Les 5.1 Energie en reactie

• Scheikunde
• Middelbare school
• havo
• Leerjaar 4

Les 5.1 Energie en reactie

Planning

• Nakijken les 4.4
• Les 5.1 Energie en reactie
• Maken opgaven
• Nakijken opgaven 

Leerdoelen 5.1

• Je kunt het energie-effect van een reactie weergeven in een energiediagram en uit een energiediagram het energie-effect aflezen.
  
• Je kunt redeneren over energieomzettingen bij chemische processen en daarbij de wet van behoud van energie gebruiken.
  
• Je kunt de duurzaamheid van een brandstof of energiebron beoordelen op basis van emissies en energieopbrengst. energie.

Wet van behoud van energie

• Wet van behoud van energie: Energie kan worden omgezet, maar de totale hoeveelheid blijft gelijk. 
• Alle stoffen bevatten chemische energie.
• In chemische reacties vinden energieomzettingen plaats: 
• - Warmte → temperatuur stijgt.
• - Bewegingsenergie → arbeid wordt verricht.
• - Elektrische energie → elektrische spanning.
• - Stralingsenergie → licht wordt uitgestraald.
• - Chemische energie

energie-effecten

• Bij elke reactie komt energie vrij óf is energie nodig om de reactie te laten verlopen.
• Dit komt door het verbreken en vormen van (atoom)bindingen:
• - Verbreken van bindingen kost energie.
• - Vormen van bindingen levert energie op.
• De grootte van het energie-effect verschilt per reactie.

exotherme en endotherme reacties

Tijdens elke chemische reactie worden bindingen verbroken én gevormd.

Exotherme reacties: energie wordt afgestaan aan de omgeving.

• Bij een exotherme reactie levert het vormen van bindingen méér energie op dan het verbreken kost..
• Verbrandingsreacties zijn bijna altijd exotherm.

Endotherme reacties: energie wordt opgenomen tijdens de reactie.

• Voorbeeld: Fotosynthese → zonlicht levert energie om glucose en zuurstof te vormen.

Energie diagram

Verdampen: bindingen tussen moleculen worden verbroken → kost energie.

• Voorbeeld: Blaas over natte handen → snelle verdamping onttrekt warmte → handen koelen af.

Condensatie: energie komt vrij.

• Fruittelers gebruiken dit om bloesem te beschermen bij late nachtvorst.

Welk proces is exotherm?

1. Het bakken van een ei
2. Het smelten van kaarsvet
3. Het verbranden van aardgas
4. Het koken van water

Dit is een exotherme reactie

1. Pizza bakken
2. Magnesium verbranden

Wat is exotherm?

1. Er komt energie vrij
2. Heeft energie nodig

Welke process is exotherm?

1. Smelten van kaarsvet
2. Verbranden van aardgas
3. Koken van een ei
4. Koken van water

Exotherm of endotherm?
Fotosynthese

1. Endotherm
2. Exotherm

Een explosie is een exotherme reactie

1. Waar
2. Niet waar

fotolyse is endotherm

1. waar
2. niet waar

Welke reactie is endotherm?

1. Het stollen van ijs
2. Verbranding van papier
3. Condenseren van waterdamp
4. Het smelten van ijs

Energiediagram

• Het energie-effect van een reactie wordt weergegeven in een energiediagram.
• Het verloop van de reactie wordt van links naar rechts weergegeven:
• - Beginstoffen staan links.
• - Reactieproducten staan rechts.
• Energiediagrammen zijn schematisch, er is geen schaalverdeling nodig.

Energiediagram

reactiewarmte

• ΔE: de reactiewarmte
• Horizontale lijnen in het diagram tonen de energieniveaus van de beginstoffen en reactieproducten.

Het verschil in energieniveau is de reactiewarmte (ΔE):

• Eenheid: joule per mol (J mol⁻¹).
• ΔE wordt berekend als: 
• Δ𝐸=𝐸_chem(reactieproducten)−𝐸_chem(beginstoffen)

Energiediagram exotherme reactie

• Beginstoffen hebben meer chemische energie dan reactieproducten.
• ΔE < 0 → energie komt vrij (meestal als warmte).
• Voorbeeld: verbranding van aardgas.

Energiediagram endotherme reactie

• Reactieproducten hebben meer chemische energie dan beginstoffen.
• ΔE > 0 → energie wordt opgenomen.
• Voorbeeld: alle ontledingsreacties

Exotherme reactie

endotherme

Energiediagram

activeringsenergie

• Niet alle reacties starten vanzelf, ook exotherme reacties niet.
• Activeringsenergie (E_act) is de energie die nodig is om de beginstoffen in de geactiveerde toestand te brengen.
• Voorbeeld: Aardgas verbrandt pas na een vonk of vlam, omdat er eerst activeringsenergie nodig is.

Endotherm of exotherm

1. Endotherm
2. Exotherm
3. Geen van beide
4. Allebei

Dit is energiediagram van een:

1. thermolyse
2. verbrandinsgreactie

Is dit een
exotherme of endotherm
reactie?

1. endotherm want product staat lager
2. Exotherm want product staat lager
3. exotherm, het is een verbranding
4. endotherm, het is ontleding

kwaliteit van energie

• Niet elke vorm van energie kan volledig en efficiënt worden omgezet in een andere energievorm.
• Warmte-energie kan niet volledig worden omgezet in elektrische of lichtenergie.
• Elektrische energie heeft een hoger rendement en grotere flexibiliteit dan warmte-energie.
• De kwaliteit van energie is daarom hoger bij elektrische energie dan bij warmte-energie.

Lees: duurzame brandstoffen en kijk naar voorbeeldopdracht 2

Maken: 1 t/m 4 (blz 77)

klaar? maak 5 t/m 7 (blz 78)

1

• a) endotherme reactie, want er moet voortdurend elektrische energie worden toegevoerd. Elektrische energie wordt omgezet in chemische energie.
• b) Rijpen is de faseovergang van gas naar vast en die overgang is exotherm, want de omgekeerde faseovergang (van vast naar gas) kost juist energie. De energie die bij de vorming van de bindingen (chemische energie) tussen de watermoleculen vrijkomt, wordt omgezet in warmte.
• c) Exotherme reactie, want er komt energie vrij in de vorm van warmte en licht. Chemische energie wordt omgezet in warmte en stralingsenergie.  

1

• d) De temperatuur van het water stijgt, dus komt er energie in de vorm van warmte vrij. Het oplossen is dus een exotherm proces. Bij het oplossen worden ionbindingen tussen de ionen verbroken en nieuwe bindingen tussen ionen en watermoleculen gevormd. Chemische energie wordt omgezet in warmte.
• e) Er komt energie vrij in de vorm van licht (en warmte), dus het is een exotherm proces. Chemische energie wordt omgezet in elektrische energie die weer wordt omgezet in stralingsenergie (en warmte).

2a

2b

• Bij energiediagram a is het energieniveau van de producten lager dan dat van de beginstoffen. Energiediagram a is dus het diagram dat hoort bij een exotherme reactie.

3a

• De reactiewarmte ΔE is groter dan nul, dus moet er bij de elektrolyse van water steeds elektrische energie worden toegevoerd. Het is daarom een endotherme reactie.
• Reactievergelijking: 2 H₂O → 2 H₂ + O₂

3a

• De reactiewarmte ΔE is groter dan nul, dus moet er bij de elektrolyse van water steeds elektrische energie worden toegevoerd. Het is daarom een endotherme reactie.
• Reactievergelijking: 2 H₂O → 2 H₂ + O₂

3b

• De reactiewarmte ΔE is groter dan nul, dus moet er bij de fotosynthese steeds stralingsenergie in de vorm van zonlicht worden toegevoerd. Het is daarom een endotherme reactie.
• Reactievergelijking: 6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

3b

• De reactiewarmte ΔE is groter dan nul, dus moet er bij de fotosynthese steeds stralingsenergie in de vorm van zonlicht worden toegevoerd. Het is daarom een endotherme reactie.
• Reactievergelijking: 
• 6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

3c

• De reactiewarmte ΔE is kleiner dan nul, dus komt er bij de verbranding van propaan steeds energie vrij, meestal in de vorm van warmte en licht. Het is daarom een exotherme reactie.
• Reactievergelijking: C₃H₈ + 5 O₂ → 3 CO₂ + 4 H₂O
  

3c

• De reactiewarmte ΔE is kleiner dan nul, dus komt er bij de verbranding van propaan steeds energie vrij, meestal in de vorm van warmte en licht. Het is daarom een exotherme reactie.
• Reactievergelijking: 
• C₃H₈ + 5 O₂ → 3 CO₂ + 4 H₂O
  

4

• De waterstofbruggen (H-bruggen) tussen de watermoleculen zijn relatief sterk en talrijk.
  
• Daardoor is relatief veel energie nodig om ze te verbreken, zodat het water over kan gaan in de gasfase.

5a

Maken: 5 t/m 7 (blz 78)

5a

5b

5c

5

• d) Methaanzuur heeft de grootste CO2-emissie en is daarmee de minst goede keuze als brandstof. Daarna volgt propaan. Waterstof is de brandstof waar de grootste voorkeur naar uitgaat, omdat er bij de verbranding geen CO2 ontstaat. 
• e) Er bestaan geen directe bronnen van waterstof op aarde. Waterstof moet eerst gemaakt worden uit bijvoorbeeld water en energie. In waterstof is dan energie opgeslagen van een andere energiebron.

5

• f) Het opwekken van elektriciteit gebeurt in Nederland voor het grootste deel door de verbranding van steenkool of aardgas. Hierbij komt CO2 vrij, dus het gebruik van energie om het waterstofgas te produceren, zorgt voor CO2-emissie. Zelfs als de gebruikte elektriciteit van zonne-energie of windenergie afkomstig is, zal de CO2-emissie niet nul zijn, omdat bij de productie van zonnecellen, windmolens en personenauto’s ook CO2 wordt uitgestoten.

6a

• De beginstoffen hebben een hoger energieniveau dan de reactieproducten. Het energieniveau van de beginstoffen is dus hoger dan het energieniveau van de reactieproducten. De energieniveaus worden in het diagram getekend. Er is energie nodig om deze reactie op gang te brengen zodat de beginstoffen in geactiveerde toestand komen. Dit is het hoogste energieniveau. In het energiediagram moet deze activeringsenergie (Eact) worden aangegeven.

6a

6

• b) Chemische energie wordt omgezet in warmte.
• c) Ja, want de beginstoffen en de eindstoffen zijn hetzelfde.
• d) De activeringsenergie wordt verlaagd bij een katalysator. De beginstoffen en reactieproducten zijn dezelfde. Het enige energieniveau dat anders is, is dat van de geactiveerde toestand.

6

• d) De activeringsenergie wordt verlaagd bij een katalysator. De beginstoffen en reactieproducten zijn dezelfde. Het enige energieniveau dat anders is, is dat van de geactiveerde toestand.

7

• a) 2 N2(g) + O2(g) → 2 N2O(g)
• b) De vormingswarmte is positief, dus er wordt energie opgenomen. Het is dus een endotherme reactie.
• c) Het is de omgekeerde reactie van de vormingsreactie, dus het energie-effect is ook omgekeerd: ΔE = −0,816∙105 J mol−1
• d) De moleculen N2O(g) hebben bij kamertemperatuur niet voldoende energie om de activeringsenergie te overwinnen.

7e

• e) Het teken is negatief, dus het is een exotherme reactie. Het energieniveau van de beginstoffen is dus hoger dan het energieniveau van de reactieproducten. De energieniveaus worden in het diagram getekend. De reactiewarmte is −0,816∙105 J mol−1 . Er is energie nodig om deze reactie op gang te brengen zodat de beginstoffen in geactiveerde toestand komen. Dit is het hoogste energieniveau. In het energiediagram moet deze activeringsenergie (Eact) worden aangegeven.

7e