T5 - chemische reactie SAM.pdf

# Algemene aspecten van chemische reacties en de wet van behoud Een chemische reactie is een proces dat leidt tot de vorming van nieuwe stoffen door de herschikking van atomen, terwijl fysische processen de chemische identiteit van de stoffen onveranderd laten [1](#page=1). ### 1.1 Fysische processen versus chemische processen #### 1.1.1 Fysische processen Fysische processen kenmerken zich doordat de moleculen van een stof ongewijzigd blijven, hoewel hun uiterlijke kenmerken of aggregatietoestand kunnen veranderen. Deze processen zijn vaak omkeerbaar [1](#page=1). * **Voorbeelden van fysische processen:** * Het gloeien van een spijker in een vlam: het ijzer verandert niet van chemische samenstelling [1](#page=1). * Het mengen van niet-mengbare vloeistoffen [1](#page=1). * Het oplossen van suiker in koffie [1](#page=1). * Faseovergangen zoals smelten, koken, stollen of condenseren: hierbij verandert de aggregatietoestand door energie-uitwisseling, maar de chemische samenstelling blijft gelijk. De structuur van de deeltjes verandert wel, wat gerelateerd is aan hun thermische beweeglijkheid [1](#page=1). #### 1.1.2 Chemische processen Bij chemische processen, oftewel chemische reacties, verdwijnen de oorspronkelijke moleculen en worden nieuwe moleculen gevormd. Dit impliceert een verandering in de chemische samenstelling van de stof. Atomen herschikken zich om nieuwe moleculen te vormen met potentieel andere eigenschappen [1](#page=1). * Chemische reacties kunnen onomkeerbaar zijn (bv. de verbranding van magnesiumlint) of omkeerbaar (evenwichtsreacties) [1](#page=1). * **Voorbeeld van een chemisch proces:** Het roesten van een ijzeren ketting, waarbij ijzer wordt omgezet in ijzeroxide [1](#page=1). ### 1.2 De wet van behoud van atomen en massa #### 1.2.1 De wet van behoud van atomen Een fundamenteel principe in de chemie is de wet van behoud van atomen. Deze wet stelt dat bij elke chemische reactie het aantal atomen van elke soort vóór de reactie gelijk is aan het aantal atomen van die soort ná de reactie. Atomen zelf worden niet vernietigd of gecreëerd; ze wisselen enkel van bindingspartner [1](#page=1). * Tijdens een reactie worden chemische bindingen in de uitgangsstoffen (reagentia) verbroken en nieuwe bindingen gevormd, wat leidt tot reactieproducten [1](#page=1). #### 1.2.2 Weergave van chemische reacties: reactievergelijkingen Chemische reacties worden weergegeven met behulp van reactievergelijkingen, waarin stoffen worden aangeduid met hun chemische formules [2](#page=2). * **Opbouw van een reactievergelijking:** * De reagentia (beginproducten) staan vóór de reactiepijl [2](#page=2). * De reactieproducten (eindproducten) staan na de reactiepijl [2](#page=2). * **Balancering van reactievergelijkingen:** Om te voldoen aan de wet van behoud van atomen, worden coëfficiënten (voortallen) toegevoegd aan de formules indien nodig. Deze coëfficiënten geven de molaire verhoudingen van de reagerende stoffen aan [2](#page=2). > **Tip:** Coëfficiënten worden gebruikt om ervoor te zorgen dat het aantal atomen van elk element aan beide zijden van de reactievergelijking gelijk is. #### 1.2.3 De wet van behoud van massa Uit de wet van behoud van atomen volgt direct de wet van behoud van massa. Deze wet stelt dat de totale massa van de reactieproducten gelijk is aan de totale massa van de reagentia. Dit is een direct gevolg van het feit dat atomen niet kunnen ontstaan of verdwijnen tijdens een chemische reactie, maar enkel worden herschikt [2](#page=2). ### 1.3 Thermodynamische aspecten van een chemische reactie De thermodynamica bestudeert de energieveranderingen die gepaard gaan met chemische reacties [2](#page=2). #### 1.3.1 De Eerste Wet van de Thermodynamica (Wet van Behoud van Energie) De Eerste Wet van de Thermodynamica, ook bekend als de Wet van Behoud van Energie, stelt dat energie niet kan worden gecreëerd of vernietigd, maar alleen kan worden omgezet van de ene vorm naar de andere. Chemische energie kan bijvoorbeeld worden omgezet in andere energievormen, en vice versa [2](#page=2). * **Energie-uitwisseling tijdens chemische reacties:** * **Exo-energetische reactie:** Het systeem geeft energie af aan de omgeving. Dit resulteert in een daling van de energie-inhoud van het systeem, wat betekent dat de reactieproducten een lagere energie-inhoud hebben dan de reagentia. In symbolen: $\Delta E < 0$ [2](#page=2). * **Endo-energetische reactie:** Het systeem neemt energie op uit de omgeving. Dit leidt tot een stijging van de energie-inhoud van het systeem, wat betekent dat de reactieproducten een hogere energie-inhoud hebben dan de reagentia. In symbolen: $\Delta E > 0$ [2](#page=2). * De verandering in energie ($\Delta E$) wordt berekend als: $$ \Delta E = E_{\text{reactieproducten}} - E_{\text{reagentia}} $$ * De term 'energie-inhoud' of 'inwendige energie ($U$)' omvat alle opgeslagen energie in atomen en moleculen [2](#page=2). > **Tip:** Onthoud dat een negatieve $\Delta E$ wijst op energieafgifte (exo-energetisch), en een positieve $\Delta E$ op energieopname (endo-energetisch). * De uitgewisselde energie kan verschillende vormen aannemen [2](#page=2). --- # Thermodynamische aspecten van chemische reacties Dit gedeelte behandelt de energieveranderingen die gepaard gaan met chemische reacties, de Eerste en Tweede Wet van de Thermodynamica, en de concepten van exo- en endo-energetische reacties, entropie en spontaniteit. ### 2.1 Energieveranderingen bij chemische reacties Chemische reacties worden beschreven met reactievergelijkingen, waarbij reagentia (beginproducten) vóór de reactiepijl staan en reactieproducten (eindproducten) erna. De wet van behoud van atomen zorgt ervoor dat voorgetallen (coëfficiënten) worden toegevoegd om het aantal atomen aan beide zijden van de vergelijking gelijk te houden. Hieruit volgt de wet van behoud van massa: de totale massa van de reactieproducten is gelijk aan de totale massa van de reagentia, omdat atomen alleen herschikken en niet verdwijnen of ontstaan [2](#page=2). De thermodynamica beschrijft de energieveranderingen die optreden tijdens deze chemische reacties [2](#page=2). #### 2.1.1 De Eerste Wet van de Thermodynamica De Eerste Wet van de Thermodynamica, ook bekend als de Wet van Behoud van Energie, stelt dat energie niet gecreëerd of vernietigd kan worden, maar alleen kan worden omgezet van de ene vorm naar de andere. Chemische energie kan dus worden omgezet in andere energievormen en vice versa [2](#page=2). De energie-uitwisseling tijdens chemische reacties kan op twee manieren plaatsvinden: * **Exo-energetische reactie**: Het systeem geeft energie af aan de omgeving. De energie-inhoud van het systeem daalt, wat betekent dat de reactieproducten een lagere energie-inhoud hebben dan de reagentia. Dit wordt uitgedrukt als $\Delta E < 0$ [2](#page=2). * **Endo-energetische reactie**: Het systeem neemt energie op uit de omgeving. De energie-inhoud van het systeem stijgt, wat betekent dat de reactieproducten een hogere energie-inhoud hebben dan de reagentia. Dit wordt uitgedrukt als $\Delta E > 0$ [2](#page=2). De verandering in energie-inhoud ($\Delta E$) wordt berekend als het verschil tussen de energie-inhoud van de reactieproducten en de reagentia: $$ \Delta E = E_{\text{reactieproducten}} - E_{\text{reagentia}} $$ De term 'energie-inhoud' of 'inwendige energie ($U$)' omvat alle opgeslagen energie in atomen en moleculen [2](#page=2). De uitgewisselde energie kan verschillende vormen aannemen, zoals warmte-, stralings- en elektrische energie. Bij de meeste chemische reacties vindt de energie-uitwisseling voornamelijk plaats als warmte. In dat geval spreken we van [3](#page=3): * **Exotherme reacties**: Het systeem geeft warmte af aan de omgeving, waardoor de temperatuur van de omgeving stijgt [3](#page=3). * **Endotherme reacties**: Het systeem neemt warmte op uit de omgeving, waardoor de temperatuur van de omgeving daalt [3](#page=3). Om de uitgewisselde warmte kwantitatief te bepalen, wordt een calorimeter gebruikt, een geïsoleerd vat met een thermometer waarmee de temperatuurverandering en de warmte-uitwisseling gemeten kan worden [3](#page=3). > **Tip:** Bij exo-energetische reacties daalt de energie-inhoud van het systeem, terwijl bij endo-energetische reacties deze toeneemt. > **Voorbeeld:** Verbrandingen zijn exotherme reacties waarbij warmte-energie vrijkomt. Fotosynthese is een endo-energetische reactie die stralingsenergie (zonlicht) opneemt. Elektrolyse is een endo-energetische reactie die elektrische energie opneemt [3](#page=3). #### 2.1.2 De Tweede Wet van de Thermodynamica en Spontaniteit De Tweede Wet van de Thermodynamica stelt dat een proces spontaan is als er een toename van entropie plaatsvindt. Entropie ($S$) is een maat voor de wanorde binnen een systeem. Hoe groter de wanorde, hoe spontaner een proces over het algemeen verloopt [4](#page=4). * **Spontane processen** gebeuren 'vanzelf' zonder continue externe energietoevoer. Veel spontane processen zijn exo-energetisch/exotherm, waarbij energie of warmte vrijkomt (bijv. magnesiumlint in zoutzuur). Echter, endo-energetische/endotherme processen kunnen ook spontaan verlopen, zoals het smelten van ijs bij voldoende hoge temperaturen [3](#page=3). * **Niet-spontane processen** vereisen een continue energietoevoer van buitenaf. Voorbeelden zijn elektrolyse van water (vereist elektriciteit) en fotosynthese (vereist zonlicht) [3](#page=3). > **Voorbeeld:** Het oplossen van keukenzout in water is een spontaan proces omdat de ionen zich verspreiden en de wanorde (entropie) toeneemt. Een explosie die geordende stoffen omzet in wanordelijke gassen, veroorzaakt een enorme entropietoename en is daarom spontaan [4](#page=4). Sommige spontane processen hebben een initiële **activeringsenergie** nodig om op gang te komen, waarna ze zelfonderhoudend verlopen. Verbrandingsreacties, zoals het aansteken van papier, vereisen deze initiële energie-impuls. De benodigde activeringsenergie varieert sterk per reactie [3](#page=3). ### 2.2 Reactiesnelheid en het Botsingsmodel Chemische reacties variëren enorm in snelheid, van explosies tot langzame processen zoals composteren. Het beïnvloeden van de reactiesnelheid is cruciaal in vele toepassingen, zoals voedselconservering en industriële processen. In biologische systemen reguleren enzymen chemische reacties met hoge precisie [4](#page=4). Het **Botsingsmodel** verklaart dat een chemische reactie alleen optreedt indien aan twee voorwaarden is voldaan [4](#page=4): 1. De reagerende deeltjes moeten met de juiste oriëntatie tegen elkaar botsen [4](#page=4). 2. De deeltjes moeten met voldoende kinetische energie (snelheid) tegen elkaar botsen [4](#page=4). Moleculen hebben voldoende bewegingsenergie nodig om bindingen (gedeeltelijk) te verbreken tijdens botsingen, wat kan leiden tot een overgangstoestand of geactiveerd complex [4](#page=4). #### 2.2.1 Factoren die de reactiesnelheid beïnvloeden Factoren die de reactiesnelheid beïnvloeden, werken door: 1. Het aantal botsingen te verhogen [4](#page=4). 2. De effectiviteit van de botsingen te verhogen door: [4](#page=4). a. Een gepaste oriëntatie te verzekeren [4](#page=4). b. Een hogere kinetische energie (snelheid) te geven aan de deeltjes [4](#page=4). --- # Reactiesnelheid en factoren die deze beïnvloeden Dit gedeelte behandelt het botsingsmodel voor chemische reacties en onderzoekt hoe temperatuur, concentratie, verdelingsgraad, lichtenergie en katalysatoren de reactiesnelheid beïnvloeden [4](#page=4). ### 3.1 Het botsingsmodel Volgens het botsingsmodel komt een chemische reactie alleen tot stand als aan twee voorwaarden is voldaan [4](#page=4): 1. De reagerende deeltjes moeten met een gepaste oriëntatie tegen elkaar botsen [4](#page=4). 2. De deeltjes moeten met voldoende energie, oftewel snelheid, tegen elkaar botsen [4](#page=4). Moleculen hebben voldoende bewegingsenergie nodig om bindingen (gedeeltelijk) te verbreken tijdens botsingen. Dit kan leiden tot een overgangstoestand of geactiveerd complex, waarin de moleculen nog enigszins verbonden zijn [4](#page=4). ### 3.2 Factoren die de reactiesnelheid beïnvloeden Factoren die de reactiesnelheid beïnvloeden, doen dit door het aantal botsingen te verhogen of de botsingen effectiever te maken. Effectievere botsingen worden bereikt door een gepaste oriëntatie te geven aan de deeltjes en door ze meer energie te geven [4](#page=4). #### 3.2.1 De temperatuur Verwarming verhoogt de totale energie-inhoud van de reactie, waardoor de deeltjes heviger bewegen en vaker botsen. Dit verhoogt zowel het aantal botsingen als de effectiviteit ervan. Een temperatuurstijging zorgt er ook voor dat meer moleculen de minimale activeringsenergie bereiken, wat de reactiesnelheid verder verhoogt [5](#page=5). > **Voorbeelden:** > * Koken in een hogedrukpan (hogere temperatuur, snellere bereiding) [5](#page=5). > * Bewaren van voedsel in koelkasten of diepvriezers (lagere temperatuur, langzamer bederf) [5](#page=5). > * Industriële processen vinden vaak plaats bij hoge temperaturen, zoals ammoniaksynthese bij ongeveer 500℃ [5](#page=5). > * Veranderingen in het bioritme van planten en koudbloedige dieren met de seizoenen [5](#page=5). #### 3.2.2 De concentratie Een hogere concentratie betekent meer deeltjes in een reactiemengsel, wat direct leidt tot een groter aantal botsingen en dus een hogere reactiesnelheid [5](#page=5). > **Voorbeelden:** > * Voldoende ventilatie bij verbrandingsprocessen (bijvoorbeeld tocht bij een kampvuur) voor een hogere zuurstofconcentratie [5](#page=5). > * Hoge concentratie natriumhydroxide in ontstoppers voor snelle afbraak van organisch materiaal [5](#page=5). > * Flambeerbaarheid van sterke drank vereist voldoende alcoholconcentratie [5](#page=5). #### 3.2.3 De verdelingsgraad Een grotere verdelingsgraad, zoals een fijner poeder in plaats van een brok, zorgt voor een groter contactoppervlak. Dit verhoogt het aantal botsingen en daarmee de reactiesnelheid [5](#page=5). > **Voorbeelden:** > * Spaanders ontsteken makkelijker dan een dik houtblok [5](#page=5). > * Kauwen en emulgeren in de spijsvertering vergroten het contactoppervlak voor enzymen [5](#page=5). > * Vernevelen van brandstof (benzine, diesel) voor snellere verbranding [5](#page=5). > * Werken met opgeloste chemicaliën in plaats van vaste stoffen in laboratoria [5](#page=5). #### 3.2.4 Lichtenergie Sommige moleculen worden geactiveerd door lichtenergie op te nemen. Dit verhoogt de energie van de deeltjes, waardoor het aantal botsingen en de effectiviteit ervan toenemen, vergelijkbaar met een temperatuurstijging [5](#page=5). > **Voorbeelden:** > * Bewaren van lichtgevoelige voedingsmiddelen in bruine flessen (bier) of ondoorschijnende verpakkingen (melk, vanwege vitamine B2) [6](#page=6). #### 3.2.5 Katalysatoren Een katalysator is een stof die een specifieke chemische reactie versnelt zonder zelf verbruikt te worden. Katalysatoren verhogen het aantal botsingen en maken ze effectiever door de moleculen beter te oriënteren en ze meer energie te geven. De werking berust op het aanbieden van een alternatieve reactieroute met een lagere activeringsenergie [6](#page=6). > **Voorbeelden:** > * De meeste industriële chemische processen maken gebruik van katalysatoren, zoals nikkel bij de hydrogenering van oliën [6](#page=6). > * Enzymen zijn biologische katalysatoren die biochemische processen in cellen optimaal versnellen, door reagensmoleculen specifiek te positioneren (sleutel-slotprincipe) [6](#page=6). --- # Anorganische reactiesoorten: neerslag, gasontwikkeling, neutralisatie en redoxreacties Dit deel van de cursus behandelt de vier voornaamste types anorganische reacties: neerslagreacties, gasontwikkelingsreacties, neutralisatiereacties en redoxreacties, met uitleg over hun mechanismen en praktische toepassingen [6](#page=6). ### 4.1 Inleiding tot anorganische reactiesoorten Wanneer twee elektrolytoplossingen worden samengevoegd, kunnen diverse reactietypes optreden of kan er geen waarneembare reactie plaatsvinden. Elektrolyten zijn samengestelde stoffen die in gesmolten of opgeloste toestand ionen vormen en daardoor elektrische stroom geleiden. De vier belangrijkste reactiesoorten zijn [6](#page=6): * **Neerslagreactie:** Vorming van een onoplosbare vaste stof [6](#page=6). * **Gasontwikkelingsreactie:** Vorming van een slecht oplosbaar gas [6](#page=6). * **Neutralisatiereactie:** Een zuur en een base reageren tot zout en water [6](#page=6). * **Redoxreactie:** Overdracht van elektronen [6](#page=6). #### 4.1.1 De neerslagreactie De oplosbaarheid van ionische verbindingen in water wordt bepaald door de balans tussen de elektrostatische aantrekkingskrachten tussen ionen (ionbinding) en de krachten tussen waterdipolen en ionen, die de ionbinding verzwakken. Een neerslagreactie treedt op wanneer de ionenconcentraties in een oplossing een bepaalde drempel overschrijden, waardoor een onoplosbaar zout of metaalhydroxide neerslaat [6](#page=6). ##### 4.1.1.1 Oplosbaarheidstabellen Oplosbaarheidstabellen bieden een overzicht van de oplosbaarheid van diverse kationen en anionen in water. Hierin wordt aangegeven welke combinaties goed, matig of slecht oplosbaar zijn [7](#page=7). > **Tip:** Maak gebruik van oplosbaarheidstabellen om te voorspellen of een neerslag zal ontstaan bij het mengen van twee oplossingen. ##### 4.1.1.2 De ionenuitwisselingsreactie Een ionenuitwisselingsreactie, vaak gevolgd door neerslagvorming, kan in drie stappen worden geanalyseerd [8](#page=8): 1. **Splitsen in ionen:** Beide elektrolyten splitsen in hun afzonderlijke ionen (ionisatie of dissociatie) [8](#page=8). 2. **Recombinatie van ionen:** De ionen worden opnieuw gecombineerd, waarbij de som van de positieve en negatieve ionladingen nul moet zijn. Indien een onoplosbare stof (neerslag) wordt gevormd, wordt dit aangegeven met een pijl naar beneden (${\downarrow}$) of het symbool (s). Ionen die geen neerslag vormen, zijn "toeschouwerionen" [8](#page=8). 3. **Schrijven van de essentiële en stoffenreactievergelijking:** De essentiële reactievergelijking toont enkel de ionen die de neerslag vormen. De stoffenreactievergelijking toont de volledige reactie met de oorspronkelijke stoffen [8](#page=8). > **Voorbeeld 1:** Reactie tussen natriumsulfaat ($Na_2SO_4$) en bariumchloride ($BaCl_2$) [8](#page=8). > > 1. Ionen splitsen: $2 Na^+ + SO_4^{2-}$ en $Ba^{2+} + 2 Cl^-$ > 2. Recombinatie: $Ba^{2+} + SO_4^{2-}$ vormt $BaSO_4$ (neerslag). $Na^+$ en $Cl^-$ blijven in oplossing. > 3. Reactievergelijkingen: > * Essentiële: $Ba^{2+}(aq) + SO_4^{2-}(aq) \rightarrow BaSO_4(s)$ > * Stoffen: $Na_2SO_4(aq) + BaCl_2(aq) \rightarrow BaSO_4(s) + 2 NaCl(aq)$ > **Voorbeeld 2:** Reactie tussen magnesiumjodide ($MgI_2$) en natriumfosfaat ($Na_3PO_4$) [8](#page=8). > > 1. Ionen splitsen: $Mg^{2+} + 2 I^-$ en $3 Na^+ + PO_4^{3-}$ > 2. Recombinatie: $3 Mg^{2+} + 2 PO_4^{3-}$ vormt $Mg_3(PO_4)_2$ (witte neerslag). $Na^+$ en $I^-$ blijven in oplossing. > 3. Reactievergelijkingen: > * Essentiële: $3 Mg^{2+}(aq) + 2 PO_4^{3-}(aq) \rightarrow Mg_3(PO_4)_2(s)$ > * Stoffen: $3 MgI_2(aq) + 2 Na_3PO_4(aq) \rightarrow Mg_3(PO_4)_2(s) + 6 NaI(aq)$ ##### 4.1.1.3 Toepassingen van neerslagreacties Neerslagreacties hebben diverse praktische toepassingen [8](#page=8): * **Bereiding van moeilijk oplosbare verbindingen:** Door oplossingen van goed oplosbare elektrolyten te mengen, kan de gewenste neerslag worden verkregen [8](#page=8). > **Voorbeeld:** Bereiding van zilverbromide ($AgBr$) door zilvernitraat ($AgNO_3$) en kaliumbromide ($KBr$) te mengen [8](#page=8). > > $AgNO_3(aq) + KBr(aq) \rightarrow AgBr(s) + KNO_3(aq)$ * **Kwalitatieve bepaling van ionen:** Specifieke ionen kunnen worden aangetoond door een reagens toe te voegen dat met het te detecteren ion een karakteristieke neerslag vormt. Bijvoorbeeld, het aantonen van loodionen ($Pb^{2+}$) met bromide-ionen ($Br^-$) [9](#page=9). * **Afzonderen van ionen uit een oplossing:** Ionen kunnen stapsgewijs worden geïsoleerd door ze één voor één te laten neerslaan [9](#page=9). > **Voorbeeld:** Scheiden van bariumsulfaat ($Ba^{2+}$), zilverionen ($Ag^+$) en koperionen ($Cu^{2+}$) [9](#page=9). > > 1. $Ag^+$ wordt neergeslagen als $AgCl$ door toevoeging van $NaCl$. > 2. $Ba^{2+}$ wordt neergeslagen als $BaSO_4$ door toevoeging van $Na_2SO_4$. > 3. $Cu^{2+}$ wordt neergeslagen als $Cu(OH)_2$ door toevoeging van $NaOH$. * **De hardheid van water:** Hard water bevat calcium- en magnesiumzouten die neerslagen kunnen vormen. De hardheid wordt uitgedrukt in Franse graden ($ºF$) of Duitse graden ($ºD$) [9](#page=9). #### 4.1.2 De gasontwikkelingsreactie Een gasontwikkelingsreactie is vergelijkbaar met een neerslagreactie, maar hierbij combineren ionsoorten tot een slecht oplosbaar gasvormige stof. Dit wordt aangegeven met een pijl omhoog (${\uparrow}$) of het symbool (g). De belangrijkste gassen die hierbij gevormd worden zijn koolstofdioxide ($CO_2$) en waterstofsulfide ($H_2S$) [10](#page=10). > **Voorbeeld:** Reactie tussen natriumcarbonaat ($Na_2CO_3$) en waterstofchloride ($HCl$) [10](#page=10). > > 1. Ionen splitsen: $2 Na^+ + CO_3^{2-}$ en $H^+ + Cl^-$ > 2. Recombinatie: $2 H^+ + CO_3^{2-}$ vormt $H_2CO_3$, dat direct verder reageert tot $H_2O$ en $CO_2(g)$. $Na^+$ en $Cl^-$ blijven in oplossing. > 3. Reactievergelijkingen: > * Essentiële: $2 H^+(aq) + CO_3^{2-}(aq) \rightarrow H_2O(l) + CO_2(g)\uparrow$ > * Stoffen: $Na_2CO_3(aq) + 2 HCl(aq) \rightarrow 2 NaCl(aq) + H_2O(l) + CO_2(g)\uparrow$ ##### 4.1.2.1 Toepassingen van gasvormingsreacties * **Erosie van gebouwen en standbeelden:** Zure regen (met o.a. $H_2SO_4$) tast kalksteenhoudende gebouwen aan. Kalksteen ($CaCO_3$) reageert met zwavelzuur tot $H_2CO_3$ en vervolgens $CO_2$-gas en $CaSO_4$. Geologen gebruiken dit bruisende effect om kalksteen te identificeren [10](#page=10). * **Vergisting van suiker:** Bij de productie van wijn en bier wordt suiker omgezet in ethanol en koolstofdioxide ($CO_2$) gas [10](#page=10). #### 4.1.3 De neutralisatiereactie Een neutralisatiereactie vindt plaats tussen een zuur en een base, waarbij water en een zout worden gevormd. Het essentiële deel van de reactie is de vorming van water uit waterstofionen ($H^+$) en hydroxideionen ($OH^-$) [10](#page=10) [11](#page=11). > **Voorbeeld:** Reactie tussen calciumhydroxide ($Ca(OH)_2$) en waterstofchloride ($HCl$) [11](#page=11). > > 1. Ionen splitsen: $Ca^{2+} + 2 OH^-$ en $H^+ + Cl^-$ > 2. Recombinatie: $H^+ + OH^-$ vormt $H_2O$. $Ca^{2+}$ en $Cl^-$ blijven in oplossing en kunnen een zout vormen. > 3. Reactievergelijkingen: > * Essentiële: $H^+(aq) + OH^-(aq) \rightarrow H_2O(l)$ > * Stoffen: $Ca(OH)_2(aq) + 2 HCl(aq) \rightarrow CaCl_2(aq) + 2 H_2O(l)$ ##### 4.1.3.1 Toepassingen van neutralisatiereacties * **Zoutvorming en zuurbase-titraties:** Het equivalentiepunt in een zuur-base-titratie wordt bereikt wanneer de hoeveelheden $H^+$ en $OH^-$ exact gelijk zijn, wat resulteert in een neutrale oplossing. De zuurgraad van een oplossing wordt uitgedrukt in pH, gebaseerd op de concentratie van $H^+$ ionen [11](#page=11). * Neutraal: $[H^+] = [OH^-]$, $pH = 7$ [11](#page=11). * Zuur: $[H^+] > [OH^-]$, $pH < 7$ [11](#page=11). * Basisch: $[H^+] < [OH^-]$, $pH > 7$ [11](#page=11). * **Indicatoren:** Stoffen die van kleur veranderen bij specifieke pH-waarden, zoals methyloranje, methylrood, bromothymolblauw en fenolftaleïne [12](#page=12). | Indicator | Kleuromslag pH-bereik | Kleur in zuur milieu | Kleur in basisch milieu | | :---------------- | :-------------------- | :------------------- | :---------------------- | | Methyloranje | 3.1 - 4.4 | Rood | Geel | | Methylrood | 4.4 - 6.2 | Rood | Geel | | Bromothymolblauw | 6.0 - 7.6 | Geel | Blauw | | Fenolftaleïne | 8.2 - 10.0 | Kleurloos | Roze | * **Bufferwerking:** Een buffermengsel is een oplossing waarvan de pH weinig verandert bij toevoeging van kleine hoeveelheden zuur of base. Het koolstofdioxide/bicarbonaat-systeem ($CO_2/HCO_3^-$) is het belangrijkste buffersysteem in menselijk bloed, dat een pH tussen 6,8 en 7,8 handhaaft [12](#page=12). * Acidose: De pH van het bloed daalt (te zuur) [12](#page=12). * Alkalose: De pH van het bloed stijgt (te basisch) [12](#page=12). * Het lichaam reguleert de bloed-pH via ademhaling (aanpassing $CO_2$-niveau) en nieren (aanpassing $HCO_3^-$-niveau) [12](#page=12). * **Andere voorbeelden:** Ontkalken van koffiezetapparaten met azijnzuur ($CH_3COOH$), pH-controle van aquariums, en het neutraliseren van zure grond met ongebluste kalk ($CaO$) [12](#page=12). #### 4.1.4 De redoxreactie Een redoxreactie (reductie-oxidatie) is een chemische reactie waarbij elektronenoverdracht plaatsvindt, wat resulteert in een verandering van oxidatietrappen [13](#page=13). * **Oxidatie:** Een stof staat elektronen af en ondergaat een oxidatie. Het oxidatiegetal (OG) van het atoom stijgt. De stof is een reductor [13](#page=13). * **Reductie:** Een stof neemt elektronen op en ondergaat een reductie. Het oxidatiegetal (OG) van het atoom daalt. De stof is een oxidator [13](#page=13). ##### 4.1.4.1 Oxidatiegetal of oxidatietrap Het oxidatiegetal (OG) van een atoom geeft aan hoeveel elektronen een atoom meer (negatief OG) of minder (positief OG) heeft dan in ongebonden toestand [13](#page=13). **Regels voor het bepalen van het OG:** [13](#page=13). 1. H-atoom heeft altijd $OG = +I$. 2. O-atoom heeft altijd $OG = -II$. 3. Elementen uit groep Ia, IIa, IIIa hebben respectievelijk $OG = +I$, $+II$, $+III$. 4. In een molecule is de som van de ladingen gelijk aan nul. 5. In een ion is de som van de ladingen gelijk aan de lading van het ion. 6. Enkelvoudige stoffen ($H_2$, $Mg$, ...) hebben altijd $OG = 0$. > **Voorbeeld:** Bepaal OG van $H_2SO_4$ [13](#page=13). > > * $H = +I$, $O = -II$ [13](#page=13). > * Geen elementen uit groep Ia, IIa, IIIa [13](#page=13). > * Som van ladingen = 0 [13](#page=13). > * $(2 \times +I) + (1 \times OG_S) + (4 \times -II) = 0$ > * $+2 + OG_S - 8 = 0$ > * $OG_S = +6$ > * De oxidatiegetallen zijn $H(+I)$, $S(+VI)$, $O(-II)$ [13](#page=13). ##### 4.1.4.2 Opstellen van halfreacties Redoxreacties kunnen worden geanalyseerd door ze op te splitsen in halfreacties voor oxidatie en reductie. > **Voorbeeld 1:** Verbranding van magnesiumlint ($Mg + O_2 \rightarrow MgO$) [14](#page=14). > > 1. OG's: $Mg + O_2 \rightarrow Mg(+II)O(-II)$ [14](#page=14). > 2. Halfreacties: > * Oxidatie: $Mg \rightarrow Mg(+II) + 2 e^-$ ($Mg$ is reductor) [14](#page=14). > * Reductie: $O_2 + 4 e^- \rightarrow 2 O(-II)$ ($O_2$ is oxidator) [14](#page=14). > 3. Balanceren: Om de elektronen te balanceren, zijn 2 $Mg$ atomen nodig [14](#page=14). > 4. Totale reactie: $2 Mg + O_2 \rightarrow 2 MgO$ [14](#page=14). > **Voorbeeld 2:** Reactie tussen kalium ($K$) en zwaveldioxide ($SO_2$) [14](#page=14). > > 1. OG's: $K + S(+IV)O_2(-II) \rightarrow K(+I)_2O(-II) + S_2 $ [15](#page=15). > 2. Halfreacties: > * Oxidatie: $K \rightarrow K(+I) + 1 e^-$ ($K$ is reductor) [15](#page=15). > * Reductie: $S(+IV) \rightarrow S $ ($S$ is oxidator) [15](#page=15). > * Voor $S_2$: $2 S(+IV) + 8 e^- \rightarrow S_2 $ [15](#page=15). > 3. Balanceren: Om 8 elektronen af te geven, zijn 8 $K$ atomen nodig [15](#page=15). > 4. Totale reactie: $8 K + 2 SO_2 \rightarrow 4 K_2O + S_2$ [15](#page=15). ##### 4.1.4.3 De sterkte van reductoren * **Het verdringingsexperiment:** Een sterk (onedel) metaal staat gemakkelijker elektronen af dan een zwak (edel) metaal. Een sterk metaal is een sterke reductor en verdringt een zwakker metaal uit zijn iontoestand [15](#page=15). > **Voorbeeld:** Een ijzeren spijker in een kopersulfaatoplossing krijgt een koperlaagje omdat ijzer een sterkere reductor is dan koper [15](#page=15). > > $Fe(s) + Cu^{2+}(aq) \rightarrow Fe^{2+}(aq) + Cu(s)$ * **Reductorsterkte reeks:** Een metaal in deze reeks kan elk metaal rechts van zichzelf uit zijn iontoestand verdringen [15](#page=15). $K > Na > Mg > Al > Zn > Fe > Pb > H > Cu > Ag > Pt$ [15](#page=15). * **Galvanische cellen:** Een galvanische cel wekt elektrische stroom op door een redoxreactie, vereist een sterke reductor en een sterke oxidator [15](#page=15). > **Voorbeeld:** Koper-zink-batterij (Daniell-cel). Zink is een sterkere reductor dan koper [16](#page=16). > > * Oxidatie (zinkelektrode): $Zn(s) \rightarrow Zn^{2+}(aq) + 2 e^-$ [16](#page=16). > * Reductie (koperelektrode): $Cu^{2+}(aq) + 2 e^- \rightarrow Cu(s)$ [16](#page=16). > * De opgewekte spanning is groter naarmate de metalen verder uit elkaar liggen in de reductorsterkte reeks [16](#page=16). ##### 4.1.4.4 Corrosie Corrosie is de aantasting van metalen door oxidatie, waarbij redoxreacties een cruciale rol spelen [16](#page=16). > **Voorbeeld:** Roesten van een ijzeren spijker [16](#page=16). > > 1. Oxidatie van ijzer: $Fe(s) \rightarrow Fe^{2+}(aq)$ [16](#page=16). > 2. Reductie van zuurstof: $O_2$ reageert met elektronen en water tot $OH^-$ [16](#page=16). > 3. Vorming van roest: $Fe^{2+}$ en $OH^-$ reageren tot $Fe(OH)_2$, dat verder oxideert tot $Fe(OH)_3$ (roest) [16](#page=16). **Corrosie kan worden voorkomen door:** * Bedekken van metalen (verf, teer) [16](#page=16). * Bedekken met een ander metaal (verzinken, vertinnen, verchromen) [16](#page=16). * Legeren met corrosieresistente metalen (roestvrij staal) [16](#page=16). --- # Organische reacties en kunststoffen Dit gedeelte behandelt de indeling van organische reacties, de bereiding en eigenschappen van kunststoffen, en methoden voor hun identificatie. ## 5 Organische reacties en kunststoffen ### 5.1 Indeling van organische reacties Organische reacties kunnen worden ingedeeld op basis van de bindingsdoorbraak, het aanvallend reagens, en het reactietype [17](#page=17). #### 5.1.1 Indeling op basis van bindingsdoorbraak * **Homolytisch (radicalair):** De binding breekt symmetrisch, waarbij elk atoom één elektron van de binding behoudt, wat leidt tot de vorming van radicalen [17](#page=17). * **Heterolytisch (ionair):** De binding breekt asymmetrisch, waarbij één atoom beide elektronen van de binding opneemt, wat resulteert in ionen [17](#page=17). #### 5.1.2 Indeling op basis van het aanvallend reagens * **Radicalair:** Het reagens is een radicaal met een ongepaard elektron [17](#page=17). * **Elektrofiel:** Het reagens heeft een elektronentekort en zoekt naar elektronen [17](#page=17). * **Nucleofiel:** Het reagens is elektronenrijk en zoekt naar een positieve kern [17](#page=17). #### 5.1.3 Indeling op basis van reactietype * **Substitutie:** Een atoom of atoomgroep wordt vervangen door een ander atoom of atoomgroep [17](#page=17). * **Voorbeeld:** De vorming van methanol uit chloorethaan, waarbij chloor wordt vervangen door een hydroxylgroep: `CH3-CH2-Cl + H2O → CH3-CH2-OH + HCl` [17](#page=17). * **Additie:** Atomen of atoomgroepen worden toegevoegd aan een onverzadigde verbinding met een dubbele of drievoudige binding [17](#page=17). * **Voorbeeld:** De vorming van een alcohol uit een alkeen en water: `CH2=CH2 + H2O → CH3-CH2-OH` [17](#page=17). * De **Regel van Markovnikov** stelt dat een waterstofatoom gebonden wordt aan het koolstofatoom met de meeste waterstofatomen [17](#page=17). * **Eliminatie:** Atomen of atoomgroepen worden onttrokken aan een verbinding, wat resulteert in de vorming van een dubbele binding in het substraat [17](#page=17). * **Voorbeeld:** De vorming van een keton (en waterstofgas) uit een alcohol: `CH3-CH(OH)-CH3 → CH3-CO-CH3 + H2` [17](#page=17). ### 5.2 Kunststoffen #### 5.2.1 Wat zijn kunststoffen? Kunststoffen zijn koolstofverbindingen die opgebouwd zijn uit zeer lange, grote moleculen (macromoleculen) en aan drie voorwaarden voldoen. Ze kunnen ontstaan door [18](#page=18): * **Halfsynthetische kunststof:** Een wijziging van een natuurlijk product, waarbij de structuur van een natuurlijke macromolecule wordt aangepast (bv. celluloid uit katoen en salpeterzuur) [18](#page=18). * **Volsynthetische kunststof:** Chemische reactie uit aardolie, aardgas of steenkool, waarbij stoffen worden gesynthetiseerd die niet in de natuur voorkomen. Deze worden vaak aangeduid met een cijfer voor sortering [18](#page=18). Kringloopsymbolen voor veelvoorkomende kunststoffen zijn: 1. PET (Polyethyleentereftalaat) 2. HDPE (hoge dichtheid polyetheen) 3. PVC (polyvinylchloride) 4. LDPE (lage dichtheid polyetheen) 5. PP (polypropeen) 6. PS (polystyreen) 7. Overige [18](#page=18). #### 5.2.2 De bereiding van kunststoffen Kunststoffen worden bereid uit monomeren die polymeriseren tot macromoleculen [18](#page=18). ##### 5.2.2.1 Monomeer en polymeer Een **polymeer** ontstaat door de aaneenschakeling van een groot aantal herhalende eenheden, genaamd **monomeren** [18](#page=18). * **Voorbeeld:** Etheen is een monomeer dat polymeriseert tot polyetheen [18](#page=18). ##### 5.2.2.2 Polymerisatie Polymerisatie is het proces waarbij monomeren worden samengevoegd tot een polymeer. Dit kan op twee manieren gebeuren [18](#page=18): 1. **Polyadditie:** Monomeren worden aan elkaar gekoppeld zonder afsplitsing van kleine moleculen. Het monomeer is hierbij vaak een kleine molecule met dubbele bindingen [19](#page=19). * **Voorbeeld:** Polyadditie van etheen tot polyetheen: `n CH2=CH2 → -[CH2-CH2]n-` [19](#page=19). 2. **Polycondensatie:** De reactie vindt plaats tussen monomeren die ten minste twee verschillende functionele groepen bezitten. Tijdens de reactie wordt een klein molecuul (vaak water) afgesplitst [19](#page=19). * **Voorbeeld:** Polycondensatie van polyester uit een dizuur en een dialcohol: `n HOOC-R-COOH + n HO-R'-OH → -[OC-R-COO-R']n- + n H2O` [19](#page=19). #### 5.2.3 Eigenschappen van kunststoffen Kunststoffen zijn licht, sterk, roesten niet, kunnen in diverse vormen en kleuren worden gemaakt en vergen weinig onderhoud. De intermoleculaire krachten tussen de polymeermoleculen bepalen hun fysische en materiaaleigenschappen. Kunststoffen worden ingedeeld in thermoplasten, thermoharders en elastomeren [19](#page=19). ##### 5.2.3.1 Thermoplasten Thermoplasten bestaan uit polymeerketens zonder dwarsverbindingen. De ketens zijn lineair of vertakt en kunnen gemakkelijk van elkaar loskomen, wat vergelijkbaar is met verstrengelde spaghetti [19](#page=19). * Ze kunnen bij verwarming telkens opnieuw in een andere vorm worden gegoten [19](#page=19). * Thermoplasten hebben een glastemperatuur ($T_g$), waarna de kunststof week wordt, en een smelttemperatuur ($T_m$), waarna deze smelt [19](#page=19). | Thermoplast | $T_g$ (℃) | $T_m$ (℃) | | :------------------ | :-------- | :-------- | | Polyetheen | -120 | 137 | | Polypropeen | -15 | 176 | | PET | 70 | 210 | * **Toepassing:** Productie van PET-flessen [19](#page=19). ##### 5.2.3.2 Thermoharders Thermoharders bestaan uit polymeerketens die sterk met elkaar verbonden zijn door crosslinkers. Het polymeer vormt een grote, driedimensionaal vernette molecule [20](#page=20). * Thermoharders behouden hun hardheid bij sterke verhitting en hebben geen glas- of smelttemperatuur [20](#page=20). * **Voorbeelden:** Bakeliet (stopcontacten), melamineformaldehyde (onbreekbaar eetgerei), polyurethaanplaten (isolatie) [20](#page=20). ##### 5.2.3.3 Elastomeren Bij elastomeren zijn de polymeerketens ook door crosslinkers met elkaar verbonden, maar met grote mazen, wat resulteert in elasticiteit [20](#page=20). * Bij uitrekken schuiven de ketens over elkaar, maar de crosslinkers zorgen ervoor dat de oorspronkelijke vorm wordt hersteld [20](#page=20). * **Voorbeelden:** Polyurethaan (stretchstof zoals spandex, lycra), rubber (natuurlijk polymeer vernet met zwavel) [20](#page=20). #### 5.2.4 Identificatie van kunststoffen Kunststoffen kunnen geïdentificeerd worden met eenvoudige experimenten zoals de vlamtest en de Beilsteintest. Een mogelijke werkwijze voor identificatie is beschreven, die uitgaat van het gedrag van de kunststof bij verhitting, drijfvermogen, uiterlijk (korrelstructuur, schuim), krasbaarheid en de geur of kleur die optreedt bij verbranding [20](#page=20) [21](#page=21) [22](#page=22). > **Tip:** De identificatieprocedures kunnen complex zijn en vereisen vaak specifieke kennis van de experimentele resultaten. Let goed op de specifieke details in de flowcharts voor een correcte identificatie [20](#page=20) [21](#page=21) [22](#page=22). > **Voorbeeld:** Een kunststof die week wordt bij verwarming, drijft in water met detergent, en die je met je vingernagel kunt krassen, kan LDPE zijn. Een andere kunststof die niet week wordt bij verwarming, maar wel een groene vlam produceert bij de Beilsteintest, kan zacht PVC zijn [21](#page=21). --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Chemische Reactie | Een proces waarbij oorspronkelijke stoffen (reagentia) worden omgezet in nieuwe stoffen (reactieproducten) door de herschikking van atomen en de vorming van nieuwe chemische bindingen. | | Fysische Proces | Een proces waarbij de chemische samenstelling van de stof niet verandert, hoewel de aggregatietoestand, vorm of het uiterlijk kan wijzigen. Deze processen zijn vaak eenvoudig omkeerbaar. | | Aggregatietoestand | De fase waarin een stof zich bevindt, zoals vast, vloeibaar of gasvormig. Faseovergangen zoals smelten en koken zijn fysische processen. | | Reagentia | De beginstoffen die aan het begin van een chemische reactie staan en die worden omgezet in reactieproducten. | | Reactieproducten | De nieuwe stoffen die ontstaan als gevolg van een chemische reactie, uitgaande van de reagentia. | | Wet van Behoud van Atomen | Het principe dat stelt dat bij een chemische reactie het aantal atomen van elke soort voor en na de reactie gelijk blijft; atomen verdwijnen niet en ontstaan niet. | | Wet van Behoud van Massa | Een direct gevolg van de wet van behoud van atomen, die stelt dat de totale massa van de reactieproducten gelijk is aan de totale massa van de reagentia. | | Reactievergelijking | Een symbolische weergave van een chemische reactie, waarbij de formules van reagentia vóór de reactiepijl staan en die van reactieproducten erna, met eventuele coëfficiënten om de wet van behoud van atomen te waarborgen. | | Thermodynamica | De tak van de natuurkunde die zich bezighoudt met energie en de omzetting ervan, inclusief de energieveranderingen die gepaard gaan met chemische reacties. | | Eerste Wet van de Thermodynamica (Wet van Behoud van Energie) | Stelt dat energie niet kan worden vernietigd of gecreëerd, alleen omgezet van de ene vorm naar de andere. | | Exo-energetische Reactie | Een reactie waarbij energie vrijkomt uit het systeem naar de omgeving, resulterend in een lagere energie-inhoud van de producten vergeleken met de reagentia (AE < 0). | | Endo-energetische Reactie | Een reactie waarbij energie wordt opgenomen door het systeem uit de omgeving, resulterend in een hogere energie-inhoud van de producten vergeleken met de reagentia (AE > 0). | | Exotherme Reactie | Een speciaal geval van een exo-energetische reactie waarbij de uitgewisselde energie voornamelijk warmte is en warmte wordt afgegeven aan de omgeving. | | Endotherme Reactie | Een speciaal geval van een endo-energetische reactie waarbij de uitgewisselde energie voornamelijk warmte is en warmte wordt opgenomen uit de omgeving. | | Entropie | Een maat voor de wanorde of willekeurigheid binnen een systeem. Volgens de Tweede Wet van de Thermodynamica neemt de entropie van een geïsoleerd systeem bij spontane processen toe. | | Reactiesnelheid | De mate waarin een chemische reactie verloopt, uitgedrukt in de hoeveelheid stof die per tijdseenheid wordt gevormd of verbruikt. | | Botsingsmodel | Een model dat stelt dat een chemische reactie alleen plaatsvindt als de reagerende deeltjes met voldoende energie en de juiste oriëntatie op elkaar botsen. | | Activeringsenergie | De minimale energie die nodig is om een chemische reactie op gang te brengen; het is de energiebarrière die overwonnen moet worden. | | Katalysator | Een stof die de snelheid van een chemische reactie verhoogt zonder zelf verbruikt te worden. Katalysatoren verlagen de activeringsenergie door een alternatieve reactieroute aan te bieden. | | Neerslagreactie | Een ionenuitwisselingsreactie waarbij twee elektrolytoplossingen worden gemengd en een onoplosbare vaste stof (neerslag) wordt gevormd. | | Gasontwikkelingsreactie | Een ionenuitwisselingsreactie waarbij twee elektrolytoplossingen worden gemengd en een slecht oplosbaar gas wordt gevormd. | | Neutralisatiereactie | Een reactie tussen een zuur en een base, waarbij zout en water worden gevormd. De H+ ionen van het zuur reageren met de OH- ionen van de base. | | Redoxreactie | Een chemische reactie die gepaard gaat met de overdracht van elektronen, wat resulteert in een verandering van oxidatietrappen van de betrokken atomen. | | Oxidatie | Het proces waarbij een stof elektronen afstaat, wat resulteert in een verhoging van het oxidatiegetal. | | Reductie | Het proces waarbij een stof elektronen opneemt, wat resulteert in een verlaging van het oxidatiegetal. | | Oxidatietrapgel (OG) | Een getal dat de virtuele lading van een atoom in een molecuul of ion aangeeft, gebaseerd op de verdeling van elektronen, waarbij sterk elektronegatieve atomen de elektronen "krijgen". | | Monomeer | Een kleine molecule die als bouwsteen dient voor een polymeer door herhaaldelijke koppeling met andere monomeren. | | Polymeer | Een grote macromolecule die is opgebouwd uit vele herhalende eenheden (monomeren) die via chemische bindingen aan elkaar zijn gekoppeld. | | Polymerisatie | Het proces waarbij monomeren aan elkaar worden gekoppeld om een polymeer te vormen. | | Polyadditie | Een vorm van polymerisatie waarbij monomeren zonder afsplitsing van kleine moleculen aan elkaar worden gekoppeld, vaak via dubbele bindingen. | | Polycondensatie | Een vorm van polymerisatie waarbij monomeren aan elkaar worden gekoppeld onder afsplitsing van een kleine molecule, zoals water. | | Thermoplast | Een kunststof die bij verhitting zacht wordt en hervormbaar is, en bij afkoeling weer hard wordt. De polymeerketens zijn niet chemisch verbonden met dwarsverbindingen. | | Thermoharder | Een kunststof die na uitharding door verhitting niet meer vervormbaar is. De polymeerketens zijn onderling sterk verbonden door dwarsverbindingen en vormen een driedimensionaal netwerk. | | Elastomeer | Een polymeer dat elastische eigenschappen vertoont. De polymeerketens zijn via dwarsverbindingen met elkaar verbonden, maar met voldoende afstand om rekking mogelijk te maken. |