Les 5.2.2 Reactiewarmte

• Scheikunde
• Middelbare school
• havo
• Leerjaar 4

Les 5.2 Reactiewarmte

Planning

• Herhaling Les 5.2.1 Reactiewarmte
• Nakijken opgaven 
• Les 5.2 Reactiewarmte deel 2
• Maken opgaven

Leerdoelen 5.1

• 5.2.1 Je kunt de reactiewarmte van een reactie berekenen met behulp van de vormingswarmte.
  
• 5.2.2 Je kunt het rendement als percentage van de theoretische opbrengst gebruiken in berekeningen aan energieomzettingen.

Vormingswarmte (Ev)

• Vormingswarmte (Ev) is de energie die vrijkomt of nodig is bij het vormen van 1 mol van een verbinding uit de elementen.
• Eenheid: Joule per mol (J mol⁻¹).
• Vormingswarmte van elementen (niet-ontleedbare stoffen) is per definitie 0 J mol⁻¹.

Vormingswarmte (Ev)

voorbeeld: vorming van NaCl

• Reactievergelijking: Na(s) + ½ Cl₂(g) → NaCl(s).
• Ev = −4,11∙10⁵ J mol⁻¹ (negatief, dus exotherm).
• Exotherme reactie: energie komt vrij, beginstoffen hebben een hoger energieniveau dan de producten.

Vormingswarmte (Ev)

voorbeeld: vorming van NaCl

• Reactievergelijking: Na(s) + ½ Cl₂(g) → NaCl(s).
• Ev = −4,11∙10⁵ J mol⁻¹ (negatief, dus exotherm).
• Exotherme reactie: energie komt vrij, beginstoffen hebben een hoger energieniveau dan de producten.

Omgekeerde reactie: Ontleding van NaCl

• Reactie: NaCl(s) → Na(s) + ½ Cl₂(g).
• Endotherme reactie: energie moet worden toegevoegd.
• Wet van behoud van energie: benodigde energie = vrijgekomen energie bij vorming. Ev = +4,11∙10⁵ J mol⁻¹

vorming van NaCl      ontleding van NaCl

Vormingswarmte (Ev) in binas

• Binas tabel 57A: vormingswarmten van anorganische stoffen.
• Binas tabel 57B: vormingswarmten van organische stoffen.
• Meeste vormingswarmten zijn negatief (exotherm), maar sommige zijn positief (endotherm), zoals: NO₂(g), HI(g), C₂H₄(g). 

Vormingswarmte (Ev) 

Elementen

Elementen en verschillende vormen

• Elementen bestaan uit één atoomsoort (zie Binas tabel 40A).
• Vormingswarmte van elementen (niet-ontleedbare stoffen) is per definitie 0 J mol⁻¹.
• uitzondering!! Sommige elementen hebben verschillende vormen (bijv. koolstof: grafiet en diamant). (voetnoot 57A)
• C (s) grafiet → C (s) diamant: vereist 0,019∙10⁵ J mol⁻¹ energie.
  

Vormingswarmte (Ev) 

Fasen

Verschil tussen vloeibaar en gasvormig water (57A)

• H₂O(l): Ev = −2,86∙10⁵ J mol⁻¹.
• H₂O(g): Ev = −2,42∙10⁵ J mol⁻¹.
• Minder energie komt vrij bij de vorming van H₂O(g) dan H₂O(l) → extra energie nodig voor verdamping.
• Bij berekeningen: let op of water als vloeistof of gas vrijkomt.

Reactiewarmte ΔE berekenen

•  ΔE = Ev(reactieproducten) − Ev(beginstoffen).

• Belang van coëfficiënten in de reactievergelijking: Vormingswarmte moet worden vermenigvuldigd met de coëfficiënt uit de reactievergelijking.
• Voorbeeld: als er 2 H₂O(l) in de vergelijking staat, moet Ev(H₂O(l)) × 2 worden genomen.

Voorbeeldopdracht 1

Bereken de reactiewarmte voor de verbranding van diwaterstofsulfide, H2S(g), in J mol−1. Er komt waterdamp, H2O(g), en zwaveldioxide, SO2(g), vrij. Geef ook aan of de reactie endotherm of exotherm is.

Voorbeeldopdracht 2

Voor een andere manier... bekijk dan voorbeeldopracht 2

Nakijken: 1, 3, 4 en 7 (blz 84)

1

• a) Vormingswarmte is de energie die nodig is of vrijkomt bij de vorming van één mol stof uit de elementen (niet-ontleedbare stoffen).
• b) De vormingswarmte gaat over de energie voor de vorming van een stof uit de elementen. Een niet-ontleedbare stof is al een element. Het energieniveau zal daarom niet veranderen en is dus per definitie nul.
• c) −3,62∙105 J mol−1
• d) Het is een exotherm proces. Er staat immers een minteken (−) voor de waarde.

1

• e) Als element wordt witte fosfor gebruikt. De vormingswarmte van rode fosfor is dan niet nul, want de uitgangsstof is witte fosfor.
• f) Eerst moet de activeringsenergie worden overwonnen voordat de reactie kan plaatsvinden. Deze activeringsenergie zal bij kamertemperatuur niet worden bereikt.

3

• a) 2 H₂(g) + O₂(g) → 2 H₂O(l)
  
• b) De verbranding van waterstofgas is dezelfde reactie als de vormingsreactie van water. Bij kamertemperatuur is water vloeibaar. Vandaar dat de vormingswarmte van vloeibaar water wordt gebruikt. Binas tabel 57A: De vormingswarmte van vloeibaar water is −2,86∙10⁵ J mol⁻¹. Per mol waterstof ontstaat 1 mol water.  Er komt per mol waterstof 2,86∙10⁵ J aan energie vrij.

3c

4a

• Reactievergelijking: 2 NO₂(g) → N₂O₄(g)
  
• ΔE = Ev(reactieproducten) − Ev(beginstoffen)
  
• Ev(NO₂) = +0,332∙10⁵ J mol⁻¹        (Binas tabel 57A)
• Ev(N₂O₄) = +0,111∙10⁵ J mol⁻¹        (Binas tabel 57A)
• ΔE = (1 ∙ Ev(N₂O₄)) − (2 ∙ Ev(NO₂))
  
• ΔE = (1 × +0,111∙10⁵) − (2 × +0,332∙10⁵) = −0,553∙10⁵ J mol⁻¹ N₂O₄(g)
• Het teken voor de reactiewarmte is negatief. Het is dus een exotherme reactie

4b

• Reactievergelijking: 2 KClO₃(s) → 2 KCl(s) + 3 O₂(g)
  
• Ev(KClO₃) = −3,98∙10⁵ J mol⁻¹        (Binas tabel 57A)
• Ev(KCl) = −4,37∙10⁵ J mol⁻¹              (Binas tabel 57A)
• Ev(O2) = 0 J mol⁻¹                                 (O₂ is een element)
• ΔE = (2 × −4,37∙10⁵+ 3×0)  − (2 × −3,98∙10⁵) =  −0,78∙10⁵ J per 2 mol KClO₃
• Per mol KClO3 is de reactiewarmte dus: −0,78∙10⁵ : 2= −0,39∙10⁵ J mol⁻¹
• Het teken voor de reactiewarmte is negatief. Dus een exotherme reactie.
  

4c

• Reactievergelijking: 2 C₂H₆(g) + 7 O₂(g) → 4 CO₂(g) + 6 H₂O(l)
• Ev(CO₂) = −3,935∙105 J mol⁻¹                (Binas tabel 57A)
• Ev(H₂O) = −2,86∙105 J mol⁻¹                   (Binas tabel 57A)
• Ev(C₂H₆) = −0,84∙105 J mol⁻¹              (Binas tabel 57B)
• Ev(O₂) = 0 J mol⁻¹                                       (O₂ is een element)

4c (vervolg)

• Reactievergelijking: 2 C₂H₆(g) + 7 O₂(g) → 4 CO₂(g) + 6 H₂O(l)
• ΔE = (4 · Ev(CO₂) + 6 · Ev(H₂O(l))) − (2 · Ev(C₂H₆) + 7 · Ev(O₂))
  
• ΔE = (4 × −3,935∙10⁵ + 6 × −2,86∙10⁵) − (2 × −0,84∙10⁵ + 7 × 0)
• ΔE = −31,22∙10⁵ J per 2 mol ethaan
  
• dus: ΔE = −31,22∙10⁵ : 2= −15,61∙10⁵ J mol⁻¹ ethaan
• Het teken voor de reactiewarmte is negatief. Het is dus een exotherme reactie.

4d

• Reactievergelijking: 8 SO₃(g) → S₈(s) + 12 O₂(g)
  
• Ev(S₈) = 0 J mol⁻¹                           (S₈ is een element)
• Ev(O₂) = 0 J mol⁻¹                            (O₂ is een element)
• Ev(SO3) = −3,96∙10⁵ J mol⁻¹        (Binas tabel 57A)

• ΔE = (1×0 + 12×0) − (8 × −3,96∙10⁵) = +31,84∙105 J mol⁻¹ S₈
  
• Het teken voor de reactiewarmte is positief. Het is dus een endotherme reactie.

4e

• Reactievergelijking: 4 FeO(s) + O₂(g) → 2 Fe₂O₃(s)
  
• ΔE = Ev(reactieproducten) − Ev(beginstoffen)
  
• Ev(Fe₂O₃) = −8,24∙10⁵ J mol⁻¹              (Binas tabel 57A)
• Ev(FeO) = −2,72∙10⁵ J mol⁻¹                   (Binas tabel 57A)
• Ev(O₂) = 0 J mol⁻¹                                      (O₂ is een element)

4e (vervolg)

• Reactievergelijking: 4 FeO(s) + O₂(g) → 2 Fe₂O₃(s)
  
• ΔE = Ev(reactieproducten) − Ev(beginstoffen)
• ΔE = (2 ∙ Ev(Fe₂O₃)) − (4 ∙ Ev(FeO) + 1 ∙ Ev(O₂))
  
• ΔE = (2 × −8,24∙10⁵) − (4 × −2,72∙10⁵ + 1 × 0) = −5,60∙10⁵ J per 4 mol FeO
• dus: ΔE =−5,60∙10⁵: 4 = −1,40∙10⁵ J mol⁻¹ FeO
• Het teken voor de reactiewarmte is negatief. Het is dus een exotherme reactie.

7

• a) C₆H₁₂O₆(aq) → 2 C₂H₅OH(aq) + 2 CO₂(g)
  
• b) Koolstofdioxide door kalkwater leiden waarna het kalkwater troebel (melkachtig) wordt.

7C

• Reactievergelijking: C₆H₁₂O₆(aq) → 2 C₂H₅OH(aq) + 2 CO₂(g)
• Ev(CO₂) = −3,935∙10⁵ J mol⁻¹             (Binas tabel 57A)
• Ev(C₂H₅OH) = −2,78∙10⁵ J mol⁻¹         (Binas tabel 57B)
• Ev(C₆H₁₂O6) = −12,61∙10⁵ J mol⁻¹      (Binas tabel 57B)
• ΔE = (2 × −2,78∙10⁵ + 2 × −3,935∙10⁵) − (1 × −12,61∙10⁵) =                                          −0,82∙10⁵ J mol⁻¹ glucose

Leerdoelen 5.1

• 5.2.1 Je kunt de reactiewarmte van een reactie berekenen met behulp van de vormingswarmte.
  
• 5.2.2 Je kunt het rendement als percentage van de theoretische opbrengst gebruiken in berekeningen aan energieomzettingen.

Verbrandingswarmte

• Verbranding is een reactie van een brandstof met zuurstof.
• Verbrandingswarmte = reactiewarmte van een verbrandingsreactie.
• Binas tabel 56: bevat verbrandingswarmten van brandstoffen onder standaardomstandigheden. Voor verbrandingsreacties: reactiewarmte direct af te lezen uit Binas tabel 56.
• Voor andere reacties: reactiewarmte berekenen met vormingswarmten.
• Alle verbrandingsreacties zijn exotherm → verbrandingswarmte altijd negatief.

Rendement

• Theoretische reactiewarmte ≠ praktische energieopbrengst → energieverlies naar omgeving.
• Rendement (η) geeft aan hoeveel energie nuttig wordt gebruikt.
• Hoger rendement = efficiënter proces.
• Energieverlies is vaak in de vorm van niet nuttig te gebruiken warmte

Voorbeeldopdracht

• Het rendement van een gasturbine die wordt gebruikt om chemische energie uit aardgas om te zetten in elektrische energie, is 38%.
  
• De elektriciteitscentrale levert 80 MW (80 MJ s⁻¹) aan elektrische energie.
  
• Bereken hoeveel mol aardgas per seconde wordt verbrand. Je mag er bij deze berekening van uitgaan dat aardgas voor 100% uit methaan bestaat.

=Maken: 2, 5 en 6