Energie bij reacties (Scheikunde havo), les 2: Examentraining
Thermietreactie: zoveel warmte dat het gevormde ijzer vloeibaar wordt (foto: Kingfisher, CC BY-SA 3.0)
EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · ENERGIE
Examentraining
Energie bij reacties: zo pak je examenvragen aan
Lesduur is: 45 minIntroductie
Onderdelen in deze les
Thermietreactie: zoveel warmte dat het gevormde ijzer vloeibaar wordt (foto: Kingfisher, 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: Kingfisher / Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0
EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · ENERGIE
Wat ga je kunnen?
Ik kan een energiediagram lezen, ΔE berekenen en redeneren met energiebehoud en kwaliteit van energie.
Deze slide heeft geen instructies
EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · ENERGIE
Zo pak je een examenvraag aan
1. Lees: wat is gegeven (diagram, vormingswarmtes, massa, tijd) en wat wordt gevraagd?
2. Kies: diagram aflezen, ΔE met vormingswarmtes, Q = m · c · ΔT of E = P · t?
3. Reken: producten min beginstoffen, met coëfficiënten; let op het teken en de eenheid.
4. Controleer: exotherm geeft een negatieve ΔE; rond af op decimalen of significante cijfers.
Deze slide heeft geen instructies
EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · ENERGIE
Vraagtype 1: een energiediagram lezen
Lees uit het diagram drie niveaus af: beginstoffen, overgangstoestand en producten.
Ea = E overgangstoestand − E beginstoffen.
ΔE = E producten − E beginstoffen.
De top ligt altijd minstens even hoog als de producten en de beginstoffen.
Deze slide heeft geen instructies
Beginstoffen 50 kJ, top 120 kJ, producten 20 kJ. Wat zijn Ea en ΔE?
Ea = 70 kJ en ΔE = −30 kJ
Ea = 70 kJ en ΔE = +30 kJ
Ea = 120 kJ en ΔE = −30 kJ
Ea = 100 kJ en ΔE = +30 kJ
Ea = 120 − 50 = 70 kJ; ΔE = 20 − 50 = −30 kJ (exotherm). Verwachte fouten: het teken omdraaien, de top zelf als Ea nemen (120) of Ea meten vanaf de producten (120 − 20 = 100). Syllabus R5.1 en R5.2.
ΔE = +40 kJ en Ea = 25 kJ. Waarom kan dit niet?
De top ligt minstens even hoog als de producten. Bij ΔE = +40 kJ liggen de producten 40 kJ boven de beginstoffen, dus Ea moet minstens 40 kJ zijn. Verwachte fout: alleen zeggen dat Ea te klein is zonder het diagram te noemen. Syllabus R5.2.
EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · ENERGIE
Vraagtype 2: ΔE berekenen met vormingswarmtes
Ethanol verbrandt: C₂H₅OH(l) + 3 O₂(g) → 2 CO₂(g) + 3 H₂O(l).
Vormingswarmtes (10⁵ J mol⁻¹): C₂H₅OH(l) −2,78; CO₂(g) −3,94; H₂O(l) −2,86.
Ook gegeven voor de tweede vraag: CaCO₃(s) −12,07 en CaO(s) −6,35 (10⁵ J mol⁻¹).
ΔE = som producten − som beginstoffen; een element zoals O₂ heeft vormingswarmte 0.
Deze slide heeft geen instructies
Wat is ΔE voor de verbranding van 1 mol ethanol?
+1,37·10⁶ J
−1,37·10⁶ J
−7,96·10⁵ J
−1,92·10⁶ J
Producten: 2 × (−3,94) + 3 × (−2,86) = −7,88 − 8,58 = −16,46; beginstoffen: −2,78 + 3 × 0 = −2,78; ΔE = −16,46 + 2,78 = −13,68·10⁵ J = −1,37·10⁶ J. Verwachte fouten: teken omgedraaid (+1,37·10⁶), de coëfficiënt 3 van H₂O vergeten (−7,88 − 2,86 + 2,78 = −7,96·10⁵) en de beginstoffen optellen in plaats van aftrekken (−16,46 − 2,78 = −19,24·10⁵ = −1,92·10⁶). Syllabus R5.3.
Bereken ΔE (J): CaCO₃(s) → CaO(s) + CO₂(g)
Producten: −6,35 + (−3,94) = −10,29; beginstof: −12,07; ΔE = −10,29 − (−12,07) = +1,78·10⁵ J. Positief, dus endotherm. Verwachte fouten: beginstoffen min producten (−1,78·10⁵) en de vormingswarmte van CO₂ vergeten. Syllabus R5.3.
EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · ENERGIE
Vraagtype 3: warmte en elektrische energie
Behoud van energie: de energie die een proces levert, komt uit een andere energievorm.
Gegeven formules: E = P · t (elektrische energie) en Q = m · c · ΔT (warmte).
Gegeven: c(water) = 4,18·10³ J kg⁻¹ K⁻¹; ethanol verbranden geeft ΔE = −1,37·10⁶ J mol⁻¹.
Casus: 0,0100 mol ethanol verbrandt onder 0,100 kg water; alle warmte gaat naar het water.
Deze slide heeft geen instructies
Met E = P · t: hoeveel J gebruikt een waterkoker van 2,0 kW in 90 s?
1,8·10² J
3,0·10³ J
2,1·10³ J
1,8·10⁵ J
P = 2,0 kW = 2,0·10³ W; E = P · t = 2,0·10³ × 90 = 1,8·10⁵ J. Verwachte fouten: kW niet omrekenen (1,8·10² J), de tijd delen door 60 en vermenigvuldigen (3,0·10³ J) en optellen in plaats van vermenigvuldigen (2,1·10³ J). Syllabus R5.4.
Bereken ΔT van het water in K (zie casus).
Q = 0,0100 mol × 1,37·10⁶ J mol⁻¹ = 1,37·10⁴ J. ΔT = Q / (m · c) = 1,37·10⁴ / (0,100 × 4,18·10³) = 1,37·10⁴ / 418 = 32,8 K. Drie significante cijfers. Verwachte fouten: de mol niet meenemen (3,28·10³ K) en m in g invullen. Syllabus R5.4.
Stoomwolken uit koeltorens van een elektriciteitscentrale: afgevoerde warmte (John Amos, VS)
EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · ENERGIE
Vraagtype 4: kwaliteit en ontbranding
Elektrische energie is van hoge kwaliteit, warmte van lage kwaliteit.
Bij elke omzetting wordt minstens een deel warmte; die is lastig nog te benutten.
Een brandstof reageert pas met zuurstof als de ontbrandingstemperatuur is bereikt.
Een exotherme reactie levert daarna zelf de warmte om de temperatuur hoog te houden.
Image credit: Harry Schaefer, U.S. National Archives / Wikimedia Commons, publiek domein
Waarom is warmte van lage kwaliteit?
Warmte is niet volledig terug om te zetten in andere vormen
Warmte gaat bij een omzetting altijd verloren voor de totale energie
Warmte bevat per joule minder energie dan elektrische energie
Warmte kan niet worden gebruikt om iets te verwarmen of aan te drijven
Bij elke omzetting blijft de totale energie gelijk, maar een deel wordt warmte die lastig nog nuttig te gebruiken is. Verwachte fout: denken dat energie verdwijnt of dat een joule warmte kleiner is dan een joule elektrische energie. Syllabus R5.5.
Papier brandt pas na aansteken. Verklaar.
Bij kamertemperatuur is de temperatuur lager dan de ontbrandingstemperatuur, dus hebben te weinig botsingen de activeringsenergie. Na aansteken wordt die temperatuur bereikt; de exotherme reactie levert daarna zelf warmte, zodat het papier blijft branden. Verwachte fout: alleen zeggen dat het papier warm moet worden. Syllabus R5.1.
Welk vraagtype vind jij het lastigst?
Een energiediagram lezen
ΔE met vormingswarmtes
Warmte en elektrische energie
Kwaliteit en ontbranding
Bespreek het vraagtype met de meeste stemmen nog eens klassikaal.
EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · ENERGIE
Tips voor op het examen
Bereken ΔE altijd als producten min beginstoffen en vermenigvuldig met de coëfficiënten.
Een element heeft vormingswarmte 0; zoek de andere stoffen op of lees ze uit de opgave.
Reken kW om naar W en minuten naar seconden voordat je E = P · t gebruikt.
Zeg bij kwaliteit van energie: de totale energie blijft gelijk, maar er komt warmte bij.
Deze slide heeft geen instructies
