Samenvatting · Scheikunde · vwo 6 Chemie: stoffen, energie en duurzaamheid

Chemie: stoffen, energie en duurzaamheid

1. Stoffen, bindingen en eigenschappen

De eigenschappen van een stof hangen samen met de bouw op drie niveaus:

• Macroniveau: zichtbare en meetbare eigenschappen, zoals hardheid, geleidingsvermogen, smeltpunt en brandbaarheid.
• Microniveau: de aanwezige deeltjes, zoals moleculen, atomen en ionen.
• Mesoniveau: de ordening van de deeltjes, bijvoorbeeld kristallen, vezels en lagen.

Soorten stoffen en roosters

• In een metaalrooster zijn vrije elektronen aanwezig. Daardoor geleiden metalen stroom en zijn zij meestal goed vervormbaar.
• In een ionrooster werken sterke elektrostatische krachten tussen positieve en negatieve ionen. Daarom hebben zouten vaak hoge smelt- en kookpunten.
• Moleculaire stoffen bestaan uit afzonderlijke moleculen. Tussen deze moleculen werken vanderwaalsbindingen.

Atoombindingen en intermoleculaire krachten

Een atoombinding ontstaat door een gemeenschappelijk elektronenpaar. De covalentie geeft aan hoeveel atoombindingen een atoom kan vormen.

De polariteit van een atoombinding hangt af van het verschil in elektronegativiteit:

• Bij een verschil van maximaal $0,4$ is de atoombinding apolair.
• Bij een verschil tussen $0,4$ en $1,7$ is de atoombinding polair.
• Bij een verschil groter dan $1,7$ is sprake van een ionbinding.

Een molecuul met polaire atoombindingen kan toch apolair zijn als de ladingsverdeling door de bouw van het molecuul wordt opgeheven. Tussen apolaire moleculen werken alleen vanderwaalsbindingen.

Tussen dipoolmoleculen werken naast vanderwaalsbindingen ook dipool-dipoolbindingen. Moleculen met een O–H- of N–H-binding kunnen bovendien waterstofbruggen vormen. Deze relatief sterke intermoleculaire kracht verklaart bijvoorbeeld waarom stoffen met OH- of NH-groepen vaak een hoger kookpunt hebben dan op grond van hun molecuulmassa wordt verwacht.

Bij oplossen geldt:

• Apolaire stoffen lossen goed op in apolaire oplosmiddelen.
• Polaire stoffen lossen goed op in polaire oplosmiddelen.
• Als een stof zich over meerdere oplosmiddelen verdeelt, ontstaat een verdelingsevenwicht.

2. Zouten, oplossingen en neerslagreacties

Een zout ontstaat bij een reactie van een metaal met een niet-metaal. Metaalatomen staan dan elektronen af; niet-metaalatomen nemen deze op. De gevormde ionen worden gerangschikt in een ionrooster.

Een zoutformule is een verhoudingsformule: de totale positieve en negatieve lading moeten samen nul zijn. De naam van een zout bestaat uit de naam van het positieve ion gevolgd door de naam van het negatieve ion. Als een metaal meer dan één mogelijke ionlading heeft, wordt een Romeins cijfer gebruikt.

Bij oplossen in water laten de ionen in het ionrooster elkaar los. Er ontstaan gehydrateerde ionen:

Bij indampen ontstaat het vaste zout weer uit de opgeloste ionen.

Oplosbaarheid en neerslag

Een slecht oplosbaar zout kan met zijn ionen in evenwicht zijn:

Bij een neerslagreactie worden ionen samengevoegd die niet naast elkaar in oplossing kunnen voorkomen. Zij vormen dan direct een vaste stof. In een neerslagvergelijking staan alleen de ionen die het neerslag vormen:

Neerslagreacties worden gebruikt voor:

• Het verwijderen van ongewenste ionen uit water.
• Het maken van slecht oplosbare zouten.
• Het aantonen van ionen.
• Het ontharden van water.

Hard water bevat veel $\mathrm{C}{\mathrm{a}}^{2+}(\mathrm{aq})$- en/of $\mathrm{M}{\mathrm{g}}^{2+}(\mathrm{aq})$-ionen. Bij verwarmen kunnen deze ionen problemen veroorzaken. Toevoegen van soda (natriumcarbonaat) kan hard water ontharden: de calciumionen slaan dan neer als slecht oplosbaar calciumcarbonaat.

Kristalwater

Kristalwater is water dat in een ionrooster is gebonden. Zouten met kristalwater heten zouthydraten. Het opnemen van kristalwater is exotherm; het afstaan ervan is endotherm. Zouthydraten worden onder meer toegepast als droogmiddel, in bouwmaterialen en als gips.

3. Koolstofverbindingen en polymeren

Koolwaterstoffen bestaan uitsluitend uit koolstof- en waterstofatomen.

Een homologe reeks bevat stoffen met dezelfde algemene formule. Bij isomerie hebben stoffen dezelfde molecuulformule, maar verschillende structuurformules.

Benzeen en stoffen die daarvan zijn afgeleid, zijn aromatisch. Stoffen zonder benzeenring zijn alifatisch. Een benzeenring als zijgroep heet fenyl.

De karakteristieke groep bepaalt tot welke stofklasse een verbinding behoort. De hoofdgroep is de karakteristieke groep met de hoogste prioriteit en bepaalt het achtervoegsel in de systematische naam.

Belangrijke stofklassen zijn:

• Halogeenverbindingen.
• Ethers.
• Alcoholen.
• Fenolen.
• Aldehyden.
• Ketonen.
• Carbonzuren.
• Esters.
• Aminen.
• Aminozuren.

Alcoholen bevatten een OH-groep; fenolen hebben een OH-groep die direct aan een aromatische ring is gebonden. Aldehyden en ketonen bevatten een C=O-groep. Carbonzuren bevatten de groep COOH. Esters ontstaan in een evenwichtsreactie uit een carbonzuur en een alcohol.

Oliën en vetten zijn triglyceriden: esters van glycerol en vetzuren. Een vet is bij kamertemperatuur vast; een olie is vloeibaar. Oliën bevatten vooral onverzadigde vetzuren met dubbele bindingen in de cis-vorm.

Kunststoffen

Kunststoffen bestaan uit polymeren: zeer grote moleculen die zijn opgebouwd uit monomeren. Polymeren kunnen ontstaan door:

• Additiepolymerisatie: initiatie, propagatie en terminatie. De repeterende eenheid is de monomeereenheid.
• Condensatiepolymerisatie: twee moleculen vormen een groter molecuul, terwijl een klein molecuul wordt afgesplitst.

Bij de vorming van polyesters reageren bijvoorbeeld een dizuur en een diol, of een hydroxyzuur. Bij polyamiden reageren een dizuur en een diamine, of een aminozuur. In beide gevallen ontstaat naast het polymeer water.

De flexibiliteit van een thermoplast hangt af van de grootte van de zijketens, de polymerisatiegraad en de aanwezigheid van weekmakers. Thermoharders zijn door hun netwerkstructuur niet flexibel.

4. Materialen en corrosie

De belangrijkste soorten materialen zijn:

• Metalen en legeringen.
• Polymeren.
• Keramische materialen.
• Composieten.

Bij materiaalkeuze spelen vervormbaarheid, geleidend vermogen, corrosiegevoeligheid, uv-stralingsgevoeligheid, hardheid, brosheid en brandbaarheid een rol.

Een onedel metaal is een sterke reductor en is gevoelig voor corrosie. Een edel metaal is een zwakke reductor. Aluminium en chroom kunnen zichzelf beschermen door een beschermend oxidelaagje te vormen.

Legeringen zijn meestal harder en minder buigzaam dan zuivere metalen. Atomen van verschillende grootte verstoren namelijk het metaalrooster. Ook vervormen maakt metalen harder doordat het aantal metaalkristallen en grensvlakken toeneemt.

Keramische materialen zijn harde vaste stoffen met een hoog smeltpunt. Zij zijn vaak bros en reageren weinig. Hun structuur kan een atoomrooster of een ionrooster zijn.

Composieten zijn samengestelde materialen, bijvoorbeeld vezels of korrels in een ander materiaal, of meerdere lagen van verschillende materialen.

Een smart material verandert een eigenschap onder invloed van bijvoorbeeld temperatuur, druk of licht. Nitinol, een legering van nikkel en titaan, is een geheugenmetaal. Zelfherstellende polymeren zijn smart polymers; zij kunnen zichzelf herstellen doordat nog monomeren aanwezig zijn of doordat verbroken bindingen omkeerbaar zijn.

Bij nanotechnologie wordt gewerkt met structuren van ongeveer 1 tot 100 nm. Nanolaagjes, nanobuisjes en nanobolletjes kunnen andere eigenschappen hebben dan hetzelfde materiaal op grotere schaal. Zelf-assemblage helpt bij het vormen van zulke structuren.

5. Redoxreacties, accu’s en brandstofcellen

Een redoxreactie is een reactie waarbij elektronenoverdracht plaatsvindt.

• Een reductor staat elektronen af.
• Een oxidator neemt elektronen op.
• Een redoxreactie bestaat uit twee halfreacties.
• In de totaalreactie komen geen elektronen meer voor.

Een reactievergelijking is alleen kloppend als zowel de aantallen atomen als de totale ladingen voor en na de pijl gelijk zijn.

In BINAS tabel 48 zijn redoxkoppels gerangschikt naar afnemende oxidatorsterkte. Hoe hoger de standaardelektrodepotentiaal $V^0$, hoe sterker de oxidator en hoe zwakker de reductor.

Voor het verloop van een redoxreactie geldt:

• De reactie is aflopend bij $\Delta V^0\ge 0,3\mathrm{V}$.
• Er ontstaat een evenwicht bij $-0,3\mathrm{V}<\Delta V^0<0,3\mathrm{V}$.
• De reactie verloopt niet bij $\Delta V^0\le -0,3\mathrm{V}$.

Bij halfreacties kunnen ${\mathrm{H}}^{+}$, ${\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$ en $\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{-}$ nodig zijn. In zuur milieu gebruik je vóór de pijl ${\mathrm{H}}^{+}$ of ${\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$; na de pijl mag geen $\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{-}$ ontstaan. In basisch milieu gebruik je vóór de pijl $\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{-}$ of ${\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$; na de pijl mag geen ${\mathrm{H}}^{+}$ ontstaan.

Elektrochemische cellen

Batterijen, accu’s en brandstofcellen zijn elektrochemische cellen. De reductorreactie en oxidatorreactie verlopen in verschillende halfcellen. Elektronen lopen via een stroomdraad; een zoutbrug of membraan sluit de stroomkring.

De bronspanning is het verschil tussen de standaardelektrodepotentiaal van de oxidator en die van de reductor.

• Een batterij levert stroom door een redoxreactie.
• Een accu is oplaadbaar: bij opladen vindt elektrolyse plaats en verlopen de reacties omgekeerd.
• Een brandstofcel krijgt continu zuurstof in de ene halfcel en brandstof in de andere halfcel.

Waterstof is een energiedrager, geen energiebron: het komt niet als aardgas in de bodem voor en moet eerst worden geproduceerd. Door de lage dichtheid is opslag en transport lastig. Batterijen hebben een veel lagere energiedichtheid dan fossiele brandstoffen en biobrandstoffen. Waterstof bevat per kilogram juist veel energie, maar per liter weinig.

6. Energie, elektriciteitscentrales en duurzaamheid

In een kolencentrale wordt water door verbranding van steenkool omgezet in stoom. De stoom drijft een turbine en generator aan. Vliegas, stikstofoxiden en zwaveldioxide worden gedeeltelijk uit rookgassen verwijderd.

Een STEG-centrale gebruikt aardgas en combineert een gasturbine met een stoomturbine. Daardoor is het rendement hoger en is de centrale schoner dan een kolencentrale.

Bij kolenvergassing wordt steenkool omgezet in synthesegas of waterstof, dat in een STEG-eenheid wordt verbrand. Vervuiling is geringer dan bij traditionele kolenverbranding. Bovendien kan koolstofdioxide gemakkelijker worden afgevangen en opgeslagen.

Voor de locatie van een centrale zijn nodig:

• Goede aanvoer en opslag van brandstof.
• Voldoende beschikbaarheid van koelwater.
• Voldoende afname van stroom en eventueel warmte door warmtekrachtkoppeling.
• Mogelijkheid voor opslag van koolstofdioxide in de toekomst.

Een milieueffectrapportage beschrijft gevolgen voor de omgeving, waaronder transport van grondstoffen, koelwatergebruik, uitstoot van schadelijke stoffen en risico’s bij calamiteiten.

Duurzame energiebronnen raken niet op, zijn niet schadelijk voor mens en milieu en zijn op termijn economisch haalbaar. Voorbeelden zijn windenergie, biomassa, zonne-energie en ‘blue energy’. Een belangrijk probleem blijft het in balans brengen van vraag en aanbod van elektriciteit.

7. Rekenen met stoffen en reacties

Belangrijke relaties zijn:

waarbij $n$ de chemische hoeveelheid in mol is, $m$ de massa in g en $M$ de molaire massa in $\mathrm{g}\mathrm{mo}{\mathrm{l}}^{-1}$.

Voor gassen geldt:

Het molaire volume hangt af van temperatuur en druk. Bij $p=p_0$ en $T=298\mathrm{K}$ is $V_{\mathrm{m}}=24,5\mathrm{d}{\mathrm{m}}^3\mathrm{mo}{\mathrm{l}}^{-1}$.

De molariteit is:

met $c$ in $\mathrm{mol}{\mathrm{L}}^{-1}$, $n$ in mol en $V$ in L.

Bij rekenen aan reacties:

De coëfficiënten in een reactievergelijking geven dus altijd de molverhouding weer, niet rechtstreeks een massa- of volumeverhouding.