Scheikunde van basisschool tot bovenbouw · Grades 1–12

13Behoud van massa en kloppende reactievergelijkingen

Een houtblok van twee kilo verbrandt in een open haard. ’s Ochtends ligt er nog een paar tientallen gram grijze as. Is er in één nacht bijna twee kilo materie verdwenen? Eeuwenlang kon niemand dat zeggen. Het antwoord kwam van een scheikundige die besloot alles te wegen — ook de gassen waar niemand ooit aan had gedacht ze te wegen.

Wat je al weet

Bij een chemische reactie worden de beginstoffen verbruikt en de reactieproducten gevormd; de atomen van de beginstoffen worden herschikt tot de reactieproducten, zonder dat er atomen ontstaan of verdwijnen (Hoofdstuk 12). Een chemische formule zoals $\ce{H2O}$ somt de atomen van een molecuul op; een getal ervoor, zoals in $\ce{3H2O}$ , telt moleculen (Hoofdstuk 11).

Een open haard de ochtend erna: een beetje as is alles wat er van de blokken over is.

13.1 Massa blijft behouden

In het laboratorium — Een reactie wegen in een gesloten kolf

De docent doet wat azijn in een kolf en baksoda in een ballon die over de hals is getrokken, en zet het geheel op een balans: $212.4\,\mathrm{g}$ . De ballon wordt opgetild zodat de soda in de azijn valt: het mengsel bruist en de ballon zwelt op door het gas dat ontstaat. De balans wijst nog steeds $212.4\,\mathrm{g}$ aan. Dezelfde reactie in een open kolf, zonder ballon, “verliest” massa: het gas ontsnapt in het lokaal.

Dezelfde reactie, gewogen. In de gesloten kolf verandert de massa niet; in de open kolf ontsnapt het gas en wijst de balans minder aan.

Definitie 13.1 (Behoud van massa)

Behoud van massa is de wet die zegt dat bij een chemische reactie de totale massa van de gevormde reactieproducten gelijk is aan de totale massa van de verbruikte beginstoffen. Er gaat niets verloren en er wordt niets gemaakt; materie verandert alleen van vorm.

Voorbeeld 13.2 (Het houtblok, goed gewogen)

Als je het brandende houtblok en de zuurstof die het uit de lucht haalde vooraf kon wegen, en de as, het koolstofdioxide en de waterdamp achteraf, zouden de twee totalen gelijk zijn. De as is licht omdat de meeste reactieproducten gassen zijn die door de schoorsteen verdwijnen.

Geschiedenis — Lavoisier weegt alles, jaren 1770–1789

Antoine-Laurent Lavoisier maakte er een regel van om elke stof voor en na elke reactie te wegen, in afgesloten vaten zodat er geen gas kon ontsnappen of binnenkomen. Hij liet zien dat metalen zwaarder worden als ze roesten of verbranden, doordat ze iets uit de lucht opnemen — zuurstof, waaraan hij de naam gaf — en hij stelde in 1789 dat er bij een reactie niets ontstaat en niets verloren gaat. Zijn vrouw, Marie-Anne Paulze Lavoisier, werkte naast hem, legde de experimenten vast en tekende de apparatuur voor zijn boek.

Antoine-Laurent Lavoisier en Marie-Anne Paulze Lavoisier, door Jacques-Louis David, 1788.

13.2 Waarom massa behouden blijft

Propositie 13.3 (Atomen blijven behouden, dus massa blijft behouden)

Bij een reactie worden de atomen alleen herschikt: elk atoom van de beginstoffen vind je terug in de reactieproducten. Elk atoom houdt zijn eigen massa. De totale massa kan dus niet veranderen.

Voorbeeld 13.4 (IJzer dat zwaarder wordt)

Staalwol die in een open schaaltje op een balans verbrandt, wordt zwaarder: de ijzeratomen hebben zich verbonden met zuurstofatomen uit de lucht, en het gevormde ijzeroxide weegt evenveel als het ijzer plus die zuurstof. Verbrand je het in een afgesloten pot met lucht op de balans, dan verandert de massa van het geheel niet: de zuurstof zat al in de pot.

13.3 De reactievergelijking

Definitie 13.5 (Reactievergelijking)

Een reactievergelijking schrijft een reactie op met formules: links de formules van de beginstoffen, verbonden door $+$ , dan een pijl, en rechts de formules van de reactieproducten. Voor elke formule mag een getal staan. De vergelijking is een kloppende reactievergelijking als elke soort atoom aan beide kanten even vaak voorkomt.

Definitie 13.6 (Coëfficiënt)

Het getal dat in een reactievergelijking vóór een formule staat, is de coëfficiënt: hij telt de moleculen (of andere deeltjes) van die stof die meedoen. Een coëfficiënt 1 schrijf je niet.

Notatie 13.7 (Toestandsaanduidingen)

Een letter tussen haakjes na een formule kan de toestand aangeven: (s) vast, (l) vloeibaar, (g) gas. Zo is $\ce{H2O(l)}$ vloeibaar water en $\ce{H2O(g)}$ waterdamp.

Voorbeeld 13.8 (Een reactievergelijking lezen)

\ce{CH4(g) + 2O2(g) -> CO2(g) + 2H2O(l)}

lees je als: één methaanmolecuul en twee zuurstofmoleculen reageren tot één koolstofdioxidemolecuul en twee watermoleculen. Links: 1 C, 4 H, 4 O. Rechts: 1 C, 4 H, $2 + 2 = 4$ O. De vergelijking klopt.

De onderdelen van een reactievergelijking.

13.4 Een reactievergelijking kloppend maken

Methode 13.9 (Een reactievergelijking kloppend maken)

Schrijf de juiste formules van de beginstoffen en de reactieproducten op. Verander een formule daarna nooit meer: als je $\ce{H2O}$ in $\ce{H2O2}$ verandert, beschrijf je een andere stof.
Tel aan elke kant de atomen van elke soort.
Maak één soort atoom tegelijk kloppend met coëfficiënten; begin met de atomen die aan elke kant in maar één formule voorkomen, en bewaar waterstof en zuurstof voor het laatst.
Tel opnieuw; herhaal tot elke soort atoom klopt.
Gebruik de kleinste gehele getallen.

Voorbeeld 13.10 (Waterstof en zuurstof)

Niet kloppend: $\ce{H2 + O2 -> H2O}$ heeft links 2 O en rechts 1. Zet 2 voor $\ce{H2O}$ : nu staan er rechts 4 H, dus zet 2 voor $\ce{H2}$ :

\ce{2H2 + O2 -> 2H2O}.

Controle: aan elke kant 4 H en 2 O.

Voorbeeld 13.11 (IJzer dat in zuurstof verbrandt)

IJzer en zuurstof geven het ijzeroxide $\ce{Fe2O3}$ . Zuurstof: links 2, rechts 3; het kleinste gemeenschappelijke getal is 6, dus 3 $\ce{O2}$ en 2 $\ce{Fe2O3}$ . Dan staan er rechts 4 Fe, dus links ook 4 Fe:

\ce{4Fe + 3O2 -> 2Fe2O3}.

De kloppende reactievergelijking van de verbranding van waterstof, getekend met modellen: twee waterstofmoleculen en één zuurstofmolecuul geven twee watermoleculen.

13.5 Een reactievergelijking in moleculen lezen

Propositie 13.12 (Wat een kloppende reactievergelijking zegt)

De coëfficiënten van een kloppende reactievergelijking geven de verhoudingen waarin de deeltjes reageren en gevormd worden. Luidt de vergelijking $\ce{2H2 + O2 -> 2H2O}$ , dan reageren 200 waterstofmoleculen met 100 zuurstofmoleculen tot 200 watermoleculen; een miljoen zuurstofmoleculen hebben twee miljoen waterstofmoleculen nodig.

Voorbeeld 13.13 (Propaan in een kampeerbrander)

Propaan, $\ce{C3H8}$ , verbrandt in zuurstof tot koolstofdioxide en water. Eerst koolstof: 3 C, dus 3 $\ce{CO2}$ . Waterstof: 8 H, dus 4 $\ce{H2O}$ . Zuurstof rechts: $3 \times 2 + 4 = 10$ O, dus 5 $\ce{O2}$ :

\ce{C3H8 + 5O2 -> 3CO2 + 4H2O}.

Elk propaanmolecuul heeft vijf zuurstofmoleculen nodig.

13.6 Oefeningen

Oefening 13.1 ★

Formuleer de wet van behoud van massa.

Oplossing

Oplossing van Oefening 13.1.

Bij een chemische reactie is de totale massa van de gevormde reactieproducten gelijk aan de totale massa van de verbruikte beginstoffen.

Oefening 13.2 ★

Wat is in $\ce{3CO2}$ de coëfficiënt? Hoeveel koolstofatomen en hoeveel zuurstofatomen stelt het voor?

Oplossing

Oplossing van Oefening 13.2.

De coëfficiënt is 3. Het stelt 3 koolstofatomen en $3 \times 2 = 6$ zuurstofatomen voor.

Oefening 13.3 ★

Klopt $\ce{C + O2 -> CO2}$ ? Tel de atomen om het te controleren.

Oplossing

Oplossing van Oefening 13.3.

Ja: aan elke kant 1 C en 2 O.

Oefening 13.4 ★

Maak $\ce{Mg + O2 -> MgO}$ kloppend.

Oplossing

Oplossing van Oefening 13.4.

$\ce{2Mg + O2 -> 2MgO}$ : aan elke kant 2 Mg en 2 O.

Oefening 13.5 ★★

Maak $\ce{N2 + H2 -> NH3}$ kloppend, de reactie waarmee ammoniak gemaakt wordt.

Oplossing

Oplossing van Oefening 13.5.

Stikstof: links 2 N, dus 2 $\ce{NH3}$ ; dan rechts 6 H, dus 3 $\ce{H2}$ : $\ce{N2 + 3H2 -> 2NH3}$ .

Oefening 13.6 ★★

Er verbrandt $12\,\mathrm{g}$ koolstof volledig, en daarbij ontstaat $44\,\mathrm{g}$ koolstofdioxide. Hoeveel zuurstof is er verbruikt?

Oplossing

Oplossing van Oefening 13.6.

Volgens de wet van behoud van massa: $44 - 12 = 32\,\mathrm{g}$ zuurstof.

Oefening 13.7 ★★

Kijk naar de figuur van de twee kolven op balansen. Waarom daalt de aflezing van de open kolf? Is er massa vernietigd?

Oplossing

Oplossing van Oefening 13.7.

Het gevormde gas ontsnapt in het lokaal, dus de balans weegt het niet meer. Er is geen massa vernietigd: de ontbrekende massa zit in de lucht van het lokaal.

Oefening 13.8 ★★

Maak $\ce{CH4 + O2 -> CO2 + H2O}$ stap voor stap kloppend, en zeg bij elke stap welk atoom je kloppend maakt.

Oplossing

Oplossing van Oefening 13.8.

Koolstof: aan elke kant 1. Waterstof: links 4, dus 2 $\ce{H2O}$ . Zuurstof: rechts $2 + 2 = 4$ , dus 2 $\ce{O2}$ : $\ce{CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O}$ .

Oefening 13.9 ★★

Een leerling maakt $\ce{H2 + O2 -> H2O}$ kloppend door $\ce{H2 + O2 -> H2O2}$ te schrijven. Waarom is dat fout?

Oplossing

Oplossing van Oefening 13.9.

Als je $\ce{H2O}$ in $\ce{H2O2}$ verandert, verander je de stof: $\ce{H2O2}$ is waterstofperoxide, geen water. Alleen de coëfficiënten mogen veranderen: $\ce{2H2 + O2 -> 2H2O}$ .

Oefening 13.10 ★★

Hoeveel zuurstofmoleculen zijn er volgens $\ce{C3H8 + 5O2 -> 3CO2 + 4H2O}$ nodig om 20 propaanmoleculen te verbranden? Hoeveel watermoleculen worden er gevormd?

Oplossing

Oplossing van Oefening 13.10.

$20 \times 5 = 100$ zuurstofmoleculen; $20 \times 4 = 80$ watermoleculen.

Oefening 13.11 ★★★

Maak $\ce{C2H6 + O2 -> CO2 + H2O}$ kloppend, de verbranding van ethaan. (Tip: probeer het ethaan te verdubbelen.)

Oplossing

Oplossing van Oefening 13.11.

Met 2 $\ce{C2H6}$ : 4 C, dus 4 $\ce{CO2}$ ; 12 H, dus 6 $\ce{H2O}$ ; zuurstof rechts $8 + 6 = 14$ , dus 7 $\ce{O2}$ : $\ce{2C2H6 + 7O2 -> 4CO2 + 6H2O}$ .

Oefening 13.12 ★★★

Een kaars van $20.0\,\mathrm{g}$ brandt in een afgesloten glazen doos vol lucht, die op een balans staat die in totaal $850.0\,\mathrm{g}$ aanwijst. Als de vlam uitgaat, weegt de kaars $19.6\,\mathrm{g}$ . Wat wijst de balans aan? Leg uit.

Oplossing

Oplossing van Oefening 13.12.

Nog steeds $850.0\,\mathrm{g}$ . De doos is afgesloten: de $0.4\,\mathrm{g}$ kaarsvet die verbrand is, is koolstofdioxide en waterdamp geworden, die nog in de doos zitten, samen met de zuurstof die ze hebben opgenomen. Er is niets binnengekomen of weggegaan.

13.7 Probleem: Staalwol in een afgesloten pot

Probleem 13.1

Weekendprobleem — ijzer dat verbrandt, een balans die niet beweegt, en de zuurstof die uit de lucht wordt gehaald

In een laboratorium verbrandt een docent staalwol, die bijna zuiver ijzer is, op twee manieren. Eerst wordt een plukje in een open schaaltje op een balans verbrand: de aflezing stijgt. Daarna wordt een plukje van $0.28\,\mathrm{g}$ , aangestoken met een elektrische vonk, verbrand in een gesloten pot met lucht die op de balans staat: de aflezing verandert niet. De pot bevat ongeveer $0.5\,\mathrm{g}$ zuurstof. IJzer dat in zuurstof verbrandt, vormt het ijzeroxide $\ce{Fe2O3}$ ; met minder zuurstof kan het ook $\ce{Fe3O4}$ vormen.

Deel I — Twee wegingen.

In het open schaaltje neemt de massa toe. Waar komt de extra massa vandaan?
In de gesloten pot verandert de massa niet. Leg uit.
Formuleer de wet die deze twee wegingen illustreren.

Deel II — Twee reactievergelijkingen.

Maak de reactievergelijking $\ce{Fe + O2 -> Fe2O3}$ kloppend.
Maak de reactievergelijking $\ce{Fe + O2 -> Fe3O4}$ kloppend.
Controleer de eerste vergelijking door aan elke kant de atomen van elke soort te tellen.
Hoeveel zuurstofmoleculen reageren er volgens de eerste vergelijking met 400 ijzeratomen?

Deel III — Massa’s. In $\ce{Fe2O3}$ is elke $7\,\mathrm{g}$ ijzer verbonden met $3\,\mathrm{g}$ zuurstof. Het plukje van $0.28\,\mathrm{g}$ verbrandt volledig tot $\ce{Fe2O3}$ .

Hoeveel zuurstof verbindt zich met $0.28\,\mathrm{g}$ ijzer?
Wat is de massa van het gevormde ijzeroxide?
Was er genoeg zuurstof in de pot? Leg uit.
Na het afkoelen wordt de pot geopend, en er stroomt lucht naar binnen. Leg uit waarom, en zeg hoe de aflezing van de balans dan verandert.
Bereken de massa zuurstof die de brandende staalwol uit de lucht in de pot heeft gehaald.

Oplossing

Oplossing van Probleem 13.1.

1. Van de zuurstof uit de lucht, die zich met het ijzer verbindt: het ijzeroxide weegt evenveel als het ijzer plus die zuurstof.

2. Alles blijft in de pot: de verbruikte zuurstof zat al in de pot, en het gevormde oxide blijft daar. De totale massa verandert niet.

3. Behoud van massa: bij een reactie is de totale massa van de reactieproducten gelijk aan de totale massa van de beginstoffen.

4. $\ce{4Fe + 3O2 -> 2Fe2O3}$ .

5. $\ce{3Fe + 2O2 -> Fe3O4}$ .

6. Links: 4 Fe, $3 \times 2 = 6$ O. Rechts: $2 \times 2 = 4$ Fe, $2 \times 3 = 6$ O. Hij klopt.

7. 4 ijzeratomen op 3 zuurstofmoleculen, dus $400 \times \frac{3}{4} = 300$ zuurstofmoleculen.

8. $0.28 \times \frac{3}{7} = 0.12\,\mathrm{g}$ zuurstof.

9. $0.28 + 0.12 = 0.40\,\mathrm{g}$ ijzeroxide.

10. Ja: er is $0.12\,\mathrm{g}$ nodig en de pot bevatte ongeveer $0.5\,\mathrm{g}$ .

11. De verbruikte zuurstof heeft de lucht in de pot verlaten (hij zit nu in het vaste oxide), dus bevat de pot minder gas dan eerst en stroomt er lucht uit het lokaal naar binnen. De aflezing van de balans stijgt dan, met de massa van de lucht die binnenkomt.

12. Er is $0.12\,\mathrm{g}$ zuurstof uit de lucht in de pot gehaald.

Begrippen gedefinieerd in dit hoofdstuk

Bekijk alle 852 begrippen in de begrippenlijst