Hoofdstuk 5 Reacties in beweging
Energie-effect
- Elke reactie kent een energie-effect. Bij elke reactie komt energie vrij of er is energie nodig. De
hoeveelheid energie kan per reactie zeer verschillend zijn. Brandstoffen zoals aardgas leveren
veel energie in de vorm van warmte en licht. Glucose levert de benodigde energie in de meeste
levende wezens. Benzine in een formule 1-auto levert veel energie in de vorm van arbeid,
waarbij ook warmte vrijkomt.
- Je spreekt van een exotherme reactie als de reagerende stoffen energie afstaan aan de
omgeving. Er is sprake van een endotherme reactie als er voortdurend energie wordt
opgenomen.
Wet van behoud van energie
- De wet van behoud van energie stelt dat bij een proces energieomzettingen kunnen
plaatsvinden, maar dat de totale hoeveelheid energie constant blijft. Alle stoffen bevatten een
bepaalde hoeveelheid chemische energie. Tijdens een reactie verandert de hoeveelheid
chemische energie (E),omdat de reactieproducten een andere hoeveelheid chemische energie
bevatten dan de beginstoffen. De verandering in chemische energie tijdens een reactie is dan: E
= Ereactieproducten – Ebeginstoffen
- In een exotherme reactie hebben de beginstoffen meer chemische energie dan de
reactieproducten, waardoor de E < 0. Deze energie verdwijnt dan uit de deelnemende stoffen
en komt vrij in de omgeving. Bij endotherme reacties hebben de reactieproducten meer
chemische energie dan de beginstoffen en wordt de E > 0.
Standaardomstandigheden
- Bij constante druk kan een chemische reactie geen arbeid verrichten. Als de chemische energie
tijdens een reactie bij constante druk ook niet in een andere vorm wordt omgezet wordt alle
chemische energie omgezet in warmte. Dit wordt de reactiewarmte E genoemd met als
eenheid joule per mol. Omdat de energie-inhoud van stoffen mede wordt bepaald door de
temperatuur, wordt ervan uitgegaan dat de stoffen aan het begin en na afloop van de reactie een
temperatuur hebben van 298 K (25 °C) en zich onder een druk van 101 325 Pa = p0 bevinden. Dit
worden standaardomstandigheden genoemd.
Reactiewarmte meten
- Je kunt de reactiewarmte van een reactie vrij eenvoudig in een warmtemeter bepalen. Dit is een
reactievat waarin het proces plaatsvindt.
- De warmtemeter bestaat uit een goed geïsoleerd vat om geen warmte verloren te laten gaan.
Omdat de reactiewarmte moet worden gemeten onder constante druk, moet het reactievat ook
een minieme opening hebben. Als de reactie plaatsvindt in een bepaalde hoeveelheid water,
wordt de reactiewarmte opgenomen door of afgestaan aan het water. De hoeveelheid
overgedragen warmte (Q) kan worden bepaald door het temperatuurverschil van het water te
meten aan het begin en het eind van de reactie. Om de hoeveelheid warmte te kunnen
berekenen, heb je de soortelijke warmte (c) nodig. Dit is de hoeveelheid joule die nodig is om 1
kg van een stof 1 K in temperatuur te doen stijgen. Je kunt dan de volgende formule gebruiken->
Q = c x m x T
Q -> de hoeveelheid warmte die wordt opgenomen of afgestaan in joule (J)
c -> de soortelijke warmte van water in joule per kilogram per kelvin
m -> de massa van het water in kilogram (kg)
T -> de temperatuurverandering in kelvin (K)
, Q
- De reactiewarmte kan dan worden berekend volgens: E = -
n
Exotherm of endotherm
- Met een warmtemeter kun je ook bepalen of een reactie exotherm of endotherm is. Bij stijgende
temperatuur is T > 0, waardoor Q > 0 is. Dan heeft het water in het vat de warmte opgenomen
die door de reactie is afgestaan. Er is dan sprake van een exotherme reactie en dan is E < 0. Als
de temperatuur daalt, is T < 0. Dan is de reactie endotherm en is E > 0.
Energieomzettingen en rendement
- Als je warmte uit een chemisch proces nodig hebt wil je het liefst dat alle chemische energie
wordt omgezet in nuttige warmte. Het rendement van een systeem is het percentage nuttig
gebruikte energie van de totale toegevoerde energie dat dit system kan produceren ->
nuttig gebruikte energie ( Enut )
rendement () = x 100%
totaal geleverde energie( Etot)
- Een rendement van 100% is nooit haalbaar, omdat er altijd warmte verloren gaat. Deze verloren
warmte kan dus niet nuttig worden gebruikt.
Vormingswarmte
- De reactiewarmte van elke reactie kun je ook berekenen met behulp van vormingswarmten. De
vormingswarmte (Ev) van een verbinding is de hoeveelheid warmte die vrijkomt of nodig is voor
de vorming van 1 mol van die verbinding uit de niet-ontleedbare stoffen. De eenheid is joule per
mol. De vormingswarmte van de niet-ontleedbare stoffen is daarmee per definitie op nul gesteld.
In Binas tabel 57A en 57B staan de vormingswarmten gegeven waarbij de stoffen voor en na de
reactie zich onder standardomstandigheden bevinden.
Reactiewarmte
- Met behulp van de vormingswarmten kun je de
reactiewarmte, onder standaardomstandigheden, van
elke reactie berekenen volgens de formule -> E = Ev
(reactieproducten) – Ev (beginstoffen)
- Als je uitgaat van de volgende algemene
reactievergelijking -> m A +n B -> q C + r D. Kun je uit
de vormingswarmten de reactiewarmte berekenen ->
E = (q • Ev(stof C) + r • Ev(stof D)) - (m • Ev(stof A) + n
• Ev(stof B))
- Je kunt de berekening ook grafisch weergeven. In dit
energiediagram zijn de vormingswarmten van de
deelnemende stoffen als energieniveaus weergegeven. Op deze wijze kan de reactiewarmte ook
grafisch worden bepaald.
Verbrandingswarmte
- De verbrandingswarmte van een verbrandingsreactie is gelijk aan de reactiewarmte van deze
verbrandingsreactie. In Binas tabel 56 vind je verbrandingswarmten onder
standardomstandigheden. Voor alle overige reacties moet je de reactiewarmte berekenen met
behulp van de vormingswarmten.
- Als de vormingswarmte van een brandbare stof niet is gegeven, kun je deze vaak wel berekenen
met behulp van de verbrandingswarmte van die stof en de vormingswarmten van de overige
stoffen in de reactie.
Energie-effect
- Elke reactie kent een energie-effect. Bij elke reactie komt energie vrij of er is energie nodig. De
hoeveelheid energie kan per reactie zeer verschillend zijn. Brandstoffen zoals aardgas leveren
veel energie in de vorm van warmte en licht. Glucose levert de benodigde energie in de meeste
levende wezens. Benzine in een formule 1-auto levert veel energie in de vorm van arbeid,
waarbij ook warmte vrijkomt.
- Je spreekt van een exotherme reactie als de reagerende stoffen energie afstaan aan de
omgeving. Er is sprake van een endotherme reactie als er voortdurend energie wordt
opgenomen.
Wet van behoud van energie
- De wet van behoud van energie stelt dat bij een proces energieomzettingen kunnen
plaatsvinden, maar dat de totale hoeveelheid energie constant blijft. Alle stoffen bevatten een
bepaalde hoeveelheid chemische energie. Tijdens een reactie verandert de hoeveelheid
chemische energie (E),omdat de reactieproducten een andere hoeveelheid chemische energie
bevatten dan de beginstoffen. De verandering in chemische energie tijdens een reactie is dan: E
= Ereactieproducten – Ebeginstoffen
- In een exotherme reactie hebben de beginstoffen meer chemische energie dan de
reactieproducten, waardoor de E < 0. Deze energie verdwijnt dan uit de deelnemende stoffen
en komt vrij in de omgeving. Bij endotherme reacties hebben de reactieproducten meer
chemische energie dan de beginstoffen en wordt de E > 0.
Standaardomstandigheden
- Bij constante druk kan een chemische reactie geen arbeid verrichten. Als de chemische energie
tijdens een reactie bij constante druk ook niet in een andere vorm wordt omgezet wordt alle
chemische energie omgezet in warmte. Dit wordt de reactiewarmte E genoemd met als
eenheid joule per mol. Omdat de energie-inhoud van stoffen mede wordt bepaald door de
temperatuur, wordt ervan uitgegaan dat de stoffen aan het begin en na afloop van de reactie een
temperatuur hebben van 298 K (25 °C) en zich onder een druk van 101 325 Pa = p0 bevinden. Dit
worden standaardomstandigheden genoemd.
Reactiewarmte meten
- Je kunt de reactiewarmte van een reactie vrij eenvoudig in een warmtemeter bepalen. Dit is een
reactievat waarin het proces plaatsvindt.
- De warmtemeter bestaat uit een goed geïsoleerd vat om geen warmte verloren te laten gaan.
Omdat de reactiewarmte moet worden gemeten onder constante druk, moet het reactievat ook
een minieme opening hebben. Als de reactie plaatsvindt in een bepaalde hoeveelheid water,
wordt de reactiewarmte opgenomen door of afgestaan aan het water. De hoeveelheid
overgedragen warmte (Q) kan worden bepaald door het temperatuurverschil van het water te
meten aan het begin en het eind van de reactie. Om de hoeveelheid warmte te kunnen
berekenen, heb je de soortelijke warmte (c) nodig. Dit is de hoeveelheid joule die nodig is om 1
kg van een stof 1 K in temperatuur te doen stijgen. Je kunt dan de volgende formule gebruiken->
Q = c x m x T
Q -> de hoeveelheid warmte die wordt opgenomen of afgestaan in joule (J)
c -> de soortelijke warmte van water in joule per kilogram per kelvin
m -> de massa van het water in kilogram (kg)
T -> de temperatuurverandering in kelvin (K)
, Q
- De reactiewarmte kan dan worden berekend volgens: E = -
n
Exotherm of endotherm
- Met een warmtemeter kun je ook bepalen of een reactie exotherm of endotherm is. Bij stijgende
temperatuur is T > 0, waardoor Q > 0 is. Dan heeft het water in het vat de warmte opgenomen
die door de reactie is afgestaan. Er is dan sprake van een exotherme reactie en dan is E < 0. Als
de temperatuur daalt, is T < 0. Dan is de reactie endotherm en is E > 0.
Energieomzettingen en rendement
- Als je warmte uit een chemisch proces nodig hebt wil je het liefst dat alle chemische energie
wordt omgezet in nuttige warmte. Het rendement van een systeem is het percentage nuttig
gebruikte energie van de totale toegevoerde energie dat dit system kan produceren ->
nuttig gebruikte energie ( Enut )
rendement () = x 100%
totaal geleverde energie( Etot)
- Een rendement van 100% is nooit haalbaar, omdat er altijd warmte verloren gaat. Deze verloren
warmte kan dus niet nuttig worden gebruikt.
Vormingswarmte
- De reactiewarmte van elke reactie kun je ook berekenen met behulp van vormingswarmten. De
vormingswarmte (Ev) van een verbinding is de hoeveelheid warmte die vrijkomt of nodig is voor
de vorming van 1 mol van die verbinding uit de niet-ontleedbare stoffen. De eenheid is joule per
mol. De vormingswarmte van de niet-ontleedbare stoffen is daarmee per definitie op nul gesteld.
In Binas tabel 57A en 57B staan de vormingswarmten gegeven waarbij de stoffen voor en na de
reactie zich onder standardomstandigheden bevinden.
Reactiewarmte
- Met behulp van de vormingswarmten kun je de
reactiewarmte, onder standaardomstandigheden, van
elke reactie berekenen volgens de formule -> E = Ev
(reactieproducten) – Ev (beginstoffen)
- Als je uitgaat van de volgende algemene
reactievergelijking -> m A +n B -> q C + r D. Kun je uit
de vormingswarmten de reactiewarmte berekenen ->
E = (q • Ev(stof C) + r • Ev(stof D)) - (m • Ev(stof A) + n
• Ev(stof B))
- Je kunt de berekening ook grafisch weergeven. In dit
energiediagram zijn de vormingswarmten van de
deelnemende stoffen als energieniveaus weergegeven. Op deze wijze kan de reactiewarmte ook
grafisch worden bepaald.
Verbrandingswarmte
- De verbrandingswarmte van een verbrandingsreactie is gelijk aan de reactiewarmte van deze
verbrandingsreactie. In Binas tabel 56 vind je verbrandingswarmten onder
standardomstandigheden. Voor alle overige reacties moet je de reactiewarmte berekenen met
behulp van de vormingswarmten.
- Als de vormingswarmte van een brandbare stof niet is gegeven, kun je deze vaak wel berekenen
met behulp van de verbrandingswarmte van die stof en de vormingswarmten van de overige
stoffen in de reactie.
