Stoffen

Les 1: Stofeigenschappen

De lesstof:

Stoffen in je dagelijks leven

In huis heb je allerlei verschillende soorten stoffen nodig, zoals:

• Schoonmaakmiddelen, zoals allesreiniger en zeep

• Voedingsmiddelen, zoals suiker en azijn

• Brandstoffen, zoals aardgas en spiritus

• Cosmetica, zoals handcrème en deodorant

• Geneesmiddelen, zoals aspirine en jodium

Sommige van deze stoffen worden gemaakt in fabrieken, terwijl andere uit de natuur komen. Maar als je naar de natuur kijkt, vind je die stoffen meestal niet in hun pure vorm. Bijna alle natuurlijke stoffen zijn eigenlijk mengsels met andere stoffen erin. Dat betekent dat je ze niet zomaar kunt gebruiken. Je moet ze eerst scheiden van de stoffen die je niet nodig hebt.

Scheidingsmethoden

In de wereld van de scheikunde zijn allerlei manieren bedacht om stoffen van elkaar te scheiden. Bijvoorbeeld, je kunt een filter gebruiken om een mengsel van een vaste stof en een vloeistof te scheiden. De vloeistof gaat door het filter, terwijl de vaste stof erop blijft liggen. Een mix van kalk en water kun je zo eenvoudig scheiden in kalk en water.

Een andere methode is indampen. Met deze methode kun je een opgeloste stof scheiden van het oplosmiddel. Je verwarmt de oplossing zodat het oplosmiddel verdampt, en de opgeloste stof blijft achter als een vaste stof. Zo halen mensen al eeuwenlang zeezout uit zeewater door het water te laten verdampen, waardoor alleen het zout overblijft.

Sorteren van moleculen

Elk zuiveringsproces begint met een mengsel waarin verschillende soorten moleculen voorkomen. Stel je voor dat elk type molecuul een eigen kleur heeft. Zuiveren betekent dan dat je de moleculen van de stof die je wilt hebben, scheidt van de andere moleculen.

Bij het scheiden van stoffen ben je eigenlijk bezig met het sorteren van moleculen. Je zorgt ervoor dat moleculen van dezelfde soort bij elkaar komen. Als je bijvoorbeeld suiker zuivert, wil je alleen suikermoleculen overhouden. Andere moleculen probeer je zoveel mogelijk te verwijderen. Dan blijven er witte kristallen over die voor meer dan 99% uit suiker bestaan.

Het vaststellen van eigenschappen

Als je de eigenschappen van een stof wilt onderzoeken, wil je niet dat andere stoffen het resultaat beïnvloeden. Je wilt zeker weten dat de eigenschappen die je onderzoekt echt bij die ene stof horen. Daarom werken scheikundigen vaak met zuivere stoffen of met oplossingen waarin maar één opgeloste stof zit.

Sommige eigenschappen van stoffen kun je heel gemakkelijk vaststellen, zoals geur en kleur. Andere eigenschappen, zoals oplosbaarheid en het geleiden van elektriciteit, vereisen wat experimenten om te ontdekken. En dan heb je nog de dichtheid, die aangeeft hoeveel een bepaalde hoeveelheid van een stof weegt.

Les 2: Smeltpunt en kookpunt

De lesstof:

Vast, vloeibaar of gasvormig

Een stof heeft verschillende fasen waarin het kan zijn: vast, vloeibaar of gasvormig. Deze fase is een belangrijke eigenschap waaraan je een stof kunt herkennen. Bij normale druk en kamertemperatuur (20 °C) is suiker bijvoorbeeld vast, benzine is vloeibaar en zuurstof is gasvormig. Als je een heldere vloeistof in een fles ziet, zou het dus benzine kunnen zijn, maar geen suiker of zuurstof.

De meeste vloeistoffen bewaar je in een afgesloten fles, blik of pak. Anders verdampen ze, en na een tijdje is er geen vloeistof meer over. Sommige vloeistoffen verdampen heel snel als je ze niet goed afsluit, veel sneller dan water. Dit noemen we vluchtige vloeistoffen. Bekende voorbeelden hiervan zijn alcohol, benzine en aceton.

Voor stoffen in gasvormige fase worden twee woorden gebruikt: 'gas' en 'damp'. Je hebt het bijvoorbeeld over 'benzinedamp' en niet over 'benzinegas'. Het woord 'damp' wordt gebruikt voor stoffen die ook vloeibaar kunnen zijn onder gewone omstandigheden, zoals water of benzine. Stoffen zoals zuurstof, die bij kamertemperatuur en normale druk alleen als gas voorkomen, worden een gas genoemd.

Eigenlijk is er geen echt verschil tussen een gas en een damp. Benzinedamp en waterdamp zijn net zo goed gassen als zuurstof en stikstof. Benzinedamp is een onzichtbaar gas dat zich zonder problemen mengt met de lucht om je heen. Je ruikt meteen of iemand benzine heeft gemorst, maar je kunt de benzine net zo min zien als de andere gassen in de lucht.

Het bepalen van het smeltpunt

Een zuivere stof smelt altijd bij dezelfde temperatuur. Die temperatuur noemen we het smeltpunt van de stof. Alcohol smelt bijvoorbeeld bij −114 °C, ijs bij 0 °C en lood bij 328 °C. Het smeltpunt is dus een eigenschap van de stof. Bij allerlei toepassingen van stoffen speelt het smeltpunt een belangrijke rol. Denk bijvoorbeeld aan het solderen van metalen door een sieradenontwerper of een elektrotechnicus.

Je kunt het smeltpunt van een stof bepalen door warmte toe te voegen en bij de faseovergang het smelten af te lezen op een thermometer. Bijvoorbeeld, je kunt een reageerbuis met stearinezuur verwarmen in een bekerglas met heet water. Hierdoor kun je ervoor zorgen dat de reageerbuis gelijkmatig wordt verwarmd. Met regelmatige tussenpozen wordt de temperatuur van het stearinezuur gemeten.

Het kookpunt van stoffen

Als je een vloeistof verwarmt, zal het bij een bepaalde temperatuur gaan koken. Je ziet dan overal in de vloeistof dampbellen ontstaan. De vloeistof verdampt dan niet alleen aan het oppervlak zoals bij 'gewoon' verdampen, maar overal in de vloeistof. De temperatuur waarbij dit gebeurt, noemen we het kookpunt van de stof. Zolang de vloeistof kookt, blijft de temperatuur constant op het kookpunt.

Het kookpunt is afhankelijk van de luchtdruk. Hoe hoger de luchtdruk, des te hoger het kookpunt. Dat komt doordat er zich minder gemakkelijk dampbellen vormen als de druk op de vloeistof groter is. Meestal wordt het kookpunt van een stof opgegeven bij een 'standaard' luchtdruk van 1000 mbar (100 kPa).

Elke zuivere stof heeft zijn eigen kookpunt. Het kookpunt is dus net als het smeltpunt een eigenschap van de stof. Vluchtige vloeistoffen zoals ether, aceton en alcohol kun je herkennen aan hun lage kookpunten. Zuurstof en stikstof komen bij kamertemperatuur alleen als gas voor. Deze stoffen hebben een nog veel lager kookpunt.

Het kooktraject van mengsels

Mengsels gedragen zich anders dan zuivere stoffen wanneer ze een faseovergang ondergaan. Dit kun je bijvoorbeeld zien als je een mengsel van water en alcohol gaat verwarmen, zoals wijn. Een fles wijn bevat ongeveer twaalf volumeprocent (12 vol%) alcohol, wat betekent dat van elke 100 mL wijn, 12 mL zuivere alcohol is. De rest van de wijn bestaat voornamelijk uit water.

Wanneer je wijn aan de kook brengt, begint de vloeistof bij ongeveer 80 °C te koken. Tijdens het koken stijgt de temperatuur langzaam tot 100 °C. Hierbij blijft de temperatuur niet constant. Dit betekent dat wijn geen vast kookpunt heeft, zoals zuiver water (100 °C) of zuivere alcohol (78 °C).

Mengsels van vloeistoffen hebben geen vast kookpunt, maar een kooktraject. Het kooktraject van wijn loopt van 80 tot 100 °C. Wanneer de wijn begint te koken bij 80 °C, verdwijnt de alcohol als eerste uit de vloeistof. Later, wanneer de temperatuur in de richting van 100 °C gaat, verdampt er steeds meer water. Tegen die tijd is de meeste alcohol al uit de vloeistof verdwenen.

Les 3: Veilig werken met stoffen

De lesstof:

Gevaarlijke stoffen: Let op!

In het huishouden en op school gebruik je allerlei stoffen die gevaarlijk kunnen zijn. Sommige stoffen zijn makkelijk ontvlambaar, wat betekent dat ze gemakkelijk in brand kunnen vliegen. Voorbeelden hiervan zijn haarlak en wasbenzine. Andere stoffen kunnen irriterend zijn en huidontstekingen of oogbeschadigingen veroorzaken, zoals ammonia en ovenreiniger.

Veel van deze stoffen die je thuis gebruikt zijn gevaarlijk als je ze inslikt. Nu zou je zelf misschien niet snel een slok afwasmiddel of een hap soda nemen, maar kleine kinderen kunnen dat wel doen. Daarom is het belangrijk om schoonmaakmiddelen en medicijnen op te bergen op een plek waar kleine kinderen niet bij kunnen.

Ondanks alle voorzorgsmaatregelen kan het toch gebeuren dat een kind per ongeluk een giftige stof binnenkrijgt. Daarvoor is er de gifwijzer: een boekje of app met informatie over giftige stoffen en planten. Hierin staat precies wat je moet doen als een kind per ongeluk iets giftigs heeft ingeslikt.

Informatie op etiketten

Op de verpakking van gevaarlijke stoffen hoort een duidelijk etiket te staan, dit staat zelfs in de wet. Je ziet zulke etiketten niet alleen bij stoffen die je thuis gebruikt, maar ook in het natuur- en scheikundelokaal op school. De overheid heeft regels gemaakt voor de informatie op deze etiketten.

Op het etiket moet in de eerste plaats staan om welke stof het gaat. Als het een oplossing betreft, wordt ook de concentratie van de stof vermeld. Bijvoorbeeld, op een fles van 1 liter schoonmaakazijn kun je lezen dat de concentratie 5 volumeprocent is. Dit betekent dat de oplossing 50 mL azijnzuur bevat (5% van 1 liter is 50 mL), de rest is water.

De informatie over de concentratie wordt niet zomaar vermeld. Hoe hoger de concentratie, hoe groter het gevaar. Met geconcentreerd azijnzuur (95%) moet je bijvoorbeeld erg voorzichtig zijn. Met schoonmaakazijn (5%) kan er weinig misgaan, terwijl je huishoudazijn (1%) zelfs op salade kunt gebruiken.

Op etiketten worden gevaren aangegeven met pictogrammen, ook wel gevarensymbolen genoemd. Verder kun je op het etiket H- en P-zinnen tegenkomen. De H staat voor Hazard (gevaar). Een H-zin geeft dus aan voor welk gevaar je moet oppassen. De P staat voor Precaution (voorzorgsmaatregel). Een P-zin geeft aan welke voorzorgsmaatregelen je moet nemen als je met een stof gaat werken.

Veilig werken

Er zijn allerlei regels voor het werken met gevaarlijke stoffen. Als je op school met bijtende stoffen werkt, moet je bijvoorbeeld een veiligheidsbril opzetten, plastic handschoenen dragen en een laboratoriumjas aantrekken. Als je met ontvlambare stoffen werkt, moet je zorgen voor goede ventilatie en uit de buurt blijven van open vuur.

Ook als je thuis met stoffen werkt, moet je voorzichtig zijn. Je moet bijvoorbeeld nooit zomaar allerlei schoonmaakmiddelen mengen, want dan kunnen er giftige gassen vrijkomen. Op sommige schoonmaakmiddelen staat daarom het pictogram: niet mengen!

Milieubewust werken

Veel stoffen die je thuis of op school gebruikt, zijn schadelijk voor het milieu. Ze mogen niet in het milieu terechtkomen. Dat betekent dat je ze niet door de gootsteen mag spoelen, maar apart moet opbergen en inleveren.

Op school zal je leraar je vertellen wat je na een proef met deze stoffen moet doen. Sommige stoffen worden gezuiverd, zodat andere leerlingen ze opnieuw kunnen gebruiken (recycling). Andere stoffen worden behandeld als chemisch afval.

Sommige stoffen die je thuis gebruikt, horen bij het klein chemisch afval (kca). Deze stoffen worden apart van het overige afval opgehaald en verwerkt. Op de verpakkingen van deze stoffen is een speciaal symbool aangebracht.

Les 4: Chemische reacties

De lesstof:

Chemische reacties: Wat gebeurt er?

Bij elke chemische reactie verdwijnt minstens één stof en ontstaan er één of meer nieuwe stoffen. Neem bijvoorbeeld het verbranden van aardgas. Hierbij verdwijnen methaan (het belangrijkste deel van aardgas) en zuurstof, en ontstaan er koolstofdioxide en waterdamp.

Je kunt een reactie laten zien in een reactieschema. In zo'n schema zet je:

• de stoffen die verdwijnen,

• een pijl,

• de stoffen die ontstaan.

Het reactieschema van de verbranding van aardgas (methaan) ziet er zo uit:

methaan + zuurstof → koolstofdioxide + water

Bij het melkbusschieten heb je te maken met twee reacties. Eerst leg je calciumcarbide (ook wel carbid genoemd) in een melkbus. Als je carbid natmaakt, ontstaat het gas ethyn (ook bekend als acetyleen):

calciumcarbide + water → ethyn + calciumhydroxide

Calciumhydroxide doet verder niet mee in de reactie. Ethyn vormt met lucht een explosief mengsel. Als je het aansteekt, reageert het heel snel:

ethyn + zuurstof → koolstofdioxide + water

Bij deze reactie komt in korte tijd veel warmte vrij. Het resultaat is een explosie, waarbij het deksel van de melkbus meters ver wordt weggeschoten.

Ontleden

Als je een elektrische stroom door water laat lopen, ontleedt het water. Dit betekent dat het water langzaam verdwijnt en er zuurstof en waterstof ontstaan. Je ziet deze gassen als belletjes in het water omhoog gaan.

Het ontleden van water is een chemische reactie. Het reactieschema is:

water → waterstof + zuurstof

Let op dat er maar één stof voor de pijl staat. Dat is bij elke ontledingsreactie zo.

Chemische reacties in de keuken

Veel stoffen ontleden als ze warm worden. Bijvoorbeeld als je suiker verhit in een pannetje. Bij een temperatuur van 200 à 220 °C begint de suiker te reageren en krijg je karamel: een bruine stof met een lekkere geur en smaak. Karamel wordt gebruikt om gerechten en drankjes een mooie kleur en smaak te geven.

Bij het koken kom je veel ontledingsreacties tegen. De bruine kleur van broodkorst ontstaat bijvoorbeeld door de ontleding van zetmeel in het brooddeeg (gevolgd door andere reacties). Koffiebonen krijgen hun kleur, geur en smaak door ze te branden. Ook daarbij spelen ontledingsreacties een belangrijke rol.

Chemische reacties zorgen er ook voor dat voedsel gaar wordt. Als je een ei kookt, veranderen de stoffen in het ei. Het vloeibare eiwit wordt vast en wit, en ook het vloeibare eigeel wordt hard. Bij het koken van aardappelen verandert de kleur en worden ze zacht. Een rauwe aardappel is moeilijk te eten, maar een gekookte aardappel smaakt heerlijk.

Verbranden

Veel stoffen reageren met zuurstof uit de lucht. Als dit snel en met vlammen gebeurt, noem je het verbranding. Het reactieschema van verbranding ziet er zo uit:

brandstof + zuurstof → verbrandingsproducte

Om een verbrandingsreactie te starten, heb je drie dingen nodig:

• een brandbare stof,

• genoeg zuurstof,

• een hoge temperatuur.

De temperatuur waarbij een stof begint te branden, is voor elke stof anders. Licht ontvlambare stoffen branden al bij een lage temperatuur. Stoffen branden op verschillende manieren. Een gasvormige brandstof zoals aardgas kun je met lucht mengen en aansteken. Een vloeibare brandstof zoals benzine moet je eerst laten verdampen voordat je het kunt aansteken. Een vaste brandstof zoals hout moet je eerst verhitten, zodat de stof gaat ontleden. De gassen die daarbij ontstaan, kun je aansteken.

Corrosie

Veel metalen worden aangetast door stoffen in de lucht. Dit noem je corrosie. IJzer reageert bijvoorbeeld met zuurstof en water uit de lucht. De roodbruine stof die ontstaat, noem je roest. Roest vormt een laagje op een ijzeroppervlak. Dit laagje laat lucht en water door, waardoor het ijzer eronder ook wordt aangetast. IJzer roest na verloop van tijd helemaal door.

Op sommige metalen vormt zich een corrosielaagje dat niet poreus is. Zo'n laagje beschermt het onderliggende metaal tegen verdere aantasting. Dat zie je bijvoorbeeld bij aluminium, chroom, lood, zink en nikkel. Er zijn ook metalen die niet gevoelig zijn voor corrosie, zoals goud en zilver. Deze worden ook wel edelmetalen genoemd.