niveau:

Chemische Reacties

3. Ontledingen en Verbrandingen

In voorgaande sectie werden verschillende type reacties al kort benoemd. Een van de van de reacties was een ontleding waarin een stof wordt opgesplitst in twee kleinere stoffen. Zoals in deze sectie later naar voren zal komen is dit ook in veel situaties ook het geval in een verbranding. Toch zijn er belangrijke verschillen in een verbranding en een ontleding. Bij een ontleding van een stof worden twee stoffen opgesplitst in meerdere stoffen terwijl bij een verbranding de stoffen reageren met zuurstof.

3.1. Ontledingsreacties

Wanneer een molecuul wordt opgesplitst in kleinere stoffen dan is er sprake van een ontledingsreactie. Dit kan proces kan in een vergelijking worden geschreven in de vorm \[\mathrm{AB→A+B}\] Waarin de stof AB wordt opgesplitst tot de stoffen \(\mathrm{A}\) en \(\mathrm{B}\). Wanneer twee dezelfde stoffen worden gevormd dan kan de vergelijking worden geschreven als \[\mathrm{AB→2C}\] Deze soort reacties worden meestal aangeduid met het achtervoegsel -lyse, wat ontleden of openbreken betekend. Het ontleden van een stof is in de meeste gevallen niet energetisch gunstig. Het kost dus energie om de binding te breken, de reacties zijn in de meeste gevallen endotherm. Het type ontledingsreacties wordt dan ook vernoemd naar de bron van energie dat erin is gestoken om deze ontleding te laten plaatsvinden. De ontledingsreacties zijn weergegeven in onderstaande tabel.

reactie	energiebron
fotolyse	Stralingsenergie (fotonen)
thermolyse	Thermische energie (warmte)
elektrolyse	Elektrische energie

Fotolyse is het ontleden van stoffen door fotonen met een hoge energie. Fotonen zijn de kleinste deeltjes van licht of elektromagnetische straling (EM). De energie (\(E\)) van een foton wordt gegeven door de frequentie (\(f\)) van de fotonen. \[E(\text{foton})=hf\] Waarin \(h\) de constante van Planck is. Het is ook daarom dat stralingsenergie wordt aangeduid met \(hf\).

Ezelsbruggetje:
\(hf\) = hoge frequentie

Voorbeeld 7. Fotolyse van ozon

Een groot deel van de ultravioletstraling wordt al tegengehouden door ozon in de atmosfeer. Hierbij wordt ozon (O₃) opgesplitst in zuurstofgas en een oxide radicaal (\(\mathrm{O^⋅}\)). \[\mathrm{O_3 \xrightarrow{hf} O_2+O^⋅}\] De aanduiding hv wordt gebruikt om aan te geven dat het om stralingsenergie gaat. Deze reactie wordt soms ook geschreven als: \[\mathrm{O_3+hf→O_2+O^⋅}\] Maar deze reactie is strikt gezien niet juist, omdat fotonen geen stoffen zijn die reageren.

Thermolyse is de ontleding van stoffen door thermische energie of warmte. Door een hogere temperatuur gaan deeltjes sneller bewegen. Deze snellere beweging heeft ook als gevolg dat wanneer deze deeltjes botsen er meer kinetische energie wordt overgedragen. Daarnaast gaan niet alleen moleculen sneller bewegen, maar de atomen in de moleculen gaan ook meer bewegen. Wanneer de temperatuur hoger is dan de bindingsenergie zullen de bindingen tussen de atomen losbreken met ontleding als gevolg.

Voorbeeld 8. Ontledingsexperiment van Lavoisier

In 1772 demonstreerde Lavoisier de ontleding van kwik(II)oxide (HgO) onder een hoge temperatuur in een proces dat calcinatie heet. [1] Bij een calcinatie wordt een geoxideerde metaal onder hoge temperatuur verhit waardoor deze ontleedt. Kwik(II)oxide is een rode poeder en bij de ontleding wordt de zilverkleurige metaal gevormd. Bij deze ontleding ontstaat kwik en zuurstofgas volgens onderstaande reactie. \[\mathrm{2 HgO (l)→2 Hg (l) + O_2 (g)}\]

De thermische ontleding van koolwaterstoffen wordt ook wel pyrolyse genoemd. Koolwaterstoffen zullen verder worden behandeld in het hoofdstuk over moleculaire stoffen.

Voorbeeld 9. Pyrolyse van aardgas

Een methode om waterstofgas te produceren zonder dat hier CO₂ bij vrijkomt is de pyrolyse van methaan (CH₄) dat wordt verkregen uit aardgas. Bij een temperatuur boven de 1300 K (1027 C°) kan methaan worden ontleed tot koolstof (C) en waterstofgas (H₂). [2] \[\mathrm{CH_4 (g)→C (s)+2H_2 (g)}\]

Elektrolyse is de ontleding van stoffen door gebruik te maken van een elektrische stroom. De stroming van elektronen speelt een cruciale rol in de het vormen en dus ook het breken van een binding. Door een spanningsveld toe te passen kunnen processen die normaal energetisch niet gunstig zijn, dus het product niet stabieler is dan de reactanten, toch plaatsvinden.

Voorbeeld 10. Elektrolyse van water

Waterstofgas is een hernieuwbare energiebron. Bij de verbranding van waterstofgas komt energie vrij dat kan worden gebruikt om bijvoorbeeld een motor te laten draaien. Deze reactie werd ook in voorbeeld 4 weergegeven. Ter herhaling: \[\mathrm{2 H_2 (g)+O_2 (g)→2 H_2 O(l)}\] Bij deze reactie komt energie vrij, dus deze reactie is gunstig. Water is dus een stabieler product. De omgekeerde reactie is dan ook niet gunstig en kost energie en is dus endotherm. Deze energie kan worden geleverd door een elektrische stroom. \[\mathrm{2 H_2 O(l)→2 H_2 (g)+O_2 (g)}\]

Niet alle ontledingen zijn echter ontledingsreacties. Wanneer een stof wordt gebruikt om een andere stof te ontleden dan is dit strikt gezien niet meer een ontledingsreactie, maar een chemische reactie. Voorbeelden van dergelijke reacties zijn:

Protolyse; de stof wordt ontleed door reactie met een proton.
Hydrolyse; water wordt gebruikt om een stof te ontleden.

3.2. Verbranding

Wanneer een stof reageert met zuurstof wordt dit een oxidatie genoemd. Door de hoge elektronegativiteit van zuurstof wil deze graag een elektron opnemen. Wanneer genoeg energie beschikbaar is (activeringsenergie) zal deze met stoffen reageren met een lagere elektronen dichtheid. Als bij deze reactie meer energie vrijkomt dan de activeringsenergie dan is er sprake van een verbranding. Wanneer een verbrandingsreactie wordt geactiveerd wordt dit ook wel ontsteking genoemd. Bij een ontsteking wordt eenmalig de nodige activeringsenergie in een mengsel met een oxidator en brandstof gestoken om deze met elkaar te laten reageren. Omdat deze reactie exotherm is wordt de vrijgekomen energie gebruikt als activeringsenergie om de stoffen in de nabije omgeving ook te ontsteken. Uit bovenstaande blijkt dan ook dat drie bronnen nodig zijn voor een verbranding, namelijk een oxidator, brandstof en energiebron voor de ontsteking en kunnen in een reactievergelijking worden samengevat. \[\text{oxidator+brandstof}→\text{product+energie}\] Bij het opstellen wordt dan ook altijd een brandstof en oxidator voor de pijl geschreven en het geoxideerd product en residu (hetgeen dat overblijft) na de pijl. Bij verbranding in de lucht is zuurstofgas de oxidator. De brandstoffen zijn in de meeste gevallen koolwaterstoffen. Koolwaterstoffen zijn moleculen die alleen bestaan uit koolstof en waterstof. De verbranding van koolwaterstoffen zijn in te delen in twee type verbrandingen, de volledige verbranding en de onvolledige verbranding. Bij een volledige verbranding komt CO₂ vrij en bij een onvolledige verbranding komt CO vrij. Een tweede product dat altijd wordt gevormd is water.

Voorbeeld 11. Volledige verbranding ethaan

Geef de reactie van de volledige verbranding van ethaan (C₂H₆). Stap 1: Stel de reactie op.
Zet zuurstof (O₂) voor de pijl en CO₂ en water (H₂O) na de pijl. \[\mathrm{C_2 H_6+O_2→CO_2+H_2 O}\] Stap 2: Balanceer de reactie.
Begin altijd met het gelijk maken van de koolstofatomen (C). We hebben links van de pijl twee koolstofatomen en rechts 1, dus we moeten nog 1 CO₂ toevoegen om het aantal koolstof gelijk te maken: \[\mathrm{C_2 H_6+O_2→2 CO_2+H_2 O}\] Maak vervolgens het aantal waterstofatomen (H) gelijk. We hebben rechts 6-, en links 2 waterstofatomen. Dus we moeten rechts nog 2 H₂O toevoegen \[\mathrm{C_2 H_6+O_2→2 CO_2+3 H_2 O}\] Tot slot, maak het aantal zuurstofatomen gelijk aan elkaar. We hebben rechts 2∙2+3 zuurstofatomen en links 2 zuurstofatomen. \[\mathrm{C_2 H_6+O_2→2 CO_2+3 H_2 O}\] Als we dit zouden balanceren, dan zouden we 3,5 O₂ nodig hebben, maar we mogen geen halve moleculen hebben. \[\mathrm{C_2 H_6+3,5 O_2→2 CO_2+3 H_2 O}\] Verdubbel het aantal stoffen in de gehele reactie voor de volledige opgeloste vergelijking. \[\mathrm{2 C_2 H_6+7 O_2→4 CO_2+6 H_2 O}\]

Voorbeeld 12. Onvolledige verbranding methaangas

Methaan is de meest eenvoudige koolwaterstof met formule CH₄. Bij een verbranding wordt zuurstofgas gebruikt en wordt CO en water gevormd. Geef de reactievergelijking van de verbranding van methaangas.
Stap 1: Stel de reactie op.
\[\mathrm{CH_4+O_2→CO+H_2 O}\] Stap 2: Balanceer de reactie door de juiste aantal coëfficiënten voor de stoffen te plaatsen.
Het aantal koolstofatomen is in dit geval al gelijk. Door het aantal watermoleculen te verdubbelen zijn het aantal waterstofatomen ook gelijk. \[\mathrm{CH_4+O_2→CO+2 H_2 O}\] Nu ontstaat er alleen een probleem, het aantal zuurstofatomen rechts van de pijl is oneven en het aantal zuurstofatomen kan alleen maar even aantallen worden toegevoegd rechts van de pijl. \[\mathrm{CH_4+1,5 O_2→CO+2 H_2 O}\] Ook hier wordt het geheel verdubbeld om de reactie weer kloppend te maken, dus dat er alleen maar gehelen stoffen voorkomen in de reactie. \[\mathrm{2 CH_4+3 O_2→2 CO+4 H_2 O}\]

Test je kennis

Wat is het verschil tussen thermolyse en een verbranding?

Thermolyse is endotherm en een verbranding is exotherm. Bij een thermolyse wordt geen gebruik gemaakt van een oxidator.

Benoem drie bronnen van energie die kunnen worden gebruikt om een stof te ontleden.

Elektriciteit, temperatuur (warmte) en licht (elektromagnetische straling)