Scheikunde van basisschool tot bovenbouw · Grades 1–12
37De energie van reacties: verbranding en bindingsenergieën
Breek het zegeltje van een handwarmer en een minuut later is hij te heet om lang vast te houden; knijp in een koelkompres en het koelt een verstuikte enkel; een stadsbus rijdt de hele dag op waterstof en laat alleen waterdamp achter. Chemische omzettingen maken niet alleen van de ene stof een andere: ze geven energie af, of nemen die op. Waar komt die energie vandaan, en hoeveel kan een brandstof er leveren?
Wat je al weet
Bij een volledige verbranding verbrandt een brandstof die uit koolstof en waterstof bestaat in zuurstof tot koolstofdioxide en water (Hoofdstuk 14). Een covalente binding is een gedeeld elektronenpaar; lewisstructuren laten elke binding van een molecuul zien (Hoofdstuk 24). Een hoeveelheid stof tel je in mol (Hoofdstuk 25).
37.1 Exotherme en endotherme omzettingen
Definitie 37.1 (Exotherm, endotherm)
Een omzetting is exotherm als ze energie afgeeft aan haar omgeving, meestal als warmte: de omgeving warmt op. Ze is endotherm als ze energie opneemt uit haar omgeving: die koelt af, of de omzetting moet verwarmd worden om door te gaan.
Voorbeeld 37.2 (Warm en koud)
Verbrandingen zijn exotherm, en dat geldt ook voor de langzame reactie van ijzerpoeder met de zuurstof uit de lucht in een handwarmer. Het oplossen van ammoniumnitraat in water, dat in koelkompressen gebruikt wordt, is endotherm; dat geldt ook voor de ontleding van kalksteen in ongebluste kalk en koolstofdioxide, die alleen in een zeer hete kalkoven plaatsvindt.
37.2 De energie die een verbranding afgeeft
Definitie 37.3 (Molaire verbrandingsenergie)
De molaire verbrandingsenergie van een brandstof is de energie die vrijkomt bij de volledige verbranding van één mol ervan, in , waarbij het gevormde water vloeibaar is.
Propositie 37.4 (Energie die mol afgeeft)
De volledige verbranding van een hoeveelheid brandstof geeft de energie af. Voor methaan is : de verbranding van () ervan geeft ongeveer af.
In het laboratorium — Water verwarmen met een spiritusbrander
Een spiritusbrander met ethanol wordt gewogen en daarna aangestoken onder een metalen blikje met water, met een thermometer erin. Als het water warmer is geworden, wordt de vlam gedoofd en de brander opnieuw gewogen: hij is ethanol kwijtgeraakt. De energie die het water heeft opgenomen, bereken je met de natuurkundige formule , waarin de soortelijke warmte van water is. Ze ligt ver onder de energie die de ethanol zou kunnen afgeven: veel van de warmte verwarmt de lucht, het blikje en de brander, en een deel van de ethanol verbrandt onvolledig.
Voorbeeld 37.5 (De spiritusbrander in getallen)
Het water nam op, dat is . De verbrande ethanol, , is ; met had die kunnen afgeven. Slechts daarvan kwam bij het water terecht.
37.3 Bindingsenergieën
Definitie 37.6 (Bindingsenergie)
De bindingsenergie van een covalente binding is de energie die nodig is om één mol van zulke bindingen te verbreken, waarbij de moleculen en atomen gasvormig zijn. Tabellen geven gemiddelde waarden, gemeten over veel moleculen, in .
| binding | binding | binding | |||
|---|---|---|---|---|---|
| 436 | 345 | 498 | |||
| 415 | 611 | 946 | |||
| 390 | 350 | 243 | |||
| 464 | 741 | 432 |
Propositie 37.7 (Een reactie-energie schatten)
Voor een reactie tussen gassen is de opgenomen energie (negatief als er energie vrijkomt) bij benadering
Als , komt er bij het vormen van de nieuwe bindingen meer energie vrij dan er nodig is om de oude te verbreken: de reactie is exotherm.
Bewijs. Stel je de reactie in twee stappen voor: elke binding van de beginstoffen wordt verbroken, wat de eerste som kost en losse atomen oplevert; daarna vormen zich de bindingen van de reactieproducten, wat de tweede som teruggeeft. Het resultaat is maar een schatting, omdat tabellen gemiddelden over veel moleculen geven. ∎
Methode 37.8 (Een reactie-energie schatten uit bindingsenergieën)
- Schrijf de kloppende reactievergelijking op en de lewisstructuur van elk molecuul.
- Tel, met de coëfficiënten, de bindingen van elke soort die in de beginstoffen verbroken en in de reactieproducten gevormd worden.
- Tel de energieën van de verbroken bindingen op, en trek die van de gevormde bindingen ervan af.
- Concludeer: een negatief resultaat betekent een exotherme reactie.
Voorbeeld 37.9 (Waterstof en chloor)
Voor : één en één verbroken, ; twee gevormd, . Dus per mol reactie: exotherm.
Opmerking 37.10 (Schatting en meting)
De gemeten energie die vrijkomt bij de verbranding van één mol methaan is , meer dan de schatting. Er zijn drie redenen: de -bindingen van koolstofdioxide zijn sterker dan de gemiddelde uit de tabel; de gemeten waarde geldt voor vloeibaar water, en bij het condenseren van de waterdamp komt nog meer energie vrij; en gemiddelde bindingsenergieën zijn nu eenmaal gemiddelden. De methode van de bindingsenergieën geeft het teken en de orde van grootte, niet de precieze waarde.
37.4 Brandstoffen vergelijken
Voorbeeld 37.11 (Koolstofdioxide per megajoule)
De verbranding van één mol methaan geeft en één mol koolstofdioxide, . Voor één megajoule, , komt er dus koolstofdioxide vrij. Ethanol, met twee mol koolstofdioxide per , geeft per megajoule. Waterstof geeft niets: zijn enige reactieproduct is water.
Veiligheid
Ethanol is zeer licht ontvlambaar en irriterend voor de ogen. Een spiritusbrander wordt gevuld ver van elke vlam, nooit bijgevuld zolang hij heet is, en door de docent gebruikt op een hittebestendige onderlaag.
37.5 Oefeningen
Oefening 37.1 ★
Exotherm of endotherm: hout dat brandt; ijs dat smelt; een koelkompres waarin geknepen wordt; een handwarmer die warm wordt; een groen blad dat in het zonlicht suiker maakt?
Oefening 37.2 ★
Hoeveel energie komt er vrij bij de volledige verbranding van methaan?
Oplossing
Oplossing van Oefening 37.2.
, ongeveer .
Oefening 37.3 ★
Wat bevat in het energiediagram van een exotherme reactie meer energie, de beginstoffen of de reactieproducten? Waar blijft het verschil?
Oplossing
Oplossing van Oefening 37.3.
De beginstoffen. Het verschil wordt afgegeven aan de omgeving, vooral als warmte.
Oefening 37.4 ★
Hoeveel energie komt er vrij bij de volledige verbranding van ethanol?
Oplossing
Oplossing van Oefening 37.4.
; , ongeveer .
Oefening 37.5 ★
Wat is een bindingsenergie? Waarom kost het verbreken van een binding altijd energie?
Oefening 37.6 ★★
Schat met bindingsenergieën de energie van de reactie , alles gasvormig. Is ze exotherm?
Oefening 37.7 ★★
Schat de energie van de verbranding van ethanol, , met bindingsenergieën (teken eerst de lewisstructuur van ethanol), en vergelijk met de gemeten .
Oplossing
Oplossing van Oefening 37.7.
Ethanol heeft 5 , 1 , 1 en 1 . Verbroken: . Gevormd: . , in grootte ongeveer een kwart kleiner dan de gemeten .
Oefening 37.8 ★★
Bereken de energie die vrijkomt per kilogram propaan () en per kilogram methaan. Vergelijk met het staafdiagram.
Oplossing
Oplossing van Oefening 37.8.
Propaan: . Methaan: . Allebei zoals in het diagram.
Oefening 37.9 ★★
Een gasfornuis verwarmt water () van tot . Hoeveel energie neemt het water op? Welke massa methaan wordt er verbrand als alle energie bij het water terechtkomt? En als maar de helft dat doet?
Oplossing
Oplossing van Oefening 37.9.
; , dat is methaan; als de helft van de energie verloren gaat, .
Oefening 37.10 ★★
Zet met het staafdiagram de brandstoffen op volgorde van energie per kilogram. Welke massa waterstof levert evenveel energie als octaan?
Oplossing
Oplossing van Oefening 37.10.
Waterstof > methaan > propaan > octaan > ethanol. waterstof.
Oefening 37.11 ★★
Schat de energie van , alles gasvormig. Exotherm of endotherm?
Oefening 37.12 ★★★
Bij een proef met een spiritusbrander wordt water warmer terwijl er ethanol verbrandt. Bereken de energie die het water opneemt, de energie die de ethanol zou kunnen afgeven, en het rendement van de verwarming. Noem drie oorzaken van de verliezen.
Oplossing
Oplossing van Oefening 37.12.
Water: . Ethanol: , die zou kunnen afgeven. Rendement . Verliezen: warmte die door de lucht wordt afgevoerd, warmte die het blikje en de driepoot opwarmt, onvolledige verbranding (roet), ethanol die onverbrand verdampt.
Oefening 37.13 ★★★
Octaan geeft af en propaan . Schrijf hun verbrandingsvergelijkingen op en bereken de massa koolstofdioxide die elk per megajoule uitstoot. Vergelijk met methaan, .
Oplossing
Oplossing van Oefening 37.13.
: 8 mol koolstofdioxide, , per , dus per megajoule. : per , dus per megajoule. Methaan stoot met het minst uit.
Oefening 37.14 ★★★
Voor zowel methaan als ethanol is de schatting met bindingsenergieën kleiner dan de gemeten energie die vrijkomt. Geef de redenen, en leg uit waarom de schatting toch nuttig is.
Oplossing
Oplossing van Oefening 37.14.
De tabel geeft gemiddelde bindingsenergieën, terwijl de -bindingen van koolstofdioxide sterker zijn dan gemiddeld; de gemeten waarden gelden voor vloeibaar water, waarvan de condensatie meer energie afgeeft dan de reactie tussen gassen; en de methode behandelt elke binding alsof ze los staat van haar buren. De schatting is toch nuttig: ze geeft het juiste teken (exotherm) en de juiste orde van grootte, zonder enige meting.
Oefening 37.15 ★★★
Schat de energie van , alles gasvormig. Waarom moet er energie worden toegevoerd (bijvoorbeeld als elektriciteit) om waterstof uit water te maken? Leg uit waarom waterstof een manier heet om energie op te slaan, en niet een energiebron.
Oplossing
Oplossing van Oefening 37.15.
Verbroken: ; gevormd: ; : endotherm, dus er moet energie worden toegevoerd. Als de waterstof later verbrandt, komt die energie weer vrij: waterstof slaat energie op die elders is opgewekt, het maakt er zelf geen.
37.6 Probleem: Welke brandstof voor de stadsbus?
Probleem 37.1
Weekendprobleem — methaan, ethanol, octaan of waterstof: welke levert de meeste energie per kilogram, en hoeveel koolstofdioxide per megajoule?
Een stad vergelijkt vier brandstoffen voor haar bussen: methaan (aardgas), ethanol, octaan (voor benzine) en waterstof. De energieën die vrijkomen bij de volledige verbranding van één mol zijn: methaan , ethanol , octaan , waterstof , waarbij het gevormde water vloeibaar is.
Deel I — Verbrandingsvergelijkingen.
- Schrijf de vergelijking op van de volledige verbranding van methaan.
- Van ethanol, .
- Van octaan, .
- Van waterstof.
- Welke brandstof stoot geen koolstofdioxide uit?
Deel II — Energie per kilogram.
- Bereken de molaire massa’s van de vier brandstoffen.
- Bereken voor elk de energie die per kilogram vrijkomt, in .
- Zet de brandstoffen op volgorde.
- Waterstof wint met afstand. Waarom is het toch lastig om het in een bus mee te nemen? (Denk aan zijn fase bij kamertemperatuur.)
Deel III — Schatten met bindingsenergieën.
- Teken de lewisstructuren van de moleculen bij de verbranding van methaan, en tel de verbroken en de gevormde bindingen.
- Bereken de energie die nodig is om de bindingen te verbreken.
- Bereken de energie die vrijkomt bij het vormen van de nieuwe bindingen.
- Leid de schatting van af, en vergelijk met de gemeten waarde: wat is het relatieve verschil?
- Geef twee redenen voor het verschil.
Deel IV — Koolstofdioxide per megajoule.
- Welke hoeveelheid methaan moet er verbranden om af te geven?
- Welke massa koolstofdioxide komt daarbij vrij?
- Dezelfde vraag voor ethanol en octaan.
- Welke koolstofhoudende brandstof stoot voor dezelfde energie de minste koolstofdioxide uit? Waarom (vergelijk de aantallen C- en H-atomen)?
- Waterstof stoot bij verbranding niets uit. Waar hangt zijn werkelijke voordeel voor het klimaat van af?
- Geef het eindantwoord: welke massa koolstofdioxide stoot methaan per megajoule uit?
Oplossing
Oplossing van Probleem 37.1.
1. .
2. .
3. .
4. .
5. Waterstof.
6. , , , .
7. In per , daarna : methaan , ; ethanol , ; octaan , ; waterstof , .
8. Waterstof > methaan > octaan > ethanol.
9. Waterstof is een heel licht gas: een kilogram ervan neemt bij normale druk een enorm volume in, dus het moet in zware hogedruktanks worden samengeperst.
10. Methaan: 4 ; zuurstof: 2 verbroken. Koolstofdioxide: 2 ; water: gevormd.
11. .
12. .
13. , tegen gemeten: in grootte ongeveer te klein.
14. Gemiddelde bindingsenergieën (de van koolstofdioxide is sterker dan gemiddeld); vloeibaar water bij de meting, gassen bij de schatting.
15. .
16. .
17. Ethanol: , wat koolstofdioxide geeft, . Octaan: , wat geeft, .
18. Methaan: het heeft de meeste waterstofatomen per koolstofatoom (4 tegen 2.25 bij octaan), en de verbranding van waterstof levert energie zonder koolstofdioxide.
19. Van de manier waarop de waterstof gemaakt wordt: uit water met elektriciteit uit hernieuwbare bronnen stoot hij bijna geen koolstofdioxide uit; gemaakt uit methaan stoot hij koolstofdioxide uit in de fabriek in plaats van uit de uitlaat.
20. Methaan stoot ongeveer koolstofdioxide per megajoule uit.