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

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

Introduction

Uitleg over energie bij reacties voor vwo: exotherm en endotherm, vormingswarmte, het energiediagram met Ea en katalysator, ΔE berekenen met vormingswarmtes (ook de vormingswarmte uit ΔE) en energiebehoud met kwaliteit van energie. Met twee animaties, foto's, checks en een exit.

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

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · ENERGIE

Energie bij reacties

Examenstof scheikunde vwo

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), C9 (kwaliteit van energie), C10 (activeringsenergie). Image credit: PetrS / Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · ENERGIE

Wat ga je kunnen?

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

Welke reacties geven warmte af, welke nemen warmte op, en hoe zie je dat?

Verwacht: verbranden, thermiet, roesten, lasbrander (warmte komt vrij); fotosynthese, ontleden van kalksteen, koken van een ei (warmte nodig). Laat leerlingen ook zeggen hoe je het merkt: temperatuur van de omgeving stijgt of daalt. Koppel aan de les: je kunt de energie ook berekenen en in een diagram tekenen. Veelgemaakte misvatting: een reactie die een vonk nodig heeft, is endotherm; starten en energie-effect zijn twee verschillende dingen. Syllabus R5.1.

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

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · ENERGIE

Chemische energie en reactiewarmte

• Stoffen hebben chemische energie; bij een reactie verandert die energie.

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

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

• Daarmee lassen spoorwerkers rails aan elkaar.

Syllabus R5.1: reactiewarmte/energie-effect. Vergelijking klopt: links 2 Al, 2 Fe en 3 O, rechts 2 Al, 2 Fe en 3 O. Thermietlassen is vakwerk met beschermende kleding en afstand; alleen als demonstratie door de docent, met veiligheidsbril en blusmiddelen, nooit een proef om na te doen. Kijkvraag: waar komt de energie in de vonken vandaan? Veelgemaakte fout: denken dat energie ontstaat; ze zat als chemische energie in de beginstoffen. Image credit: PetrS / Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0

Brandende staalwol: ijzer met zuurstof (foto: AgrisR, CC BY-SA 4.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · ENERGIE

Exotherm en endotherm

• Exotherm: energie komt vrij, de producten hebben minder energie dan de beginstoffen, ΔE < 0.

• Endotherm: energie wordt opgenomen, de producten hebben meer energie, ΔE > 0.

• Staalwol verbrandt in zuurstof: de vonken laten de vrijkomende energie zien.

• De omgekeerde reactie heeft dezelfde ΔE met het tegengestelde teken.

Syllabus R5.1: endotherm, exotherm, reactiewarmte/energie-effect. Het teken van ΔE hoort bij de richting van de reactie: ontleden van een stof die exotherm gevormd werd is endotherm. Veiligheid: staalwol alleen als demonstratie, op een brandvaste ondergrond, met veiligheidsbril, kleine hoeveelheid en blusmiddel binnen bereik. Kijkvraag: wat zou ΔE zijn voor de omgekeerde reactie, en waarom? Veelgemaakte fout: een negatieve ΔE lezen als verlies van energie; het betekent dat de stoffen energie hebben afgegeven. Image credit: AgrisR / Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · ENERGIE

Vormingswarmte

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

• De vormingswarmte van een element in zijn standaardtoestand is 0, bijvoorbeeld O₂(g).

• Je zoekt vormingswarmtes op in Binas: ze staan in 10⁵ J mol⁻¹, zoals −3,94 voor CO₂(g).

• Negatief: bij het vormen uit de elementen komt energie vrij. Positief: er is energie voor nodig.

Syllabus R5.1: vormingswarmte. Zoek in Binas de vormingswarmte op en noem het tabelnummer niet als je dat niet zeker weet. CO₂(g): −3,94·10⁵ J mol⁻¹ (C + O₂ → CO₂). Voor de toestand letten op de toestandsaanduiding: H₂O(g) en H₂O(l) hebben verschillende waarden. Veelgemaakte fouten: de vormingswarmte van een element niet op 0 zetten, en vormingswarmte verwarren met reactiewarmte van een willekeurige reactie.

Δf van NO(g) is +0,90·10⁵ J mol⁻¹. Wat betekent dat?

A

Vormen uit N₂ en O₂ geeft energie af

B

NO bevat minder energie dan N₂ en O₂

C

Vormen uit N₂ en O₂ kost energie

D

De vormingswarmte van O₂ is ook positief

Een positieve vormingswarmte betekent dat het vormen uit de elementen endotherm is: NO ligt hoger in energie dan N₂ en O₂. Verwachte fout: een positief getal lezen als energie die vrijkomt. Syllabus R5.1.

Energiediagram van een exotherme reactie (eigen figuur)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · ENERGIE

Het energiediagram

• Een energiediagram zet de energieniveaus van beginstoffen, top en producten uit.

• De top is de overgangstoestand (geactiveerde toestand): daar is de energie het hoogst.

• Activeringsenergie Ea heen = E overgangstoestand − E beginstoffen; altijd positief.

• ΔE = E producten − E beginstoffen: bij exotherm liggen de producten lager.

Syllabus R5.1 en R5.2: energieniveaus, overgangstoestand/geactiveerde toestand, activeringsenergie, energiediagram geven. Een goed diagram heeft een E-as, de niveaus van beginstoffen en producten, een top en pijlen voor Ea en ΔE. Het begrip activeringsenergie en het botsende-deeltjesmodel staan in Reactiesnelheid en katalyse; hier lees en teken je het in het diagram. Kijkvraag: waar begint en eindigt de pijl van Ea heen, en waar die van ΔE? Veelgemaakte fouten: Ea meten vanaf de x-as of vanaf de producten, en de top lager tekenen dan de beginstoffen. Image credit: Eigen figuur

Endotherm energiediagram, zonder en met katalysator (eigen figuur)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · ENERGIE

Ea terug en de katalysator

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

• Een katalysator geeft een route met een lagere top: Ea heen en Ea terug worden even veel kleiner.

• Beginstoffen en producten liggen even hoog, dus ΔE blijft gelijk.

• Wat een lagere Ea voor de snelheid betekent, staat in Reactiesnelheid en katalyse.

Syllabus R5.1: invloed van een katalysator, activeringsenergie. Wat te zien: zwart zonder katalysator, magenta met katalysator; het diagram is van een endotherme reactie (producten hoger), dus Ea terug is kleiner dan Ea heen. Bij een exotherme reactie is het omgekeerd. Reken na met getallen: Ea heen 90 kJ en ΔE = +30 kJ geeft Ea terug 60 kJ. Kijkvraag: welke drie dingen blijven gelijk met en zonder katalysator? Veelgemaakte fout: denken dat een katalysator de producten lager legt of de reactiewarmte verandert. Image credit: Eigen figuur

Een brandende lucifer (foto: Tarasna0922, CC BY-SA 4.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · ENERGIE

Ontbrandingstemperatuur

• De ontbrandingstemperatuur is de laagste temperatuur waarbij een stof gaat branden.

• Dan halen genoeg deeltjes de activeringsenergie; de vrijkomende warmte houdt de reactie gaande.

• Een lucifer haalt die temperatuur door wrijving van de kop over het strijkvlak.

• Exotherm betekent dus niet dat een reactie vanzelf start: dat hangt af van Ea.

Syllabus R5.1: ontbrandingstemperatuur, activeringsenergie, overgangstoestand. Een brandstof in lucht reageert exotherm, maar bij kamertemperatuur komen te weinig deeltjes boven Ea. Open vuur alleen als demonstratie, met afstand, veiligheidsbril en blusdeken. Kijkvraag: waarom blijft de lucifer branden als je de wrijving stopt? Veelgemaakte fout: de ontbrandingstemperatuur zien als de vlamtemperatuur. Image credit: Tarasna0922 / Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

Beginstoffen 35 kJ, top 110 kJ, producten 80 kJ. Wat zijn ΔE en Ea terug?

A

ΔE = +45 kJ; Ea terug = 30 kJ

B

ΔE = +45 kJ; Ea terug = 75 kJ

C

ΔE = −45 kJ; Ea terug = 30 kJ

D

ΔE = +45 kJ; Ea terug = 110 kJ

ΔE = 80 − 35 = +45 kJ (endotherm). Ea terug = 110 − 80 = 30 kJ (ook: Ea heen 75 min ΔE 45 = 30). Verwachte fouten: Ea heen (75) invullen, het teken van ΔE omdraaien en de hoogte van de top (110) als Ea nemen. Syllabus R5.1 en R5.2.

Animatie: ΔE als route via de elementen, voor 2 CO + O₂ → 2 CO₂

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · ENERGIE

ΔE uit vormingswarmtes

• ΔE = Σ vormingswarmtes producten − Σ vormingswarmtes beginstoffen.

• Vermenigvuldig elke waarde met zijn coëfficiënt; elementen tellen als 0.

• Gedachte: eerst ontleden tot de elementen (teken omgekeerd), dan de producten vormen.

• Animatie: 2 CO + O₂ → 2 CO₂ geeft ΔE = −5,66·10⁵ J.

Syllabus R5.3: reactiewarmte berekenen met vormingswarmtes. Wat te zien: het bolletje gaat van de beginstoffen omhoog naar het nulniveau van de elementen (+2,22, want 2 × 1,11 moet er bij om CO te ontleden) en daarna omlaag naar de producten (−7,88 = 2 × −3,94). Gegevens (10⁵ J mol⁻¹): CO −1,11; CO₂ −3,94; O₂ en C zijn elementen. Controle: 2 × (−3,94) = −7,88; 2 × (−1,11) = −2,22; −7,88 − (−2,22) = −5,66. Vergelijking klopt: links 2 C, 4 O; rechts 2 C, 4 O. Kijkvraag: waarom is de pijl 'ontleden' omhoog en 'vormen' omlaag? Veelgemaakte fouten: beginstoffen min producten rekenen en een coëfficiënt vergeten. Image credit: Eigen animatie

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · ENERGIE

Voorbeeld: stikstofoxiden

• 2 NO(g) + O₂(g) → 2 NO₂(g); links 2 N en 4 O, rechts 2 N en 4 O.

• Gegeven (10⁵ J mol⁻¹): NO +0,90; NO₂ +0,33; O₂ is een element: 0.

• Producten: 2 × (+0,33) = +0,66. Beginstoffen: 2 × (+0,90) + 0 = +1,80.

• ΔE = +0,66 − (+1,80) = −1,14·10⁵ J voor de reactie zoals opgeschreven: exotherm.

• Schrijf je 1 NO + ½ O₂ → 1 NO₂, dan is ΔE de helft: −0,57·10⁵ J. Twee decimalen in, twee uit.

Syllabus R5.3 en R&A (significante cijfers: bij optellen en aftrekken tellen de decimalen). Controle: 2 × 0,33 = 0,66; 2 × 0,90 = 1,80; 0,66 − 1,80 = −1,14; half is −0,57. ΔE hoort bij de vergelijking zoals je die opschrijft: dubbele coëfficiënten geven dubbele ΔE, per mol NO₂ is het de helft. Voorkom dat leerlingen zeggen dat de reactie endotherm is omdat de vormingswarmtes positief zijn: het gaat om het verschil. Veelgemaakte fouten: coëfficiënt 2 vergeten (dan ΔE = −0,57·10⁵ J voor de verkeerde hoeveelheid) en de beginstoffen van de producten aftrekken.

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · ENERGIE

Vormingswarmte uit reactiewarmte

• Zijn ΔE en alle vormingswarmtes op één na bekend, stel dan de formule op en los de onbekende op.

• C₃H₈(g) + 5 O₂(g) → 3 CO₂(g) + 4 H₂O(l), ΔE = −22,21·10⁵ J per mol propaan.

• Gegeven: CO₂ −3,94 en H₂O(l) −2,86. Producten: 3 × (−3,94) + 4 × (−2,86) = −23,26.

• −22,21 = −23,26 − x, dus x = −23,26 + 22,21 = −1,05: Δf(C₃H₈) = −1,05·10⁵ J mol⁻¹.

• Controleer door terug te rekenen: −23,26 − (−1,05) = −22,21.

Syllabus R5.4 (alleen vwo): de vormingswarmte van een stof berekenen met de reactiewarmte en vormingswarmtes. Vergelijking klopt: links 3 C, 8 H, 10 O; rechts 3 C, 8 H, 6 + 4 = 10 O. Controle: 3 × (−3,94) = −11,82; 4 × (−2,86) = −11,44; som −23,26; x = −23,26 − (−22,21) = −1,05. Twee decimalen in alle gegevens, dus twee decimalen in het antwoord. Veelgemaakte fouten: het teken van x omdraaien (+1,05) en de beginstoffen met de producten verwisselen.

ΔE van 2 H₂O₂(l) → 2 H₂O(l) + O₂(g)? Δf H₂O₂ −1,88; H₂O(l) −2,86 (10⁵ J mol⁻¹)

A

−0,98·10⁵ J

B

−1,96·10⁵ J

C

+1,96·10⁵ J

D

−9,48·10⁵ J

Producten: 2 × (−2,86) + 0 = −5,72. Beginstoffen: 2 × (−1,88) = −3,76. ΔE = −5,72 − (−3,76) = −1,96·10⁵ J, exotherm. Vergelijking klopt: links 4 H en 4 O, rechts 4 H en 2 + 2 = 4 O. Verwachte fouten: de coëfficiënt 2 vergeten (−0,98·10⁵ J), het teken omdraaien (+1,96·10⁵ J) en producten en beginstoffen optellen (−9,48·10⁵ J). Syllabus R5.3.

N₂ + 3 H₂ → 2 NH₃ heeft ΔE = −0,92·10⁵ J. ΔE van ½ N₂ + 3/2 H₂ → NH₃?

A

−0,92·10⁵ J

B

−1,84·10⁵ J

C

+0,46·10⁵ J

D

−0,46·10⁵ J

Alle coëfficiënten gedeeld door 2 betekent ΔE gedeeld door 2: −0,92 / 2 = −0,46·10⁵ J. Dit is ook de vormingswarmte van NH₃, want er ontstaat 1 mol uit de elementen. Verwachte fouten: ΔE niet aanpassen aan de coëfficiënten, of verdubbelen in plaats van halveren. Syllabus R5.3.

Calorimeter met thermometer (foto: M. J. Mrowinski, CC BY-SA 4.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · ENERGIE

Energiebehoud en warmte meten

• Energiebehoud: in een energiebalans is de energie die erin gaat gelijk aan de energie eruit.

• Warmte aan water: Q = m · c · ΔT (in de opgave gegeven); c(water) = 4,18·10³ J kg⁻¹ K⁻¹.

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

• Voorbeeld: 0,250 kg water warmt 7,50 K op: Q = 0,250 × 4,18·10³ × 7,50 = 7,84·10³ J.

Syllabus R5.5 en R&A3.1: redeneren met berekeningen en de wet van behoud van energie bij elektrische energie en warmte; energiebehoud/energiebalans. De formules Q = m · c · ΔT en E = P · t 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 in de opgave verlies wordt genoemd. Controle: 0,250 × 4180 = 1045; 1045 × 7,50 = 7837,5 J = 7,84·10³ J (drie significante cijfers). Veelgemaakte fouten: g in plaats van kg, ΔT niet nemen (gewoon de eindtemperatuur) en kW niet omrekenen naar W. Image credit: Maciej J. Mrowinski / Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

Animatie met voorbeeldwaarden: chemische energie wordt elektrisch, beweging en warmte

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · ENERGIE

Chemisch naar elektrisch

• Een brandstofcel zet chemische energie om in elektrische energie én warmte.

• Elektrisch rendement = elektrische energie / chemische energie × 100%.

• In de animatie: 55 J elektrisch uit 100 J; de motor maakt daar 40 J beweging van.

• Wat geen elektrische energie of beweging wordt, is warmte: de som blijft 100 J.

Syllabus R5.5 en C9: omzettingen van chemische energie, energiebehoud en de verandering van energiesoort. De getallen in de animatie zijn voorbeeldgetallen om de energiebalans te laten zien, geen meetwaarden van een bepaalde brandstofcel of motor. Wat te zien: de breedte van elke kolom is evenredig met de energie; na elke stap wordt de warmtekolom groter. Kijkvraag: welk deel van de 100 J is na twee stappen nuttige beweging, en waar is de rest gebleven? Veelgemaakte fout: zeggen dat de rest verloren is gegaan; het is warmte. Image credit: Eigen animatie

Kolencentrale met hoge schoorsteen en kolenopslag (foto: Mussi Katz, CC0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · ENERGIE

Kwaliteit van energie

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

• Warmte van omgevingstemperatuur heeft een lage kwaliteit: er is weinig mee te doen.

• Bij elke omzetting wordt minstens een deel warmte: de totale energie blijft gelijk, de kwaliteit daalt.

• Een centrale zet chemische energie om in elektrische energie en warmte voor de omgeving.

Syllabus C9: aangeven hoe de energiesoort en de kwaliteit van energie bij chemische processen verandert; R5.5. Verband met energiebehoud: de hoeveelheid blijft gelijk, de bruikbaarheid niet. Kijkvraag: welke energiesoorten zie je in en bij de centrale, en welke is van de laagste kwaliteit? Veelgemaakte fout: kwaliteit en hoeveelheid door elkaar halen; zeggen dat er energie verloren gaat in plaats van dat een deel lage-kwaliteitswarmte wordt. Image credit: Mussi Katz / Wikimedia Commons, CC0

Een reactie geeft 5,0·10³ J aan 0,100 kg water (c = 4,18·10³). Wat is ΔT?

A

12 K

B

1,2 K

C

0,012 K

D

5,0·10⁴ K

ΔT = Q / (m · c) = 5,0·10³ / (0,100 × 4,18·10³) = 5,0·10³ / 418 = 11,96 K = 12 K (twee significante cijfers). Verwachte fouten: de massa vergeten (1,2 K), de massa in g invullen (0,012 K) en c vergeten (5,0·10⁴ K). Syllabus R5.5.

Wat vond je vandaag het lastigst?

1

Het energiediagram met Ea en ΔE

2

ΔE met vormingswarmtes

3

Vormingswarmte uit ΔE

4

Energiebehoud en kwaliteit

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

Hoe controleer jij of het teken van je ΔE klopt?

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

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · ENERGIE

Begrippen (1/2)

• exotherm: energie komt vrij: ΔE < 0

• endotherm: energie wordt opgenomen: ΔE > 0

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

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

• energiediagram: energieniveaus tijdens het reactieverloop

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · ENERGIE

Begrippen (2/2)

• overgangstoestand: top van het diagram, hoogste energie

• activeringsenergie (Ea): E overgangstoestand − E beginstoffen

• ontbrandingstemperatuur: laagste temperatuur waarbij een stof gaat branden

• energiebehoud: energie wordt omgezet, niet gemaakt of vernietigd

• kwaliteit van energie: elektrisch hoog, warmte van omgevingstemperatuur laag