Scheikunde van basisschool tot bovenbouw · Grades 1–12

14Verbranding: brandstoffen, reactieproducten en broeikasgassen

Een gezin slaapt in een flat waarvan de afvoer van de cv-ketel verstopt is. De vlam krijgt te weinig lucht, brandt slecht, en een onzichtbaar, reukloos gas vult langzaam de kamers. Om twee uur ’s nachts begint een kastje aan de muur te gillen: de CO-melder. Iedereen komt op tijd naar buiten. Dezelfde brandstof geeft bij een goede verbranding alleen koolstofdioxide en water — en dat koolstofdioxide heeft zijn eigen verhaal, geschreven in de lucht van de hele planeet.

Wat je al weet

Een verbranding heeft een brandstof, zuurstof en warmte nodig, en levert nieuwe stoffen op (Hoofdstuk 5). Lucht bestaat voor ongeveer een vijfde uit zuurstof (Hoofdstuk 4). Een reactievergelijking klopt als elke soort atoom aan beide kanten even vaak voorkomt (Hoofdstuk 13).

14.1 Koolstof en methaan verbranden

Voorbeeld 14.1 (Twee verbrandingen)

Koolstof (houtskool, steenkool) verbrandt tot koolstofdioxide:

\ce{C(s) + O2(g) -> CO2(g)}.

Methaan, het hoofdbestanddeel van aardgas, verbrandt tot koolstofdioxide en water:

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

In beide gevallen wordt kalkwater troebel met het gevormde gas; bij methaan beslaat bovendien een koud glas.

Methode 14.2 (De verbranding opschrijven van een brandstof uit koolstof en waterstof)

Voor een brandstof waarvan de moleculen alleen koolstof en waterstof bevatten:

de reactieproducten zijn koolstofdioxide en water;
maak koolstof kloppend met $\ce{CO2}$ , daarna waterstof met $\ce{H2O}$ ;
tel de zuurstofatomen rechts en maak ze kloppend met $\ce{O2}$ ; verdubbel alles als er een half verschijnt.

Voor butaan: $\ce{2C4H10 + 13O2 -> 8CO2 + 10H2O}$ .

14.2 Volledige en onvolledige verbranding

Definitie 14.3 (Volledige en onvolledige verbranding)

Een volledige verbranding vindt plaats met genoeg zuurstof: alle koolstof van de brandstof wordt koolstofdioxide. Een onvolledige verbranding vindt plaats met te weinig zuurstof: een deel van de koolstof wordt koolstofmono-oxide, $\ce{CO}$ , of roet, dat koolstof is, $\ce{C}$ .

Voorbeeld 14.4 (Methaan met te weinig zuurstof)

Met te weinig lucht kan methaan verbranden tot koolstofmono-oxide of tot roet:

\ce{2CH4 + 3O2 -> 2CO + 4H2O}, \qquad \ce{CH4 + O2 -> C + 2H2O}.

Propositie 14.5 (Een vlam aflezen)

Een bunsenbrander met open luchtgat mengt lucht door het gas voordat het verbrandt: de vlam is blauw en nauwelijks zichtbaar, de verbranding volledig. Met het luchtgat dicht vindt het gas te weinig zuurstof: de vlam is geel en walmt, en een koud voorwerp dat je erin houdt, wordt zwart van het roet — de verbranding is onvolledig.

Een bunsenbrander. Lucht die onderaan binnenkomt, geeft een blauwe vlam en een volledige verbranding; zonder die lucht is de vlam geel en walmend.

Een koude lepel in een gele kaarsvlam wordt zwart van het roet: de verbranding is onvolledig.

14.3 Koolstofmono-oxide, een stil gevaar

Propositie 14.6 (Waarom koolstofmono-oxide dodelijk is)

Koolstofmono-oxide heeft geen kleur, geen geur en geen smaak. Als je het inademt, neemt het de plaats in van zuurstof in het bloed (het biologieboek legt uit hoe), met hoofdpijn en slaperigheid tot gevolg, en in een afgesloten ruimte bewusteloosheid en de dood. Het ontstaat bij elke brandstof die met te weinig lucht verbrandt: een cv-ketel of geiser die slecht onderhouden is of een verstopte afvoer heeft, een brander in een gesloten tent, een barbecue of een aggregaat dat binnen gebruikt wordt.

Veiligheid

Koolstofmono-oxide: zeer licht ontvlambaar gas (GHS02), geleverd onder druk (GHS04); giftig bij inademing (GHS06); veroorzaakt schade aan organen bij herhaalde blootstelling en kan het ongeboren kind schaden (GHS08).

Opmerking 14.7 (Vergiftiging voorkomen)

Gastoestellen worden regelmatig door een vakman onderhouden, afvoeren en ventilatieroosters worden nooit afgedekt, barbecues en aggregaten worden alleen buiten gebruikt, en bij elke brander hangt een CO-melder.

Een cv-ketel en, ernaast, een CO-melder.

14.4 Koolstofdioxide en het broeikaseffect

Definitie 14.8 (Broeikasgas)

Een broeikasgas is een gas in de lucht dat het zonlicht doorlaat maar een deel van de warmte tegenhoudt die het aardoppervlak terugstuurt naar de ruimte, en zo de onderste lagen van de atmosfeer verwarmt. Waterdamp, koolstofdioxide en methaan zijn broeikasgassen; stikstof en zuurstof niet. (Hoe dat werkt, staat in het natuurkundeboek.)

Propositie 14.9 (Er komt steeds meer koolstofdioxide in de lucht)

De hoeveelheid koolstofdioxide in de lucht wordt sinds 1959 zonder onderbreking gemeten in een observatorium op een berg midden in de Grote Oceaan. Ze bedroeg 316 deeltjes per miljoen (ppm) lucht in 1959 en 427 ppm in 2025: een stijging van ongeveer $35\,\%$ in één mensenleven, vooral door het verbranden van steenkool, aardolie en aardgas. Het extra koolstofdioxide versterkt het broeikaseffect en verwarmt het klimaat.

Jaargemiddelde van het koolstofdioxide in de lucht, gemeten sinds 1959 (gegevens van het NOAA Global Monitoring Laboratory; vóór 1974 van het Scripps Institution of Oceanography).

14.5 Fossiele en hernieuwbare brandstoffen

Definitie 14.10 (Fossiele en hernieuwbare brandstoffen)

Een fossiele brandstof — steenkool, aardolie, aardgas — is in de loop van miljoenen jaren onder de grond ontstaan uit de resten van oeroude planten en zeedieren. Een hernieuwbare brandstof wordt gemaakt van planten die nu groeien, of van afval: hout, biogas uit mest en etensresten, ethanol uit suikerbieten of suikerriet.

Propositie 14.11 (Waar de koolstof vandaan komt)

Planten halen koolstofdioxide uit de lucht om te groeien. Als je een hernieuwbare brandstof verbrandt, geef je koolstofdioxide terug dat de planten een paar jaar eerder uit de lucht hebben gehaald. Als je een fossiele brandstof verbrandt, komt koolstof vrij die miljoenen jaren onder de grond opgesloten zat: dat voegt koolstofdioxide toe aan de lucht.

Hernieuwbare brandstoffen geven de lucht de koolstof terug die hun planten eruit haalden; fossiele brandstoffen voegen koolstof toe die onder de grond opgeslagen was.

14.6 Oefeningen

Oefening 14.1 ★

Schrijf de kloppende reactievergelijking op van de volledige verbranding van koolstof.

Oplossing

Oplossing van Oefening 14.1.

$\ce{C + O2 -> CO2}$ .

Oefening 14.2 ★

Wat is het verschil tussen een volledige en een onvolledige verbranding?

Oplossing

Oplossing van Oefening 14.2.

Met genoeg zuurstof wordt alle koolstof koolstofdioxide (volledig). Met te weinig wordt een deel koolstofmono-oxide of roet (onvolledig).

Oefening 14.3 ★

Waarom wordt koolstofmono-oxide een stil gevaar genoemd?

Oplossing

Oplossing van Oefening 14.3.

Het heeft geen kleur, geen geur en geen smaak: niemand merkt het op, en toch is het giftig.

Oefening 14.4 ★

Fossiel of hernieuwbaar: steenkool, hout, aardgas, biogas, benzine, ethanol uit suikerbieten?

Oplossing

Oplossing van Oefening 14.4.

Fossiel: steenkool, aardgas, benzine. Hernieuwbaar: hout, biogas, ethanol uit suikerbieten.

Oefening 14.5 ★★

Schrijf de kloppende reactievergelijking op van de volledige verbranding van propaan, $\ce{C3H8}$ .

Oplossing

Oplossing van Oefening 14.5.

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

Oefening 14.6 ★★

Ethanol, $\ce{C2H6O}$ , verbrandt volledig in zuurstof. Maak $\ce{C2H6O + O2 -> CO2 + H2O}$ kloppend.

Oplossing

Oplossing van Oefening 14.6.

Koolstof: 2 $\ce{CO2}$ ; waterstof: 3 $\ce{H2O}$ ; zuurstof rechts $4 + 3 = 7$ , waarvan er 1 uit het ethanol komt, dus 3 $\ce{O2}$ : $\ce{C2H6O + 3O2 -> 2CO2 + 3H2O}$ .

Oefening 14.7 ★★

Een pan boven een gele vlam wordt aan de onderkant zwart. Wat is de zwarte stof? Wat zegt dat over de verbranding?

Oplossing

Oplossing van Oefening 14.7.

Roet, dus koolstof. De verbranding is onvolledig: de vlam heeft te weinig zuurstof.

Oefening 14.8 ★★

Lees de koolstofdioxidecurve af: hoeveel koolstofdioxide bevatte de lucht ongeveer in 1980 en in 2000? Met hoeveel ppm steeg het in die twintig jaar?

Oplossing

Oplossing van Oefening 14.8.

Ongeveer 339 ppm in 1980 en ongeveer 370 ppm in 2000: een stijging van ongeveer 30 ppm.

Oefening 14.9 ★★

Waarom voegt het verbranden van hout op den duur minder koolstofdioxide toe aan de lucht dan het verbranden van steenkool, hoewel beide koolstofdioxide opleveren?

Oplossing

Oplossing van Oefening 14.9.

De koolstof van hout heeft de boom een paar jaar of decennia geleden uit de lucht gehaald: als je het verbrandt, geef je dat koolstofdioxide terug. De koolstof van steenkool zat miljoenen jaren onder de grond opgeslagen: als je het verbrandt, voeg je nieuw koolstofdioxide toe aan de lucht.

Oefening 14.10 ★★

Maak de onvolledige verbranding van koolstof tot koolstofmono-oxide kloppend, $\ce{C + O2 -> CO}$ .

Oplossing

Oplossing van Oefening 14.10.

$\ce{2C + O2 -> 2CO}$ .

Oefening 14.11 ★★★

Met welk percentage is het koolstofdioxide in de lucht gestegen van 1959 (316 ppm) tot 2025 (427 ppm)? Rond af op een geheel getal.

Oplossing

Oplossing van Oefening 14.11.

$(427 - 316)/316 = 111/316 \approx 0.35$ : ongeveer $35\,\%$ .

Oefening 14.12 ★★★

Een gaskachel brandt in een kleine kamer met het raam dicht. Leg met twee reactievergelijkingen uit dit hoofdstuk uit hoe de verbranding na verloop van tijd van volledig onvolledig kan worden, en waarom dat gevaarlijk is.

Oplossing

Oplossing van Oefening 14.12.

Eerst is er genoeg zuurstof: $\ce{CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O}$ . Naarmate de zuurstof in de afgesloten kamer opraakt, brandt de vlam met te weinig lucht: $\ce{2CH4 + 3O2 -> 2CO + 4H2O}$ . Koolstofmono-oxide, reukloos en giftig, hoopt zich op in de kamer.

14.7 Probleem: De brander in de tent

Probleem 14.1

Weekendprobleem — een kampeerbrander, het gas dat hij verbrandt, wat hij oplevert, en waarom hij nooit in een tent hoort

Een kampeerbrander verbrandt propaan, $\ce{C3H8}$ , uit een busje dat er $450\,\mathrm{g}$ van bevat. In de open lucht is de vlam blauw. Gebruik deze massaverhouding, berekend uit de kloppende reactievergelijking: $44\,\mathrm{g}$ propaan die volledig verbrandt, geeft $132\,\mathrm{g}$ koolstofdioxide.

Deel I — De reactievergelijkingen.

Schrijf de kloppende reactievergelijking op van de volledige verbranding van propaan.
Controleer haar door aan elke kant de atomen van elke soort te tellen.
Maak de onvolledige verbranding $\ce{C3H8 + O2 -> CO + H2O}$ kloppend.
Welke van de twee heeft per propaanmolecuul meer zuurstof nodig?

Deel II — In een tent.

Een brander die in een gesloten tent wordt aangestoken, brandt al snel met een gele vlam. Leg uit waarom.
Welk gevaarlijk gas ontstaat er dan? Geef twee eigenschappen waardoor je het moeilijk opmerkt.
Op het propaanbusje staan twee pictogrammen. Noem ze en zeg wat elk betekent.
Geef twee regels om een kampeerbrander veilig te gebruiken.

Deel III — Het koolstofdioxide van één busje.

Hoeveel keer zwaarder is het gevormde koolstofdioxide dan het verbrande propaan?
Waar komen de extra grammen vandaan?
Is propaan een fossiele of een hernieuwbare brandstof? Voegt het verbranden ervan koolstofdioxide toe aan de lucht?
Bereken de massa koolstofdioxide die vrijkomt als een heel busje van $450\,\mathrm{g}$ volledig verbrandt.

Oplossing

Oplossing van Probleem 14.1.

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

2. Links: 3 C, 8 H, 10 O. Rechts: 3 C, $4 \times 2 = 8$ H, $3 \times 2 + 4 = 10$ O. Ze klopt.

3. $\ce{2C3H8 + 7O2 -> 6CO + 8H2O}$ .

4. De volledige verbranding: 5 zuurstofmoleculen per propaanmolecuul, tegen $7/2 = 3.5$ voor de onvolledige.

5. De lucht in de gesloten tent heeft al snel te weinig zuurstof; de vlam krijgt er niet genoeg meer van en brandt onvolledig, geel.

6. Koolstofmono-oxide: geen kleur, geen geur (en geen smaak).

7. GHS02, de vlam: zeer licht ontvlambaar. GHS04, de gasfles: een gas dat onder druk staat.

8. Bijvoorbeeld: gebruik hem alleen in de open lucht, nooit in een tent of een afgesloten ruimte; houd hem uit de buurt van alles wat kan branden; verwissel het busje ver van elke vlam.

9. $132 \div 44 = 3$ keer zwaarder.

10. Van de zuurstof uit de lucht, die in het koolstofdioxide (en het water) terechtkomt.

11. Een fossiele brandstof (het komt uit aardgas of aardolie): het verbranden ervan voegt koolstofdioxide toe aan de lucht.

12. $450 \times 3 = 1350\,\mathrm{g} = 1.35\,\mathrm{kg}$ koolstofdioxide.

Begrippen gedefinieerd in dit hoofdstuk

Bekijk alle 852 begrippen in de begrippenlijst