Chemie 7e ed - Hoofdstuk 8 - Energie en reactiesnelheid oefentoetsen & antwoorden

Bij een ontledingsreactie is er één beginstof en meerdere reactieproducten.Bij verbrandingsreacties en vormingsreacties zijn er meerdere beginstoffen en kunnen er één of meerdere reactieproducten zijn. Eigenlijk kun je stellen dat  ontledingsreacties en vormingsreacties tegengesteld zijn aan elkaar.Verbrandingsreacties kunnen pas plaatsvinden als de beginstof reageert met  zuurstof, dus voor de pijl in een reactievergelijking moet zuurstof (O2) staan.Joule (J)Bij een endotherme reactie moet er energie worden toegevoegd. Bij een exotherme reactie komt er energie vrij. Vormen van energie die hierbij vaak voorkomen zijn: licht, warmte en elektriciteit.Bij exotherme reacties is ΔE negatief. Bij endotherme reacties is ΔE positief. Kijkend naar de energiediagrammen in §8.1 zie je ook dat een exotherme reactie energie verliest en in energieniveau omlaag gaat. Hier hoort een negatief getal bij. Bij de endotherme reactie wordt er energie opgenomen en zie je dat het energieniveau omhoog gaat. Hier hoort dus een positief getal bij.Tabel 56: VerbrandingswarmteTabel 57A en B: VormingswarmteTabel 59B: Sublimatie- en verdampingswarmteEen katalysator versnelt soms maar één reactie in plaats van meerdere. Dit wordt selectief genoemd.Mol s-1 of mol L-1 s-1. Voor de fotosynthese is licht nodig en licht is een vorm van energie. Daarom is de fotosynthese een endotherme reactie.Het verbranden van butaangas levert warmte op, zodat je kunt koken. Dat is dus een exotherme reactie. Tip: Alle verbrandingen zijn exotherme reacties.In de beschreven reactie van de Daniell cel wordt elektriciteit opgewekt. Dit is dus een vorm van energie die vrijkomt, waardoor dit een exotherme reactie is.De reactiewarmte is een negatief getal. Dat betekent, als je het energiediagram schetst, dat het energieniveau van het reactieproduct ammoniak lager ligt dan het energieniveau van de beginstoffen stikstofgas en waterstofgas. Deze hoeveelheid energie komt dus vrij en dat maakt het een exotherme reactie.In vraag 1a van deze oefentoets is gesteld dat ontledingsreacties en vormingsreacties het tegenovergestelde zijn. De vormingswarmte kun je in BINAS vinden in tabel 57 en het tegenovergestelde daarvan is dat getal met een - ervoor.Bijvoorbeeld:N2 (g) + 3H2 (g) → 2NH3 (g)In deze reactie wordt NH3 (g) gevormd en de vormingswarmte die daarbij hoort, is -0.459.105 J mol-1.De tegenovergestelde reactie is deze:2NH3 (g) → N2 (g) + 3H2 (g)In deze reactie wordt NH3 (g) ontleedt, en aangezien dit het tegenovergestelde is van het vormen van deze stof, wordt de ontledingswarmte - - 0,459.105 J mol-1 = + 0,459.`105 J mol-1. De onderdelen die in je antwoord moeten zitten, zijn:De reactievergelijking.C4H4O4 + 3O2 → 4 CO2 + 2H2ODe juiste waarden voor verbrandingswarmte en vormingswarmte van ieder molecuul in de reactievergelijking.C4H4O4 = -13.39.105 J mol-1 (deze stof wordt verbrand, dus zoek in BINAS Tabel 56)O2 = 0 J mol-1 (dit is een niet-ontleedbare stof, dus daar hoort een ontledingswarmte bij van 0 J mol-1)CO2 = -3.935.105 J mol-1H2O = -2.42.105 J mol-1 (in BINAS Tabel 57 vind je twee waardes bij H2O, wanneer deze in de gasfase is of in de vloeibare fase. Bij verbrandingen of andere chemische reacties op hoge temperaturen kies je voor de gasfase)Berekening van de reactiewarmte.ΔE = -13.39.105 + 3 . 0 + 4 . -3.935.105 + 2 . -2.42.105 = - 3.397 . 106 J mol-1Tip: Houd bij het berekenen van de reactiewarmte ook rekening met de coëfficiënten in de kloppende reactievergelijking. Als de temperatuur wordt verhoogd, gaan de deeltjes in een reactiemengsel sneller bewegen. Door de snellere beweging zal het aantal effectieve botsingen per seconde toenemen. Daardoor wordt de reactiesnelheid ook groter.Tip: Benoem echt het aantal effectieve botsingen per seconde. In de  correctievoorschriften van scheikunde-examens levert dat namelijk een punt op (en  niet alleen het benoemen van effectieve botsingen).Als de concentratie wordt verhoogd, zijn er meer deeltjes in een even groot volume in het reactiemengsel aanwezig.  Daardoor zal het aantal effectieve botsingen per seconde toenemen en wordt de reactiesnelheid ook groter.Als de verdelingsgraad hoger wordt, neemt het contactoppervlak ook toe (een hogere verdelingsgraad betekent namelijk dat je van een brok naar een poedervorm gaat). Daardoor neemt het aantal effectieve botsingen per seconde ook toe en daarmee ook de reactiesnelheid. Tip: Let hier op het benoemen van de assen, het verschil in de energieniveau tussen beginstoffen en reactieproducten, het aangeven van ΔE en het aangeven van de activeringsenergie.De reactiewarmte wordt aangegeven met ΔE en is dus het verschil in energie tussen de beginstoffen en de producten. Een katalysator verandert de activeringsenergie, oftewel Eact, en verandert ΔE dus niet.De hoeveelheid katalysator is aan het begin van een chemische reactie evenveel als aan het einde van een reactie. Het wordt dus niet verbruikt. De chemische eigenschappen van de katalysator worden echter wel gebruikt om de activeringsenergie te verlagen.Tip: Let bij deze opdracht goed op de eenheden! De waardes die je krijgt (60 mg waterstof in 5.5 minuten) kun je algemeen opschrijven als mg min-1. Het is de bedoeling dat je dit gaat omzetten naar de eenheid mol s-1. Dit kun je in de onderstaande stappen doen:Reken 60 mg waterstof om in het aantal mol waterstof.60 mg = 60 / 1000 = 0.060 gDe molaire massa van waterstof (H2) is 2.016 g mol-1Het aantal mol H2 is dus 0.060 / 2.016 = 0.02976 mol H2Reken 5.5 minuten om in seconden.Bij een experiment ontstaat 60 mg waterstof in 5.5 minuten. 5.5 x 60 = 330 secondenBereken de reactiesnelheid in mol s-1. 0.02976 / 330 = 9.02 . 10-5 mol s-1. 3S (s) + 8C (s) + 10KNO3 (s) → 6CO2 (g) + 5N2 (g) + 3K2SO4 (s) + 2K2CO3 (s)Tip: Als je de fase van stoffen niet weet en ze worden in de vraag niet genoemd, in deze reactie bijvoorbeeld KNO3, is het handig eerst te bedenken om welk soort stof het gaat. In dit geval is het een zout en van zouten is bekend dat ze in de vaste fase zijn bij kamertemperatuur, omdat het smeltpunt van zouten zo hoog is. De onderdelen die in je antwoord moeten zitten, zijn:De juiste waarden voor verbrandingswarmte en vormingswarmte van ieder molecuul in de reactievergelijking.S = 0 J mol-1C = 0 J mol-1KNO3 =  -4940 .105 J mol-1CO2 = -3.935.105 J mol-1N2 = 0 J mol-1K2SO4 =  -14,14.105 J mol-1K2CO3 =  -11,51.105 J mol-1Berekening van de reactiewarmte.ΔE = (3 . 0 + 8 . 0 + 10 . -4940 .105 + 6 . -3.935.105 + 5 . 0 + 3 . -14,14.105 + 2 .  -11,51.105 ) / 3 = -1,6496 . 109 J mol-1Tip: Als je de reactiewarmte berekent op de manier die je tot nu toe gewend bent, bereken je die voor alle moleculen die aanwezig zijn in de reactievergelijking. Als het gaat om zwavel, bereken je dan dus de reactiewarmte voor 3 mol zwavel. In de opdracht wordt echter gevraagd om de reactiewarmte per mol zwavel te berekenen. Vandaar dat in de berekening de gehele reactiewarmte nog wordt gedeeld door 3.De onderdelen die in je antwoord moeten zitten, zijn:De juiste waarden voor verbrandingswarmte en vormingswarmte van ieder molecuul in de reactievergelijking.S = 0 J mol-1C = 0 J mol-1KNO3 =  -4940 .105 J mol-1CO2 = -3.935.105 J mol-1N2 = 0 J mol-1K2SO4 =  -14,14.105 J mol-1K2CO3 =  -11,51.105 J mol-1Berekening van de reactiewarmte.ΔE = (3 . 0 + 8 . 0 + 10 . -4940 .105 + 6 . -3.935.105 + 5 . 0 + 3 . -14,14.105 + 2 .  -11,51.105 ) / 8 = -6.186 . 108 J mol-1 Bij iedere kernsplijting reactie ontstaat warmte. Warmte zorgt ervoor dat deeltjes sneller bewegen en daardoor wordt het aantal effectieve botsingen per seconde groter en daardoor ook de reactiesnelheid. De warmte van de eerste kernsplijting reactie versnelt dus de volgende kernsplijting reactie, waarbij ook weer warmte vrijkomt. Die warmte versnelt de volgende reactie. Uiteindelijk leidt dit tot een onbeheersbare reactiesnelheid van kernsplijting reacties. Tip: Noteer je antwoord zo concreet mogelijk. Probeer in je antwoord dus de situatie op te nemen die in de vraag wordt beschreven. In dit geval moet je dus beschrijven wat er met de warmte gebeurt die bij opeenvolgende kernsplijtingen gebeurd en niet alleen wat een hogere temperatuur met moleculen en atomen in het algemeen doet. Als koelsystemen goed werken, wordt de temperatuur van de reactor lager. Daardoor zullen de deeltjes in die reactie langzamer bewegen en zullen er per seconde minder effectieve botsingen zijn. Dit leidt tot een lagere reactiesnelheid (en één die wel te beheersen is).Uitleg bij dit diagram:Bij een kerncentrale werkt het zo dat de eerste reactie (die van het splijten van U-235) leidt tot meerdere nieuwe reacties. Dit zorgt dat de reactiesnelheid wordt vergroot én de warmte die bij de reacties vrijkomt zorgt voor een nog hogere reactiesnelheid. De reactiesnelheid begint dus relatief laag en later in de tijd wordt het steeds hoger. Dit verklaart de vorm van de lijnen.In opdracht b is uitgelegd wat het effect van een koelsysteem is: het verlagen van de reactiesnelheid. Dezelfde vorm wordt dus getekend, maar dan blijft de reactiesnelheid gedurende de tijd een stukje lager.Tip: Omdat het hier om een schets gaat, hoef je geen getallen te verwerken in het diagram, maar gaat het om de verschillen tussen beide lijnen.