Scheikunde van basisschool tot bovenbouw · Grades 1–12

8Zuivere stoffen en mengsels

Op het etiket van een fles mineraalwater staan een stuk of twaalf opgeloste stoffen, met hun hoeveelheid in milligram per liter. Het water uit het zuiveringsapparaat van een laboratorium vermeldt er geen enkele. Beide zijn helder en kleurloos, beide lessen de dorst — en toch is maar een van de twee wat een scheikundige zuiver noemt. Dit hoofdstuk geeft het woord “zuiver” zijn precieze betekenis, en laat zien hoe je een zuivere stof van een mengsel onderscheidt zonder iets te proeven.

Wat je al weet

Mengen is verschillende dingen bij elkaar doen; een vaste stof die in water oplost, laat de vloeistof helder, en die heldere vloeistof is een oplossing (Hoofdstuk 2). Mengsels kun je uit elkaar halen door zeven, afschenken, filtreren en indampen (Hoofdstuk 3). Elk materiaal heeft eigenschappen die je kunt testen: hard of zacht, doorzichtig of niet, drijft of zinkt (Hoofdstuk 1).

8.1 Chemische stoffen en zuivere stoffen

Definitie 8.1 (Chemische stof)

Een chemische stof is één bepaalde soort stof, met een eigen naam en eigen eigenschappen: water, suiker, zout, zuurstof, ethanol (de alcohol in wijn), ijzer.

Definitie 8.2 (Zuivere stof)

Een zuivere stof bestaat uit één enkele chemische stof en verder niets: gedestilleerd water, een suikerkristal, een ring van zuiver goud.

Definitie 8.3 (Mengsel)

Een mengsel bevat meerdere chemische stoffen. Lucht, zeewater, mineraalwater, melk, graniet en sinaasappelsap zijn mengsels.

Opmerking 8.4 (Zuiver in de omgangstaal)

Op een pak “puur sinaasappelsap” betekent “puur” dat er niets aan het sap is toegevoegd. Voor een scheikundige is het sap nog steeds een mengsel: water, suikers, zuren, vitamines, kleur- en smaakstoffen, een heleboel chemische stoffen. “Zuiver bergwater” is ook een mengsel: water met opgeloste zouten.

Materie indelen. De onderste vakjes geven van elke soort voorbeelden.

8.2 Homogene en heterogene mengsels

Definitie 8.5 (Homogene en heterogene mengsels)

Een mengsel is een homogeen mengsel als je de verschillende delen met het oog niet van elkaar kunt onderscheiden, zelfs niet met een vergrootglas: het ziet er overal hetzelfde uit. Het is een heterogeen mengsel als je minstens twee verschillende delen kunt zien.

Voorbeeld 8.6 (Vier mengsels)

Zout water en lucht zijn homogeen: je ziet hun delen niet. Olie op water is heterogeen: twee lagen. Modderwater is heterogeen: er zweven korreltjes in die bezinken. Sinaasappelsap met vruchtvlees is heterogeen: je ziet de stukjes vruchtvlees.

Eén homogeen en drie heterogene mengsels.

Graniet: je ziet korrels van drie of vier verschillende mineralen. Een heterogene vaste stof. Foto: Eurico Zimbres, CC BY-SA 2.0 br.

Opmerking 8.7 (Homogeen betekent niet zuiver)

Zout water ziet er precies zo uit als zuiver water. Kijken is niet genoeg om een zuivere stof van een homogeen mengsel te onderscheiden: we moeten iets meten.

8.3 Een zuivere stof herkennen aan haar stofconstanten

Propositie 8.8 (Een zuivere stof heeft haar eigen constanten)

Elke zuivere stof smelt bij haar eigen vaste temperatuur, kookt bij haar eigen vaste temperatuur (bij normale druk), en heeft voor een gegeven volume haar eigen massa, haar dichtheid. Die getallen zijn haar stofconstanten; het natuurkundeboek legt uit wat ze meten. Voor een paar zuivere stoffen:

zuivere stof	smeltpunt	kookpunt	massa van $1\,\mathrm{cm}^{3}$
water	$0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$	$100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$	ongeveer $1.0\,\mathrm{g}$
ethanol	$-114\,{}^{\circ}\mathrm{C}$	$78\,{}^{\circ}\mathrm{C}$	$0.79\,\mathrm{g}$
propanon (aceton)	—	$56\,{}^{\circ}\mathrm{C}$	$0.78\,\mathrm{g}$
zout (natriumchloride)	$801\,{}^{\circ}\mathrm{C}$	—	$2.17\,\mathrm{g}$
ijzer	$1538\,{}^{\circ}\mathrm{C}$	—	$7.87\,\mathrm{g}$

Propositie 8.9 (Een mengsel heeft geen vast kookpunt)

Een mengsel kookt niet bij één vaste temperatuur: zout water begint iets boven $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ te koken, en zijn temperatuur blijft stijgen terwijl het kookt, omdat het water verdwijnt en het achterblijvende zout steeds geconcentreerder wordt.

Methode 8.10 (Is deze vloeistof zuiver? Welke is het?)

Verwarm haar, in het laboratorium, en lees de temperatuur af terwijl ze kookt.
Blijft de temperatuur vast, dan is de vloeistof waarschijnlijk een zuivere stof: vergelijk die temperatuur met een tabel van stofconstanten.
Blijft de temperatuur stijgen, dan is het een mengsel.
Bevestig met een tweede constante, bijvoorbeeld de massa van een bekend volume.

In het laboratorium — Zout water koken

De docent verwarmt zuiver water en zout water naast elkaar, elk met een thermometer erin. Het zuivere water kookt bij $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ en blijft daar zolang het kookt. Het zoute water begint iets boven $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ te koken, en de thermometer kruipt minuut na minuut omhoog.

8.4 Water, zuiver en niet zuiver

Voorbeeld 8.11 (Vier soorten water)

Gedestilleerd water, gemaakt in een laboratorium, is bijna precies een zuivere stof: water en verder niets.
Kraanwater is een homogeen mengsel: water met kleine hoeveelheden opgeloste stoffen (een druppel die op een donker bord opdroogt, laat een wit kringetje achter).
Mineraalwater is een homogeen mengsel waarvan het etiket de opgeloste stoffen vermeldt, in milligram per liter.
Zeewater is een homogeen mengsel met ongeveer $35\,\mathrm{g}$ zouten per kilogram.

Een fles mineraalwater: helder en kleurloos, en toch een mengsel.

Voorbeeld 8.12 (Het etiket van mineraalwater lezen)

Op een etiket staat: calcium $78\,\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ , magnesium $24\,\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ , natrium $5\,\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ , waterstofcarbonaat $357\,\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ , sulfaat $10\,\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ , chloride $4\,\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ . (Deze getallen zijn een voorbeeld.) In één liter zit $78 + 24 + 5 + 357 + 10 + 4 = 478$ mg opgeloste stoffen, ongeveer een halve gram: piepklein naast de $1000\,\mathrm{g}$ water, maar genoeg om er een mengsel van te maken.

8.5 Oefeningen

Oefening 8.1 ★

Zuivere stof of mengsel? Gedestilleerd water, lucht, zeewater, een blok zuiver ijzer, melk, een suikerkristal.

Oplossing

Oplossing van Oefening 8.1.

Zuivere stoffen: gedestilleerd water, het blok zuiver ijzer, het suikerkristal. Mengsels: lucht, zeewater, melk.

Oefening 8.2 ★

Homogeen of heterogeen? Zout water, graniet, olie op water, kraanwater, muesli.

Oplossing

Oplossing van Oefening 8.2.

Homogeen: zout water, kraanwater. Heterogeen: graniet, olie op water, muesli.

Oefening 8.3 ★

Wat is een chemische stof? Geef drie voorbeelden.

Oplossing

Oplossing van Oefening 8.3.

Eén bepaalde soort stof, met een eigen naam en eigen eigenschappen: bijvoorbeeld water, zout, ethanol (ook suiker, zuurstof, ijzer).

Oefening 8.4 ★

Een vloeistof kookt bij $78\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , en haar temperatuur blijft $78\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ zolang ze kookt. Gebruik de tabel van stofconstanten om te bedenken wat het is.

Oplossing

Oplossing van Oefening 8.4.

Een vast kookpunt wijst op een zuivere stof; $78\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ is het kookpunt van ethanol.

Oefening 8.5 ★

Waarom is “puur sinaasappelsap” voor een scheikundige geen zuivere stof?

Oplossing

Oplossing van Oefening 8.5.

Het bevat veel chemische stoffen (water, suikers, zuren, vitamines, smaakstoffen): het is een mengsel. “Puur” op het pak betekent alleen dat er niets is toegevoegd.

Oefening 8.6 ★★

Een vloeistof begint te koken bij $100.5\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ en haar temperatuur stijgt terwijl ze kookt. Is het een zuivere stof? Wat zou het kunnen zijn?

Oplossing

Oplossing van Oefening 8.6.

Nee: een zuivere stof kookt bij een vaste temperatuur. Het is een mengsel, waarschijnlijk water waarin iets is opgelost, zoals zout water.

Oefening 8.7 ★★

Kijk naar de figuur van de vier bekerglazen. In welk bekerglas kan een filter de delen van het mengsel scheiden? In welk bekerglas niet?

Oplossing

Oplossing van Oefening 8.7.

Een filter kan het modderwater scheiden (de korreltjes blijven op het papier) en het sap met vruchtvlees (het vruchtvlees blijft achter). Het kan zout water niet scheiden (het zout is opgelost) en olie en water ook niet (beide vloeistoffen gaan erdoorheen; je scheidt ze door de bovenste laag af te gieten).

Oefening 8.8 ★★

Een metalen kubus met een volume van $10\,\mathrm{cm}^{3}$ heeft een massa van $78.7\,\mathrm{g}$ . Wat is de massa van $1\,\mathrm{cm}^{3}$ ? Welk metaal uit de tabel zou het kunnen zijn?

Oplossing

Oplossing van Oefening 8.8.

$78.7 \div 10 = 7.87\,\mathrm{g}$ voor $1\,\mathrm{cm}^{3}$ : ijzer.

Oefening 8.9 ★★

Welk percentage van de opgeloste massa is waterstofcarbonaat, volgens het etiket van het voorbeeld? Rond af op een geheel getal.

Oplossing

Oplossing van Oefening 8.9.

$\frac{357}{478} \approx 0.747$ : ongeveer $75\,\%$ .

Oefening 8.10 ★★

Zeewater bevat ongeveer $35\,\mathrm{g}$ zouten per kilogram. Hoeveel zout zit er in een emmer met $2\,\mathrm{kg}$ zeewater? Welk percentage van de massa van zeewater is zout?

Oplossing

Oplossing van Oefening 8.10.

$2 \times 35 = 70\,\mathrm{g}$ zouten. Percentage: $\frac{35}{1000} = 3.5\,\%$ .

Oefening 8.11 ★★★

Twee heldere, kleurloze vloeistoffen zien er precies hetzelfde uit. Beschrijf twee metingen, uitgevoerd in een laboratorium, die laten zien of het om dezelfde zuivere stof gaat.

Oplossing

Oplossing van Oefening 8.11.

Meet hun kookpunten (elk moet tijdens het koken vast blijven, en de twee moeten gelijk zijn), en weeg van elk hetzelfde volume (gelijke massa’s). Twee gelijke constanten, allebei vast, wijzen op dezelfde zuivere stof.

Oefening 8.12 ★★★

Een mengsel bestaat uit $90\,\mathrm{g}$ water en $10\,\mathrm{g}$ ethanol. Welk percentage van de massa is ethanol? Kun je het met de tabel van stofconstanten herkennen? Leg uit.

Oplossing

Oplossing van Oefening 8.12.

$\frac{10}{90 + 10} = 10\,\%$ ethanol. Het is een mengsel: het heeft geen vast kookpunt en staat nergens in de tabel, die alleen zuivere stoffen vermeldt.

8.6 Probleem: Drie kleurloze vloeistoffen

Probleem 8.1

Weekendprobleem — drie flessen zonder etiket met een heldere, kleurloze vloeistof, en de metingen die ze onderscheiden

Een laboratoriumassistent vindt drie flessen, A, B en C, waarvan de etiketten zijn losgeraakt. Alle drie bevatten een heldere, kleurloze vloeistof. Het laboratorium gebruikt maar drie zulke vloeistoffen: gedestilleerd water, ethanol, en zeewater dat van een excursie is meegenomen. De assistent doet drie soorten metingen, in het laboratorium.

Deel I — Kijken.

De drie vloeistoffen zien er precies hetzelfde uit. Kan de assistent door te kijken zeggen welke zuivere stoffen zijn? Leg uit.
Als een ervan een mengsel is, is dat dan homogeen of heterogeen?
Met welke soort meting kun je laten zien dat een vloeistof een zuivere stof is?

Deel II — Meten. Elke vloeistof wordt verwarmd tot ze kookt. Vloeistof A kookt bij $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ en haar temperatuur blijft daar. Vloeistof B kookt bij $78\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ en blijft daar. Vloeistof C begint te koken bij $100.6\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , en haar temperatuur blijft langzaam stijgen. Daarna wordt van elke vloeistof $50.0\,\mathrm{mL}$ gewogen: A $49.8\,\mathrm{g}$ , B $39.5\,\mathrm{g}$ , C $51.2\,\mathrm{g}$ .

Welke vloeistoffen zijn zuivere stoffen? Welke is een mengsel?
Geef met de tabel van stofconstanten van dit hoofdstuk de namen van vloeistof A en B.
Bereken de massa van $1\,\mathrm{mL}$ (dat is $1\,\mathrm{cm}^{3}$ ) van elke vloeistof.
Kloppen deze massa’s met je antwoord op vraag 5?
Waarom blijft de temperatuur van vloeistof C stijgen terwijl ze kookt?

Deel III — Wat zit er in vloeistof C? Men laat $100\,\mathrm{mL}$ van vloeistof C in een schaaltje opdrogen. Als al het water weg is, blijft er $3.5\,\mathrm{g}$ witte kristallen over.

Wat laat dit residu zien over vloeistof C?
Bereken met de massa van $1\,\mathrm{mL}$ van C uit vraag 6 de massa van $100\,\mathrm{mL}$ van C, en daarna het percentage van die massa dat zout is (op één decimaal).
Zeewater bevat ongeveer $35\,\mathrm{g}$ zouten per kilogram. Welk percentage is dat? Vergelijk met vraag 10.
Trek je conclusie: hoeveel gram zout bevat elke liter van vloeistof C, en is vloeistof C het zeewater?

Oplossing

Oplossing van Probleem 8.1.

1. Nee. Een zuivere stof en een homogeen mengsel kunnen er precies hetzelfde uitzien: er moet iets gemeten worden.

2. Homogeen: het is helder en je ziet de delen niet.

3. Een stofconstante: een kookpunt dat vast blijft terwijl de vloeistof kookt (of de massa van een bekend volume, vergeleken met een tabel).

4. A en B, waarvan het kookpunt vast blijft, zijn zuivere stoffen. C is een mengsel.

5. A kookt bij $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ : water. B kookt bij $78\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ : ethanol.

6. A: $49.8 \div 50.0 = 0.996\,\mathrm{g}$ . B: $39.5 \div 50.0 = 0.790\,\mathrm{g}$ . C: $51.2 \div 50.0 = 1.024\,\mathrm{g}$ .

7. Ja: ongeveer $1.0\,\mathrm{g}$ voor water, $0.79\,\mathrm{g}$ voor ethanol.

8. Terwijl het water wegkookt, blijft het zout achter, dus de vloeistof die overblijft bevat steeds meer zout; die kookt dan bij een hogere temperatuur.

9. In vloeistof C is een vaste stof opgelost: het is een oplossing, een mengsel, zoals het koken al liet zien.

10. $100 \times 1.024 = 102.4\,\mathrm{g}$ ; $\frac{3.5}{102.4} \approx 0.034$ : ongeveer $3.4\,\%$ van de massa is zout.

11. $\frac{35}{1000} = 3.5\,\%$ : heel dicht bij vraag 10.

12. $3.5\,\mathrm{g}$ in $100\,\mathrm{mL}$ , dus $3.5 \times 10 = 35\,\mathrm{g}$ zout per liter. Met zijn zoutgehalte en zijn kookgedrag is C het zeewater; A is gedestilleerd water en B ethanol.

Begrippen gedefinieerd in dit hoofdstuk

Bekijk alle 852 begrippen in de begrippenlijst