflett, NASA / Wikimedia Commons, publiek domein

In een motor wordt elektrische energie deels warmte. Wat klopt?

A

Totaal blijft gelijk, kwaliteit neemt af

B

Totaal neemt af, kwaliteit blijft gelijk

C

Totaal neemt af, want warmte is verloren

D

Totaal blijft gelijk, kwaliteit neemt toe

Energiebehoud: de som blijft gelijk. Warmte van omgevingstemperatuur is lastig nog te gebruiken, dus de kwaliteit daalt. Verwachte fout: warmte zien als verloren energie. Syllabus R5.5 en C9.

Verklaar met Ea waarom de vonk nodig is.

Bij kamertemperatuur halen te weinig deeltjes de activeringsenergie. De vonk brengt het mengsel plaatselijk op de ontbrandingstemperatuur; daarna levert de exotherme reactie zelf de energie om Ea te overwinnen. Verwachte fout: zeggen dat de reactie endotherm is omdat er een vonk nodig is. Voorkom dat leerlingen dit uitproberen: waterstof en zuurstof mengen is explosief, alleen principe bespreken. Syllabus R5.1.

Welk vraagtype vind jij het lastigst?

1

Ea en ΔE in het diagram

2

ΔE met vormingswarmtes

3

Energiebalans met warmte

4

Kwaliteit en ontbranding

Bespreek het vraagtype met de meeste stemmen nog eens klassikaal, met één rekenvoorbeeld.

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · ENERGIE

Tips voor op het examen

• Bereken ΔE altijd als producten min beginstoffen, met de coëfficiënten uit de vergelijking.

• Is de vormingswarmte gevraagd, stel dan eerst de formule op en los daarna de onbekende op.

• Reken kW om naar W, g naar kg en let op het verlies voordat je Q = m · c · ΔT gebruikt.

• Zeg bij kwaliteit: de totale energie blijft gelijk, maar er komt warmte bij.