GENIE Natuurwetenschappen 4 - Leerschrift (ed. 2025)

GENIE

GENIE Natuurwetenschappen

LEERSCHRIFT DEEL A 4

Dit leermiddel is onderdeel van de lesmethode GENIE Natuurwetenschappen van Uitgeverij VAN IN. Het is ontwikkeld met de intentie dat iedere leerling zich herkent en thuis voelt in beeld en tekst. Heb je op- of aanmerkingen, dan kun je contact opnemen met Uitgeverij VAN IN.

Fotokopieerapparaten zijn algemeen verspreid en vele mensen maken er haast onnadenkend gebruik van voor allerlei doeleinden. Jammer genoeg ontstaan boeken niet met hetzelfde gemak als kopieën. Boeken samenstellen kost veel inzet, tijd en geld. De vergoeding van de auteurs en van iedereen die bij het maken en verhandelen van boeken betrokken is, komt voort uit de verkoop van die boeken.

In België beschermt de auteurswet de rechten van deze mensen. Wanneer u van boeken of van gedeelten eruit zonder toestemming kopieën maakt, buiten de uitdrukkelijk bij wet bepaalde uitzonderingen, ontneemt u hen dus een stuk van die vergoeding. Daarom vragen auteurs en uitgevers u beschermde teksten niet zonder schriftelijke toestemming te kopiëren buiten de uitdrukkelijk bij wet bepaalde uitzonderingen. Verdere informatie over kopieerrechten en de wetgeving met betrekking tot reproductie vindt u op www.reprobel.be.

Ook voor het digitale lesmateriaal gelden deze voorwaarden. De licentie die toegang verleent tot dat materiaal is persoonlijk. Bij vermoeden van misbruik kan die gedeactiveerd worden. Meer informatie over de gebruiksvoorwaarden leest u op www.ididdit.be.

© Uitgeverij VAN IN, Wommelgem, 2025. Alle rechten voorbehouden. Tekst- en datamining (TDM) niet toegestaan.

De uitgever heeft ernaar gestreefd de relevante auteursrechten te regelen volgens de wettelijke bepalingen. Wie desondanks meent zekere rechten te kunnen doen gelden, wordt verzocht zich tot de uitgever te wenden.

Credits p. 45 Handen © Imageselect/Alamy, p. 87 Fast and Furious © Shutterstock/Steve Lagreca, p. 87 Ontstopper © Shutterstock/ RVillalon, p. 88 Baksoda © Shutterstock/DW labs Incorporated, p. 105 Mijngas © Shutterstock/Sunshine Seeds, p. 120 Applet © CC BY PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, https://phet.colorado.edu, p. 151 Felix Baumgartner © Belgaimage, p. 154 Vrijevaltoren © Shutterstock/Edu Mangas, p. 187 Efteling © Shutterstock/Julia700702, p. 192 Carrousel © Shutterstock/Dennis Diatel, p. 195 Nafi Thiam © Shutterstock/Victor Velter

Eerste druk 2025

Vormgeving en ontwerp cover: Shtick ISBN 978-94-647-0801-1

Tekeningen: Tim Boers (Studio B), Julie Lefevre, Geert Verlinde D/2025/0078/131

Zetwerk: D'hondt-Ravijts bv Art. 608549/01 NUR 120

INHOUD

MODULE 01: HORMONALE REGELING

VAN DE VOORTPLANTING

1 Hoe ontstaat nieuw leven? 12

1.1 Hoe ontstaat een baby uit voortplantingscellen? 12

1.2 Hoe wordt het geslacht van de baby bepaald? 14

2 Hoe wordt de vorming van voortplantingscellen geregeld? 18

2.1 Waar worden de eicellen gevormd? 18

2.2 Hoe wordt de vorming van de eicellen geregeld? 19

2.3 Waar ontstaan de mannelijke voortplantingscellen? 25

2.4 Hoe wordt de vorming van de zaadcellen geregeld? 26

2.5 Hoe verklein je de kans op een zwangerschap? 29

3 Hoe wordt de menstruatie verhinderd na een bevruchting? 30

MODULE 02: IONVORMING EN CHEMISCHE BINDINGEN

` HOOFDSTUK 1:

1 Ionvorming 36 2 Elektronegativiteit 39 3 Stofeigenschappen

SAMENGESTELDE

1 Wat is het verschil tussen een binding en een verbinding?

2 Welke soorten bindingen bestaan er?

2.2

` HOOFDSTUK 3: Naam- en formulevorming van de oxiden, hydroxiden en zouten

1 Atoomverbindingen: de niet-metaaloxiden 81

2 Ionverbindingen: de metaaloxiden, hydroxiden en zouten 83

2.1 Metalen met meerdere mogelijke oxidatiegetallen 83

2.2 Het metaal heeft slechts 1 mogelijk oxidatiegetal 84

3 Toepassingen van oxiden, hydroxiden en zouten 86

3.1 Niet-metaaloxiden 86

3.2 Metaaloxiden 87

3.3 Hydroxiden 87

3.4 Zouten 88 ` HOOFDSTUK 4: Zuurtegraad van een oplossing 91

1 pH en de zuurtegraad van een oplossing 91 1.1 pH-indicatoren 93 1.2 pH-meter 94

` HOOFDSTUK 5:

De alkanen 96

1 Voorstellingen van organische stoffen 96

2 De alkanen: naam- en formulevorming 100

3 Fysische eigenschappen van alkanen 103

3.1 Fysische eigenschappen 103

3.2 Voorkomen en toepassingen van alkanen 104

MODULE 04: DRUK

` HOOFDSTUK 1: Wat is druk? 114

1 Wat is druk op een oppervlak? 114

1.1 Maat voor indrukking 114

1.2 Druk verhogen en verlagen 118

2 Wat is druk in een gas? 120

2.1 Botsingen 120

2.2 Absolute nulpunt 123

2.3 Atmosferische druk 125

2.4 Over- en onderdruk 126

` HOOFDSTUK 2: Wat is druk in en op een vloeistof? 135

1 Wat is druk in een vloeistof? 135

1.1 Druk in een vloeistof 135

1.2 Kracht op een oppervlak door de hydrostatische druk 139

2 Wat is druk op een vloeistof? 140

2.1 Wet van Pascal 140

2.2 Technologische toepassingen 142

MODULE 05: ENERGIEOMZETTINGEN

` HOOFDSTUK 1: Wat is mechanische energie? 152

1 Welke vormen van mechanische energie bestaan er? 152

2 Hoe groot is de kinetische energie? 156

3 Hoe groot is de potentiële energie? 158

3.1 Potentiële zwaarte-energie 158

3.2 Potentiële elastische energie 161

` HOOFDSTUK 2: Hoe verandert de energie bij een energieomzetting? 170

1 Hoe kun je energieomzettingen omschrijven? 170

2 Hoe verandert de energie in een systeem? 172

2.1 Behoud van energie bij een geïsoleerd systeem 172

2.2 Behoud van energie bij een willekeurig systeem 176

2.3 Energiedissipatie 179

` HOOFDSTUK 3: Hoe kan energie gebruikt worden? 187

1 Wat betekenen energieproductie en -verbruik? 187

2 Wat is het vermogen van een energieomzetting? 190

Wat betekent duurzaam omgaan met energie?

©VANIN

DEEL B (voorlopige inhoudsopgave)

MODULE 06: EIGENSCHAPPEN VAN STOFFEN

MODULE 07: CHEMISCH REKENEN

MODULE 08: THERMODYNAMICA

MODULE 09: BIODIVERSITEIT

MODULE 10: INTERACTIES TUSSEN ORGANISMEN

MODULE 11: ELEKTRICITEIT

Notities

WERKEN MET GENIE

GENIE is een hybride leermiddel. Het bestaat uit een leerschrift én een digitaal aanbod op iDiddit.

Dit overzicht geeft je inzicht in welke onderdelen je waar kunt terugvinden.

GENIE Natuurwetenschappen bestaat uit 11 modules. Elke module is op dezelfde manier opgebouwd.

1 CHECK IN

2 HOOFDSTUKKEN + VERKEN

3 AAN DE SLAG

4 SYNTHESE

5 CHECK IT OUT

De CHECK IN, VERKEN en CHECK IT OUT vind je uitsluitend online.

CHECK IN MODULE

©VANIN

In de HOOFDSTUKKEN verwerf je de nodige kennis en vaardigheden om uiteindelijk een antwoord te geven op de centrale vraag of het probleem uit de CHECK IN

START HOOFDSTUK 1

Op iDiddit vind je alle informatie die ook in je boek terug te vinden is: alle teksten, illustraties en opdrachten. Je kunt dus kiezen hoe je met GENIE aan de slag gaat.

Op iDiddit vind je ook:

• begrippenlijsten;

• instructiefilmpjes;

• vademecum;

• adaptieve oefenreeksen;

• STEM-projecten;

• kennisclips;

• labo’s.

TIP: op iDiddit kun je ook je eigen notities bijhouden.

AAN DE SLAG

De CHECK IN laat je kennismaken met het onderwerp en eindigt met een probleem of een vraag die je enkel op iDiddit vindt.

Kennis vatten we samen in de rode kenniskaders. Handig zijn de verwijzingen naar de AAN DE SLAG-oefeningen waarmee je zelf kunt nagaan of je de leerinhouden begrepen hebt.

Via de AAN DE SLAG kun je individueel de leerstof van het hoofdstuk inoefenen. Je leerkracht beslist of je de oefeningen pas op het einde van de module maakt of tijdens de lessen.

VOLGEND HOOFDSTUK

VERKEN

In de modules:

- vind je verschillende manieren om een SYNTHESE te maken: mindmap, schema, Cornell … - vind je een checklist die je laat reflecteren over de leerstof. Je gaat na welke leerdoelen je al dan niet onder de knie hebt. - denk je bewust na over je leerproces, interesses en vaardigheden.

©VANIN

CHECK IT OUT

CHECK IN VOLGENDE MODULE SYNTHESE

Wetenschap maakt deel uit van jouw leefwereld, al weet je het soms niet. In de verkenfase zul je merken dat je best al wat kennis hebt uit het dagelijks leven over het onderwerp dat in een hoofdstuk aan bod komt. We activeren je voorkennis bij de start van elk hoofdstuk op iDiddit.

In elke CHECK IT OUT pas je de vergaarde kennis en vaardigheden toe om terug te koppelen naar de vraag uit de CHECK IN

LABO

Ga zelf op onderzoek! Op iDiddit staan een aantal labo’s om experimenten uit te voeren.

GENIE Natuurwetenschappen 4 WERKEN MET GENIE

Mijn lesmateriaal

H e t o n li ne l ee rplatfor m bij GENIE Natuurwetenschappen 4

Hier vind je alle inhouden uit het boek, maar ook meer, zoals lmpjes, labo’s, extra oefeningen ...

Extra materiaal

Bij bepaalde stukken theorie of oefeningen kun je extra materiaal openen. Dat kan een bijkomend videofragment zijn,een extra bron of een leestekst.

Kortom, dit is materiaal dat je helpt om de leerstof onder de knie te krijgen.

Adaptieve oefeningen

In dit gedeelte kun je de leerstof inoefenen op jouw niveau. Hier kun je vrij oefenen of de oefeningen maken die de leerkracht voor je heeft klaargezet.

Opdrachten

Hier vind je de opdrachten die de leerkracht voor jou heeft klaargezet.

Evalueren

Hier kan de leerkracht toetsen voor jou klaarzetten.

Resultaten

Wil je weten hoever je al staat met oefenen, opdrachten en toetsen? Hier vind je een helder overzicht van al je resultaten.

Notities

Heb je aantekeningen gemaakt bij een bepaalde inhoud? Via je notities kun je ze makkelijk terug oproepen.

Meer weten?

Ga naar www.ididdit.be

Ga zelf op onderzoek! Doorheen de modules vind je de verwijzing naar de labo’s op iDiddit.

Dit icoon geeft aan dat er aanvullend lesmateriaal of een extra opdracht op iDiddit staat.

Soms is het handig dat je extra lesinformatie of een videofragment zelf kunt bekijken of beluisteren op je smartphone. Als je dit icoon ziet, open dan de VAN IN Plus-app en scan de pagina.

LABO 01

MODULE 01 HORMONALE REGELING VAN

DE VO ORTPLANTING

©VANIN

Al voor de geboorte kun je met een echografie op basis van de primaire geslachtskenmerken zien of de nieuwe baby een jongen of een meisje is. Voor het overige is er weinig verschil tussen het lichaam van beide geslachten. Tijdens de hele kindertijd verloopt de fysieke ontwikkeling van jongens en meisjes vrij gelijkaardig, maar vanaf de puberteit ontplooit het lichaam zich duidelijk anders. Wanneer de secundaire geslachtskenmerken ontstaan, groeit het lichaam van jongens en meisjes op meerdere vlakken verschillend, zoals bij de ontwikkeling van de spieren en het skelet, de haargroei of de borst.

` Hoe beïnvloeden hormonen het geslacht van een baby?

` Waar worden zaadcellen en eicellen gevormd?

` Hoe verloopt de hormonale regeling van de vorming van eicellen bij de vrouw?

` Hoe wordt de vorming van zaadcellen bij de man geregeld?

We zoeken het uit!

Î Hormonale regeling van de voortplanting

LEERDOELEN

Je kunt al:

M de belangrijkste organen van het mannelijk en vrouwelijk voortplantingsstelsel lokaliseren en benoemen;

M de functie van de belangrijkste organen van het voortplantingsstelsel toelichten;

M de primaire en secundaire geslachtskenmerken onderscheiden.

Je leert nu:

©VANIN

M waardoor het geslacht van de baby wordt bepaald;

M de invloed van de hormonen LH, FSH, oestrogeen en progesteron bij de productie van de eicellen en het verloop van de menstruatiecyclus uitleggen;

M op een tijdlijn van de menstruatiecyclus de eicelrijping, de eisprong, de vruchtbare periode en de menstruatie situeren;

M de invloed van LH, FSH en testosteron uitleggen bij de productie van de zaadcellen;

M de werking van hormonale anticonceptiemiddelen uitleggen.

Het voortplantingssysteem van de mens is essentieel om nieuw leven te creëren. Het voortplantingssysteem komt tot ontwikkeling nog voordat je wordt geboren, maar het wordt pas actief tijdens de puberteit onder invloed van bepaalde hormonen. De productie van de voortplantingscellen bij mannen en vrouwen verschilt van elkaar.

1 Hoe ontstaat nieuw leven?

Bij alle zoogdieren, dus ook bij de mens, ontstaat nieuw leven door een bevruchting in het lichaam van een vrouwelijk individu. Al tijdens de ontwikkeling van een embryo tot een baby wordt het geslacht van de toekomstige baby gevormd. Hoe gebeurt dat?

1.1 Hoe ontstaat een baby uit voor tplantingscellen?

Om een nieuwe mens te laten ontstaan, moeten mannelijke voortplantingscellen of zaadcellen tot bij de vrouwelijke voortplantingscellen of eicellen in het vrouwelijk voortplantingsorgaan komen. Bij de mens en andere zoogdieren kan dat gebeuren dankzij de geslachtsgemeenschap. S Afb. 1 Door geslachtsgemeenschap worden zaadcellen zo dicht mogelijk bij de eicel gebracht.

Zo kan er een bevruchte eicel of zygote ontstaan. Als die bevruchte eicel zich deelt, ontstaan er twee cellen, die zich elk op hun beurt opnieuw zullen delen.

In het begin van die delingen vormen de nieuwgevormde cellen samen een klompje van identieke cellen, maar in de loop van de ontwikkeling gaan ze steeds meer van elkaar verschillen. Het klompje cellen noem je dan een embryo. Daarin ontstaan er vanaf ongeveer de tweede week na de bevruchting verschillende weefsels en organen. Het hart ontstaat bijvoorbeeld in de derde week na de bevruchting.

Op het eind van de achtste week na de bevruchting zijn alle organen en systemen aangelegd. Vanaf dan spreek je van een foetus. In de resterende tijd van de zwangerschap zullen de organen groeien, verfijnen en in werking treden. Hoewel de foetus vanaf week 22 levensvatbaar is, treedt de geboorte doorgaans op rond week 38. Gewoonlijk telt men voor de duur van de zwangerschap 40 weken, omdat men rekent vanaf de eerste dag van de laatste menstruatie.

©VANIN

OPDRACHT 1

Plaats de onderstaande begrippen op de juiste plaats bij de afbeelding.

viercellig stadium – foetus – bevruchting – baby – achtcellig stadium – tweecellig stadium –embryo – zygote

bevruchtingzygotetweecellig stadium viercellig stadium achtcellig stadium embryo foetus baby S Afb. 2

1.2 Hoe wordt het geslacht van de baby bepaald?

Bij de bevruchting versmelten de mannelijke en de vrouwelijke voortplantingscellen met elkaar. In de zygote komt er dus erfelijk materiaal (DNA) van beide ouders terecht. Dat DNA bevindt zich in de chromosomen. Eicellen bevatten altijd een X-chromosoom, zaadcellen een X- of een Y-chromosoom. Je noemt dat de geslachtschromosomen.

©VANIN

WEETJE

Als een zaadcel met een Y-chromosoom de eicel bevrucht, bevat de eicel de erfelijke informatie voor de ontwikkeling tot een mannelijk individu. Bevat de zaadcel een X-chromosoom, dan bevat de bevruchte eicel de erfelijke informatie voor een meisje. Het geslacht van een embryo wordt bij de bevruchting dus bepaald door het geslachtschromosoom in de zaadcel die de eicel bevrucht. Al bij de bevruchting is het geslacht genetisch vastgelegd.

geslachtscellen

X-chromosoom

bevruchte eicellen eicel zaadcel

X-chromosoom of Y-chromosoom

meisje jongen

S Afb. 3 Eicellen bevatten altijd een X-chromosoom, zaadcellen een X- of een Y-chromosoom. Als een zaadcel met een Y-chromosoom de eicel bevrucht, bevat de eicel de erfelijke informatie voor de ontwikkeling tot een mannelijk individu.

De eerste weken zullen de geslachtsklieren en de uitwendige geslachtsdelen in een embryo niet van elkaar verschillen. Ze zijn ongedifferentieerd. Wanneer in de cellen van een embryo een Y-chromosoom aanwezig is, kan de productie van testosteron worden geactiveerd in de ongedifferentieerde geslachtsklieren. Dat hormoon is nodig om de mannelijke voortplantingsorganen te ontwikkelen. Wanneer er twee X-chromosomen aanwezig zijn in het embryo, wordt er geen testosteron aangemaakt en zullen de geslachtsklieren zich ontwikkelen tot vrouwelijke voortplantingsorganen.

Vanaf ongeveer de twaalfde week van de zwangerschap zijn de geslachtsorganen voldoende gegroeid, zodat je op een echografie het verschil tussen een jongen en een meisje kunt zien.

OPDRACHT 2

Op de afbeelding staan de mannelijke geslachtsorganen aangegeven.

1 Lees de beschrijvingen en functies van de onderdelen van het voortplantingsstelsel. Vul de correcte benamingen aan.

2 Vul het juiste nummer van de afbeelding aan.

3D-beeld mannelijk voortplantingsorgaan

Benaming

Beschrijving

Functie

ovaalvormige organen in de balzak aanmaak mannelijke hormonen en zaadcellen

buisjes die op de teelballen liggen verzamelplaats voor zaadcellen, zodat die kunnen rijpen

verbinding tussen de urineblaas en de buitenwereld doorgeven van sperma en urine

holtes in de penis

vullen zich met bloed, maken een erectie mogelijk

buisje van bijbal naar urinebuis vervoer van zaadcellen

opslagplaats voor zaadvocht voegt vocht met voedingsstoffen toe aan de zaadcellen

klier waar de zaadleider doorheen loopt voegt zaadvocht toe

het uiteinde van de penis

heel gevoelig voor seksuele prikkels

rekbaar stukje huid dat over het topje van de penis zit beschermen van de eikel

bevat de teelballen, houdt die buiten het lichaam

beschermen en ondersteunen van de teelballen en de temperatuur lager houden

OPDRACHT 3

Wat zijn de belangrijke organen van het vrouwelijke voorplantingsstelsel?

1 Noteer de cijfers op de juiste plaats bij de afbeelding.

2 Combineer de benaming met de correcte beschrijving.

3D-beeld vrouwelijk voortplantingsorgaan

Benaming Beschrijving

1vagina of schede

Averbinding met de buitenwereld

2baarmoeder B Hierin worden de eicellen en vrouwelijke hormonen aangemaakt.

3eileider

4eierstok

5baarmoederhals

CDit orgaan vervoert de eicel naar de baarmoeder.

Dpeervormig gespierd orgaan

EIn dit orgaan worden rijpe eicellen opgevangen.

6eileidertrechter FTwee paar van dit orgaan beschermen de vagina.

7schaamlippen Gopening onderaan de baarmoeder

1 2 3 4 5 6 7

S Afb. 5 Zij- en vooraanzicht van het vrouwelijke voortplantingsstelsel

Zodra een baby geboren is, kun je meestal het geslacht duidelijk zien aan de lichamelijke kenmerken. De geslachtskenmerken die aanwezig zijn vanaf de geboorte, zoals de penis en de balzak bij jongens en de schaamlippen en de vagina bij meisjes, noem je de primaire geslachtskenmerken. Die lichamelijke kenmerken bepalen je biologisch geslacht. Als de initiële geslachtsorganen van het embryo zich niet volledig tot mannelijke geslachtsorganen ontwikkelen, kan het individu vanaf de geboorte zowel mannelijke als vrouwelijke primaire geslachtskenmerken vertonen. Zo kan iemand geboren worden met een niet-volgroeide penis en een vagina-ingang, of een clitoris die zo groot is dat ze op een penis lijkt. Dat noem je een intersekse persoon. Soms komt dat verschijnsel pas in een latere levensfase tot uiting, zoals tijdens de puberteit, en is dat uitwendig helemaal niet zichtbaar: een jongen kan dan eierstokken blijken te hebben, of een meisje kan geen baarmoeder hebben.

S Afb. 6 Elke dag worden er in België een vijftal kinderen geboren met een variatie in geslachtskenmerken. Dat is ongeveer evenveel als het aantal tweelingen dat in België wordt geboren.

©VANIN

Een embryo bevat aanvankelijk ongedifferentieerde geslachtsklieren.

Het Y-chromosoom bevat de erfelijke informatie voor de ontwikkeling van teelballen uit de ongedifferentieerde geslachtsklieren. De teelballen produceren het hormoon testosteron, waardoor er zich mannelijke voortplantingsorganen vormen.

In afwezigheid van een Y-chromosoom is er geen productie van testosteron. De ongedifferentieerde geslachtsklieren ontwikkelen zich dan tot eierstokken en er ontstaan vrouwelijke voortplantingsorganen

` Maak oefening 1, 2 en 3 op p. 31.

2 Hoe wordt de vorming van voortplantingscellen geregeld?

Na de geboorte duurt het nog zo’n tiental jaar vooraleer de puberteit start. Vanaf dan heeft je lichaam nog eens ongeveer tien jaar nodig om uit te groeien tot een volwassene. In die periode treedt er een hele reeks veranderingen op. Zo kent je lichaam een groeispurt en komen de secundaire geslachtskenmerken tot uiting. Doordat je hersenen zich blijven ontwikkelen tijdens de puberteit, krijg je ook andere ideeën en opvattingen. Je vormt een eigen identiteit en zelfbeeld. Bovendien krijg je ook interesse in romantische relaties. Vanaf dan ben je immers in staat om je voort te planten.

Al die veranderingen worden bepaald door hormonen. Die stoffen sturen niet enkel veranderingen op fysiek, cognitief en emotioneel vlak aan, maar regelen ook je vruchtbaarheid.

2.1 Waar worden de eicellen gevormd?

©VANIN

Omdat een eicel zeer veel cytoplasma bevat, is ze bijna honderdduizend keer groter dan een zaadcel. Daarmee is de eicel een van de grootste cellen van de mens.

De vorming van de vrouwelijke voortplantingscellen of eicellen gebeurt in de vrouwelijke geslachtklieren of de eierstokken. De eierstokken bevinden zich binnen in het vrouwelijk lichaam, aan weerszijden van de baarmoeder in de buikholte. De vorming van de eicellen start al voor de geboorte. In een eierstok zijn bij de geboorte al zeer veel onrijpe eicellen aanwezig. In een latere levensfase voltooien er maandelijks één of meer eicellen het rijpingsproces. Vrouwen zijn niet hun hele leven vruchtbaar: tussen de leeftijd van veertig tot zestig jaar zijn er niet meer voldoende onrijpe eicellen en stopt het rijpingsproces.

Alle eicellen in de eierstokken zijn omgeven door cellen die voeding en bescherming leveren aan de eicel. Die cellen noem je de follikelcellen. Het geheel van een eicel met de follikelcellen noem je een follikel

S Afb. 7

Een eicel is omgeven door een of meerdere lagen van follikelcellen. Het geheel noem je een follikel.

baarmoederslijmvlies

2.2 Hoe wordt de vorming van de eicellen geregeld?

De vorming en de rijping van eicellen wordt geregeld door hormonen. Dat proces begint vanaf de puberteit. Onder invloed van hormonen start bij vrouwen op dat moment de maandelijkse menstruatiecyclus. Tijdens die cyclus beginnen er meerdere eicellen in de eierstok te rijpen. Intussen ondergaat ook het baarmoederslijmvlies veranderingen. Doorgaans zal één eicel het rijpingsproces voltooien en uit de eierstok vrijkomen: dat is de eisprong of ovulatie. De cyclus duurt gemiddeld 28 dagen, maar kan ook langer of korter zijn.

baarmoeder

• Oestrogeen en progesteron, aangemaakt in de eierstokken, beïnvloeden het baarmoederslijmvlies. ©VANIN

Afb. 8

Eicellen komen maandelijks tot rijping in de eierstokken onder invloed van hormonen. Daarbij ondergaat het baarmoederslijmvlies ook veranderingen.

De hormonen die de vorming van de eicellen (oögenese) regelen, worden geproduceerd in hormonale klieren. De hypothalamus, de hypofyse en bepaalde cellen van de ovaria spelen daarbij een belangrijke rol. De hormonen die ze produceren, worden via het bloed naar alle delen van het lichaam vervoerd en hebben een effect op plaatsen waar de passende doelwitcellen aanwezig zijn.

De volgende hormonen zijn betrokken bij het aansturen van de menstruatiecyclus en bij de regeling van de productie van eicellen:

• GnRH (gonadotropine releasing hormoon) is een hypothalamushormoon dat de hypofyse aanstuurt.

• FSH (follikelstimulerend hormoon) en LH (luteïniserend hormoon) zijn twee hypofysehormonen die de eierstokken beïnvloeden.

eierstok

eileider

ovulatie

rijpe eicel

S

OPDRACHT 4

De afbeelding stelt de hormonale regeling van de menstruatiecyclus voor.

Beantwoord de vragen.

hypofyse

een lage concentratie aan oestrogeen stimuleert de productie van GnRH en daarmee ook de eigen productie

S Afb. 9

eierstokken

oestrogeen progesteron baarmoederslijmvlies

De hormonale regeling van de menstruatiecyclus met feedbacksystemen

1 In welke hormonale klier wordt GnRH geproduceerd?

2 Welke klier wordt aangestuurd door GnRH?

3 Welke hormonen worden geproduceerd in de hypofyse?

een hoge concentratie aan oestrogeen en progesteron remt de productie van GnRH en daarmee ook de eigen productie ++ stimulatie door hormonenconcentratie negatieve feedback positieve feedback

4 Welke organen worden beïnvloed door de bovenstaande hormonen?

5 Welke hormonen kunnen zowel een stimulerend als een remmend effect uitoefenen op de hypofyse en de hypothalamus?

6 Hoe noem je een systeem waarbij de concentratie van stoffen een stimulerend of remmend effect uitoefent op zijn eigen productie?

Je leerde al dat de productie van bepaalde hormonen kan worden gestimuleerd door de concentratieveranderingen van andere hormonen. Ook hier is dat het geval. De hypothalamus produceert het hormoon GnRH. Dat hormoon stimuleert (zie ++ op afbeelding 9) de hypofyse om de hypofysehormonen LH en FSH af te scheiden. Bij de vrouw spelen feedbacksystemen van die hormonen een rol. Zij regelen de menstruatiecyclus.

WEETJE

Menstruatiepijn kan voorkomen net voor de start van en/of tijdens je maandstonden. Je kunt last hebben van pijn en krampen in de onderbuik, pijn in de rug, hoofdpijn, pijnlijke borsten en/of een opgeblazen gevoel. Bijna alle vrouwen hebben af en toe last van menstruatiepijn. Bij 5 % tot 15 % zijn de klachten zo ernstig dat ze zelfs aanleiding geven tot school- of werkverzuim. Wie naar de dokter gaat, hoort vaak: ‘Menstruatiepijn hoort er nu eenmaal bij’, en als oplossing voor het lijden: ‘Neem de pil’. Steeds meer vrouwen nemen geen genoegen met dat antwoord en gaan op zoek naar alternatieven, in het bijzonder omdat de pil mentale en fysieke bijwerkingen heeft. Onderzoek toont aan dat de hormonen in het anticonceptiemiddel onder andere van invloed zijn op de hersenen.

OPDRACHT 5

Gebruik de hyperlinks om een antwoord te formuleren op de onderstaande vragen.

1 Wat is het premenstrueel syndroom?

website: premenstrueel syndroom

VIDEO

2 Wat is endometriose?

website: endometriose

VIDEO

S Afb. 10 Menstruatiepijn

De delen van de follikel die overblijven na de eisprong, vormen een structuur die een gele kleur krijgt. De wetenschappelijke naam daarvan is corpus luteum, dat letterlijk ‘geel lichaam’ betekent. De gele kleur is het gevolg van hoge vetreserves, die worden gebruikt om de hormonen oestrogeen en progesteron te vormen.

Het verloop van de menstruatiecyclus kan worden ingedeeld in drie fasen:

1 de folliculaire fase; 2 de luteale fase; 3 de menstruatiefase.

1 De folliculaire fase

• De folliculaire fase start na de menstruatie. Op dat moment is de concentratie aan oestrogeen en progesteron in het bloed laag. Die lage concentratie fungeert als prikkel voor de hypothalamus om GnRH af te scheiden. De concentratie van dat hormoon stijgt daardoor, en dat signaal stuurt de hypofyse aan om meer FSH en LH af te geven aan het bloed.

• FSH stimuleert een aantal follikels in de eierstokken om te rijpen. De follikelcellen rond de eicel produceren daarbij oestrogeen

• De combinatie van oestrogenen, FSH en LH blijft de ontwikkeling en de rijping van de follikel ondersteunen. Naarmate de follikel rijpt, komen er steeds meer follikelcellen bij. Doordat die cellen oestrogenen produceren, stijgt de concentratie aan oestrogenen in het bloed. De follikel neemt ook toe in omvang door de opstapeling van vocht dat de follikelcellen aanmaken.

• Het hormoon oestrogeen zorg t ervoor dat het baarmoederslijmvlies aangroeit, als voorbereiding op een mogelijke zwangerschap.

• Ongeveer op de twaalfde tot de veertiende dag van de cyclus bereikt de oestrogeenspiegel een kritische drempel. Bij een bepaalde concentratie stimuleert oestrogeen de hypothalamus om meer GnRH af te scheiden.

F6

De menstruatie treedt enkel op als er na de ovulatie geen bevruchting en geen innesteling hebben plaatsgevonden.

F7

• Dat stimuleert op zijn beurt de hypofyse, wat enkele dagen later resulteert in een sterk verhoogde afscheiding van FSH en LH. FSH stimuleert de follikel om meer oestrogeen te produceren. Via een keten van reacties stimuleert oestrogeen zijn eigen productie: een lage concentratie aan oestrogeen fungeert als prikkel om die concentratie te verhogen. Dat is een voorbeeld van een positieve feedback

• De piek in LH fungeert als de uitlokkende factor voor de eisprong of ovulatie. Die vindt plaats rond de veertiende dag van de cyclus.

2 De luteale fase

• De delen van de follikel die achterblijven na de ovulatie, vormen het gele lichaam. Het gele lichaam vormt tijdens de luteale fase de hormonen oestrogeen en progesteron.

• Door de toenemende hoeveelheid progesteron in het bloed ontwikkelen er zich bloedvaten en talrijke slijmkliertjes in het baarmoederslijmvlies. Zo brengt progesteron het baarmoederslijmvlies in een toestand die optimaal is voor de mogelijke innesteling van een embryo.

• Progesteron bevordert ook de stofwisseling en leidt tot een stijging van de lichaamstemperatuur Je kunt dat ervaren als een periode waarin je veel energie hebt.

• De hoge concentraties aan de hormonen oestrogeen en progesteron oefenen samen een negatieve feedback uit op de hypothalamus: de secretie van GnRH wordt afgeremd. Een verlaagde afscheiding van GnRH vermindert de secretie van FSH en LH. Omdat het hormoon LH nodig is om het gele lichaam in stand te houden, zal de lage concentratie aan LH ervoor zorgen dat het gele lichaam wordt afgebroken.

• Als gevolg daarvan dalen ook de concentraties aan oestrogeen en progesteron. Hier zie je hoe een hoge concentratie aan oestrogenen en progesteron de prikkel vormt om via een keten van reacties de eigen productie af te remmen. Je spreekt daarom van negatieve feedback.

• Als een embryo zich in het baarmoederslijmvlies nestelt, verhindert een ander hormoon de afbraak van het gele lichaam, waardoor de zwangerschap kan doorgaan.

3 De menstruatiefase

• De zeer lage concentratie aan de hormonen oestrogeen en progesteron zorgt ervoor dat het baarmoederslijmvlies afbrokkelt en wordt afgestoten.

• Dat gaat gepaard met bloedingen, de menstruatie. De menstruatie begint gewoonlijk veertien dagen na de ovulatie en duurt gemiddeld vijf dagen.

• Wanneer de concentratie aan oestrogenen en progesteron in het bloed afneemt, valt ook de remmende werking op de hypothalamus weg. De secretie van GnRH begint opnieuw en de folliculaire fase van een nieuwe cyclus start weer op.

F1

F2

F3

F4

F5

L1

L2

L3

L4

L5

OPDRACHT 6

Lees de tekst op de vorige pagina. Plaats de symbolen F1, F2 … van de verschillende fasen in de menstruatiecyclus op juiste plaats op de afbeelding.

menstruatie

menstruatie folliculaire fase

luteale fase

12345678910 11 121314151617181920 21 22 23 24 2526 27128

FSH en LH

hypofysehormonen hypofyse hypothalamus

follikelcellen geel lichaam

oestrogeen oestrogeen

ovulatie drempel

progesteron progesteron

secretiefase

groeifase

baarmoederslijmvlies

lichaamstemperatuur

12345678910 11 121314151617181920 21 22 23 24 2526 27128

S Afb. 11

De hormonale invloeden tijdens de menstruatiecyclus

ovariële cyclus

ovariumhormonen baarmoedercyclus

38 °C

37 °C

36 °C

De meeste vrouwen hebben een cyclus die vrij regelmatig is: ze duurt telkens even lang. Dat betekent dat de dag waarop de eisprong plaatsvindt, en ook de dag waarop de menstruatie begint, goed voorspelbaar zijn. Bij vrouwen met een onregelmatige cyclus is de periode tussen twee menstruaties de ene keer (veel) langer dan de andere keer. Aangezien de eisprong meestal veertien dagen voor de volgende menstruatie gebeurt, is het dan ook moeilijker om te voorspellen wanneer de eisprong plaatsvindt.

De menstruele cycli volgen elkaar op gedurende een periode van gemiddeld 35 tot 40 jaar. Daarna raakt de voorraad eicellen uitgeput en wijzigt de hormonale cyclus van de vrouw. Dat zorgt voor veranderingen in de menstruatiecyclus. De hormonale veranderingen veroorzaken lichamelijke en mentale ongemakken, zoals slapeloosheid, vermoeidheid en stemmingswisselingen. Die periode wordt de perimenopauze genoemd en kan meerdere jaren duren. Als de menstruele cyclus volledig is stilgevallen, wordt er een nieuw hormonaal evenwicht bereikt. Dan spreek je van de menopauze

©VANIN

geheugenproblemen stemmingswisselingen gewichtstoename borstspanning opvliegers vaginale droogheid slapeloosheid haaruitval

S Afb. 12

Tijdens de perimenopauze kunnen hormonale veranderingen verschillende symptomen veroorzaken.

Bij de vrouw ontstaan er voor de geboorte al onrijpe eicellen in de eierstokken. Vanaf de puberteit zullen er eicellen tijdens de menstruatiecyclus het rijpingsproces voltooien. De menstruatiecyclus wordt geregeld door feedbacksystemen tussen de hormonen GnRH, FSH, LH, oestrogeen en progesteron. Er kunnen drie fasen in de cyclus worden onderscheiden:

• de folliculaire fase, waarin follikels rijpen en het baarmoederslijmvlies dikker wordt;

• de luteale fase, waarin het baarmoederslijmvlies zich voorbereidt op de innesteling van een embryo;

• de menstruatiefase, waarin het baarmoederslijmvlies wordt afgestoten als er zich geen embryo heeft ingenesteld.

Na een periode van 35 à 40 jaar met menstruele cycli komt de vrouw in de perimenopauze. Tijdens die periode wijzigt de hormonale cyclus als gevolg van een te klein aantal onrijpe eicellen. Na enkele jaren valt de menstruele cyclus stil en treedt er een nieuw hormonaal evenwicht in. Dat is de menopauze

` Maak oefening 4, 5 en 6 op p. 31.

2.3 Waar ontstaan de mannelijke voor tplantingscellen?

Net zoals bij de vrouw de eicellen ontstaan in de eierstokken, worden de mannelijke voortplantingscellen of zaadcellen gemaakt in de mannelijke geslachtsklieren of de teelballen. Die liggen buiten de buikholte in de balzak In elke teelbal liggen er 600 tot 800 zaadbuisjes. Dat zijn sterk gekronkelde en dunne buisjes, elk ongeveer 50 cm lang. Het is in die zaadbuisjes dat er zaadcellen worden aangemaakt. Het grote aantal zaadbuisjes is nodig om de enorme aantallen zaadcellen aan te maken die bij een zaadlozing of ejaculatie naar buiten worden gestuwd: een zaadlozing bevat gemiddeld 400 miljoen zaadcellen.

teelbal bijbal zaadleider zaadbuisje

©VANIN

balzak

OPDRACHT 7

Een zaadcel moet tot bij de eicel geraken om ermee te kunnen versmelten.

Bestudeer de afbeelding, bekijk de video en beantwoord dan de vragen.

blaasje kern zweepstaart

middenstuk kop

S Afb. 14

Zaadcellen zijn de kleinste menselijke cellen. Ze bestaan uit een kop, een middenstuk en een zweepstaart.

1 Waarmee is de zaadcel uitgerust waardoor hij zich kan voortbewegen? Verklaar.

W Afb. 13

Een doorsnede van een teelbal. In een teelbal bevinden zich honderden zaadbuisjes, waarin zaadcellen worden gemaakt.

video: zaadcel VIDEO

2 Welk celonderdeel is extra goed ontwikkeld om de cel van voldoende kinetische energie te voorzien?

WEETJE

Doordat er in zaadcellen zeer weinig cytoplasma aanwezig is, behoren ze tot de kleinste cellen van de mens.

De mannelijke voortplantingscellen of zaadcellen zijn beweeglijk, zodat ze zich naar de eicel toe kunnen verplaatsen. Als de zweepstaart beweegt, wordt de kop van de zaadcel vooruit gestuwd. Die kop bevat de kern met het erfelijk materiaal, maar ook een blaasje gevuld met stoffen die helpen om de eicel binnen te dringen.

OPDRACHT 8

2.4 Hoe wordt de vorming van de zaadcellen geregeld?

In tegenstelling tot de vorming van de eicellen van de vrouw start de productie van de zaadcellen in de teelballen vanaf de puberteit en loopt ze verder tijdens het hele leven van de man. Mannen zijn dus, in tegenstelling tot vrouwen, hun hele leven vruchtbaar.

Bestudeer de afbeelding met de hormonale regeling van de vorming van zaadcellen.

Beantwoord de vragen.

hypothalamus

GnRH ++

hypofyse

LH ++ FSH ++

testosteron

testosteron inhibine

teelballen

cellen van zaadbuisjes

(hormoonproducerende) cellen tussen zaadbuisjes

S Afb. 15 De hormonale regeling van de vorming van zaadcellen met stimulatie en negatieve feedbacksystemen

1 Welke hormonen spelen een rol bij de zaadcelvorming?

++ stimulatie door hormonenconcentratie negatieve feedback

2 Vergelijk de regeling van de zaadcelvorming met die van de eicelvorming bij de vrouw (zie afbeelding 15). Wat gelijkenissen stel je vast? Leg uit.

3 Vul telkens het passende hormoon in.

De hormoonproducerende cellen tussen de zaadbuisjes worden gestimuleerd door om het hormoon aan te maken. Het hormoon stimuleert de cellen van de zaadbuisjes om het hormoon op te nemen. Dat is nodig voor de vorming van zaadcellen.

OPDRACHT 8 (VERVOLG)

4 De cellen van de zaadbuisjes produceren het hormoon inhibine.

Welke invloed heeft dat hormoon bij een voldoende hoge concentratie?

Markeer de juiste antwoorden.

Inhibine heeft een remmende / stimulerende invloed op de hypofyse.

Daardoor wordt er meer / minder FSH afgescheiden.

Dat heeft op zijn beurt als gevolg dat er meer / minder inhibine aanwezig is.

Je noemt dat een positief / negatief feedbacksysteem.

5 Wanneer er een overmaat aan testosteron ontstaat, zorgt dat ervoor dat de productie van dat hormoon wordt afgeremd.

Leg uit aan de hand van het schema.

©VANIN

Net zoals bij de vrouw wordt de vorming en de rijping van zaadcellen geregeld door hormonen. Een aantal van die hormonen zijn dezelfde als diegene die de vorming van de eicellen bij de vrouw regelen.

• GnRH is een hypothalamushormoon dat, net zoals bij de regeling van de vorming van de eicellen, de hypofyse aanstuurt.

• FSH en LH zijn hormonen van de hypofyse, die bij de man de teelballen beïnvloeden.

• De hormonen testosteron en inhibine, die aangemaakt worden in de teelballen, regelen de productie van zaadcellen.

Ook bij de man spelen feedbacksystemen van die hormonen een rol (zie afbeelding 15). De hypothalamus produceert het hormoon GnRH. Dat hormoon stimuleert (zie ++) de hypofyse om de hypofysehormonen LH en FSH af te scheiden.

Het hormoon LH stimuleert op zijn beurt bepaalde cellen die tussen de zaadbuisjes in de testes liggen, om het hormoon testosteron aan te maken. Het hormoon FSH stimuleert de opname van testosteron door de cellen van de zaadbuisjes. Dat is nodig voor de vorming van de zaadcellen Net zoals de follikelcellen bij de vrouw zijn er dus ook bij de man bepaalde cellen in de teelballen die hormonen produceren.

De cellen van de zaadbuisjes spelen een belangrijke rol in de vorming van de zaadcellen: ze ondersteunen en voeden ze, maar produceren ook het hormoon inhibine. In een voldoende hoge concentratie remt inhibine de afscheiding van FSH door de hypofyse. Dat is een voorbeeld van een negatief feedbacksysteem. Er wordt dus minder FSH afgescheiden en minder inhibine geproduceerd als er te veel inhibine aanwezig is.

Een overmaat aan testosteron remt de afscheiding van GnRH door de hypothalamus en de vorming van LH, wat ervoor zorgt dat productie van testosteron daalt. Die twee processen zijn ook voorbeelden van een negatieve terugkoppeling.

Je kunt dus besluiten dat de concentraties aan GnRH, FSH en LH worden geregeld door negatieve feedbacksystemen.

©VANIN

WEETJE

Testosteron speelt niet alleen een rol in de hormonale regeling van de voortplantingscellen bij de man en de ontwikkeling van het mannelijk geslacht. Ook andere cellen in je lichaam kunnen als doelwitcellen reageren op de aanwezigheid van testosteron. Testosteron stimuleert ook de groei van spieren, verhoogt het uithoudingsvermogen en het herstel van spieren, vermindert de vetmassa en onderdrukt de vermoeidheid, maar verhoogt de focus en de agressie. Daarom wordt testosteron in bepaalde sporten, zoals atletiek, gewichtheffen, bodybuilding en wielrennen, gebruikt als doping. Het gebruik van testosteron is niet zonder gevaar. Het verhoogt niet alleen het risico op hart- en vaatziekten en beroertes, maar veroorzaakt ook leverschade, groeistoornissen, verschrompeling van de teelballen en onvruchtbaarheid. Testosterongebruik kan ook leiden tot stemmingswisselingen en psychoses.

Vanaf de puberteit start de vorming van zaadcellen in de zaadbuisjes van de teelballen

Dat proces wordt geregeld door verschillende hormonen:

• het hypothalamushormoon GnRH;

• de hypofysehormonen FSH en LH;

• de hormonen testosteron en inhibine, die in de teelballen worden gevormd.

Negatieve feedbacksystemen spelen een rol bij de hormonale regeling van de vorming van de zaadcellen.

` Maak oefening 7 t/m 10 op p. 32.

S Afb. 16

Testosteron stimuleert de groei van spieren.

2.5 Hoe verklein je de kans op een zwangerschap?

OPDRACHT 9 ONDERZOEK

Welke manieren zijn er om een zwangerschap te voorkomen? Ga naar Labo 01 op .

S Afb. 17

Het condoom (links) is een niet-hormonaal anticonceptiemiddel. De anticonceptiepil (rechts) is de bekendste vorm van hormonale anticonceptie.

©VANIN

Wie het risico op een zwangerschap wil beperken, kan gebruikmaken van natuurlijke methoden en geslachtsgemeenschap vermijden in de periode voor en na de eisprong. Het moment van de eisprong kun je bepalen op basis van je basale temperatuur (je lichaamstemperatuur wanneer je ontwaakt) of je kennis van je eigen menstruele cyclus. Die natuurlijke methoden zijn echter niet heel betrouwbaar, omdat het niet altijd vanzelfsprekend is om het moment van de eisprong te voorspellen.

Om een zwangerschap te vermijden, kun je ook gebruikmaken van anticonceptiemiddelen. Sommige anticonceptiemiddelen, zoals het condoom en het pessarium, maken gebruik van fysieke barrières: ze zorgen ervoor dat de zaadcellen niet bij de eicellen kunnen.

Andere anticonceptiemiddelen werken op basis van hormonen Het bekendste en wellicht meest gebruikte anticonceptiemiddel bij de vrouw is de pil. Daar bestaan verschillende varianten van, zoals de minipil en de prikpil. De pil bevat synthetische varianten van de vrouwelijke geslachtshormonen. De synthetische varianten van de geslachtshormonen hebben dezelfde werking als de natuurlijke hormonen. Als een vrouw de pil correct inneemt, wordt er een zeer hoge concentratie aan natuurlijke hormonen nagebootst. Afhankelijk van de soort pil wordt, door negatieve feedback, de rijping van nieuwe eicellen of de verdikking van het baarmoederslijmvlies afgeremd. Daardoor kan een eventuele bevruchte eicel zich niet innestelen.

Je kunt een zwangerschap vermijden door anticonceptiemiddelen te gebruiken.

Sommige anticonceptiemiddelen werken op basis van fysieke barrières Hormonale anticonceptiemiddelen verhinderen de vorming van voortplantingscellen door gebruik te maken van negatieve feedbacksystemen.

3 Hoe wordt de menstruatie verhinderd na een bevruchting?

OPDRACHT 10

Gebruik afbeelding 18 om de vragen te beantwoorden.

1 Welk hormoon wordt geproduceerd door het embryo?

2 Wat is het effect van dat hormoon?

©VANIN

3 Wat is de functie van het gele lichaam?

4 Wat is dan uiteindelijk het gevolg van stap 2 en 3?

2 tegenwerking afbraak

1 productie geel lichaam

3 productie hCG progesteron oestrogeen

embryo

Wanneer er een bevruchting is opgetreden en het embryo zich in het baarmoederslijmvlies nestelt, zou het ingenestelde embryo uit het lichaam worden verwijderd als de menstruatie plaatsvond.

Als een embryo zich heeft ingenesteld, wordt de menstruatie vermeden dankzij het hormoon hCG (humaan choriongonadotropine). Dat hormoon wordt door het embryo geproduceerd en zorgt ervoor dat het gele lichaam niet wordt afgebroken. De hormonen oestrogeen en progesteron blijven dus aanwezig in hoge concentraties, waardoor er geen nieuwe cyclus start en het baarmoederslijmvlies, samen met het ingenestelde embryo, niet wordt afgestoten. In een latere fase van de zwangerschap neemt de moederkoek of placenta de productie van oestrogeen en progesteron over.

Wanneer na een bevruchting het embryo zich in het baarmoederslijmvlies innestelt, zorgt het hormoon hCG (humaan choriongonadotropine) ervoor dat het gele lichaam blijft bestaan en de menstruatie uitblijft.

S Afb. 18

c Wat is het gevolg van het afsterven van het gele lichaam? 1 2 3 4 5 6

Welk hormoon zorgt ervoor dat een embryo zich ontwikkelt tot een jongen? FSH hCG oestrogeen testosteron

Rangschik de volgende stadia in chronologische volgorde. baby – zygote (bevruchte eicel) – foetus – embryo

Noem drie delen van het vrouwelijk voortplantingsorgaan die tot ontwikkeling komen in afwezigheid van het hormoon testosteron.

Van welk hormoon of welke hormonen is er rond het tijdstip van de eisprong een sterk verhoogde concentratie merkbaar in het bloed?

Welke invloed heeft oestrogeen op ...

a het baarmoederslijmvlies?

b de hypothalamus?

Wat gebeurt er op hormonaal vlak bij de luteale fase en de menstruatie?

a Welke hormonen worden door het gele lichaam aangemaakt in de luteale fase?

b Leg uit hoe het gele lichaam afsterft door hormonen die het zelf produceert.

Op welke plaats in het mannelijk voortplantingsorgaan worden de zaadcellen gevormd?

Duid aan met een pijl.

Sommige sporters nemen testosteron om hun spieren sterker te laten ontwikkelen. Een neveneffect van het gebruik van testosteron is een verminderde vruchtbaarheid. Leg uit waarom de inname van testosteron kan leiden tot een verminderde vruchtbaarheid.

Welke hormonen die de vorming van eicellen bij de vrouw regelen, spelen ook een rol bij de regeling van de vorming van zaadcellen?

Welke hormonen spelen een rol bij de vorming van de zaadcellen?

Noteer de juiste hormonen bij de nummers op het schema.

hypothalamus

hypofyse

teelballen cellen van zaadbuisjes

(hormoonproducerende) cellen tussen zaadbuisjes

Meer oefenen? Ga naar .

Vanaf de puberteit worden de voortplantingsorganen geactiveerd door verschillende hormonen.

Bij de vrouw ontstaan er voor de geboorte al onrijpe eicellen in de eierstokken. Vanaf de puberteit zullen er eicellen tijdens de menstruatiecyclus het rijpingsproces voltooien. Die cyclus wordt geregeld door feedbacksystemen tussen de hormonen GnRH, FSH, LH, oestrogeen en progesteron.

hypothalamus

hypofyse

++ stimulatie door hormonenconcentratie negatieve feedback positieve feedback

eierstokken

oestrogeen progesteron

baarmoederslijmvlies GnRH

Er kunnen drie fasen in de cyclus worden onderscheiden:

• de folliculaire fase, waarin follikels rijpen en het baarmoederslijmvlies dikker wordt;

• de luteale fase, waarin het baarmoederslijmvlies zich voorbereidt op de innesteling van een embryo;

• de menstruatiefase, waarin het baarmoederslijmvlies wordt afgestoten als er zich geen embryo heeft ingenesteld.

De menstruele cyclus loopt door tot aan de menopauze.

Tijdens de zwangerschap speelt het hormoon hCG een rol om het baarmoederslijmvlies in stand te houden, waardoor de menstruatie stopt en de zwangerschap kan doorgaan.

Bij de man begint de productie van zaadcellen in de puberteit. De productie gaat door gedurende het hele leven. De zaadcellen worden geproduceerd in de teelballen. Dat proces wordt geregeld door feedbacksystemen van hormonen zoals GnrH, LH, FSH en testosteron

hypothalamus hypofyse

++ stimulatie door hormonenconcentratie negatieve feedback

teelballen

cellen van zaadbuisjes (hormoonproducerende) cellen tussen zaadbuisjes

JANOG OEFENEN

Begripskennis

• Ik kan uitleggen hoe nieuw leven ontstaat.

• Ik kan uitleggen hoe het geslacht van een baby wordt bepaald.

• Ik kan de begrippen ‘zygote’, ‘embryo’ en ‘foetus’ uitleggen

• Ik kan de bouw van de voortplantingsorganen bij de man en de vrouw benoemen en vergelijken.

• Ik kan de invloed van de hormonen LH, FSH, oestrogeen en progesteron bij de productie van de eicellen en het verloop van de menstruatiecyclus uitleggen

• Ik kan op een tijdlijn van de menstruatiecyclus de eicelrijping, de eisprong, de vruchtbare periode en de menstruatie situeren.

• Ik kan uitleggen wat de menopauze is.

• Ik kan de invloed van LH, FSH en testosteron bij de productie van zaadcellen uitleggen.

• Ik kan de functie van feedbacksystemen bij de hormonale regeling van de voortplanting uitleggen.

• Ik kan een voorbeeld geven van anticonceptie en uitleggen hoe je het correct gebruikt.

• Ik kan uitleggen hoe de menstruatie wordt verhinderd na een bevruchting.

` Je kunt deze checklist ook op invullen.

MODULE 02

IONVORMING EN CHEMISCHE BINDINGEN

Alles om ons heen bestaat uit chemische elementen, netjes gerangschikt in het periodiek systeem. Elk element heeft unieke eigenschappen, zoals het vermogen om elektronen af te staan of aan te trekken. Die eigenschappen bepalen of een atoom zich gedraagt als een metaal of een niet-metaal, en hoe het reageert met andere stoffen.

Maar atomen blijven zelden alleen. Ze zoeken verbinding – letterlijk. Via chemische bindingen vormen ze samen nieuwe stoffen. Soms geven ze elektronen af, soms delen ze ze, en soms laten ze ze vrij rondzweven. Die bindingen zijn de onzichtbare lijm van de materie en bepalen hoe stoffen eruitzien, functioneren en reageren.

` Hoe beïnvloedt de plaats van een element in het PSE zijn eigenschappen?

` Waarom vormen sommige atomen positieve ionen, en andere negatieve ionen?

` Wat is het verschil tussen de belangrijkste soorten chemische bindingen?

We zoeken het uit! ?

en eigenschappen van elementen

©VANIN

LEERDOELEN

Je kunt al:

M toelichten dat een atoom is opgebouwd uit elektronen, neutronen en protonen;

M toelichten dat een atoom evenveel elektronen als protonen bevat en dus elektrisch neutraal is;

M toelichten dat elk element een specifieke plaats heeft in het PSE;

M toelichten dat de groep waarin het element staat, de elektronenconfiguratie van de buitenste schil (dus het aantal valentie-elektronen) verraadt.

Je leert nu:

M wat ionen zijn en hoe ze worden gevormd;

M het verband leggen tussen de plaats van een element in het PSE en de eigenschappen van dat element.

1 Ionvorming

Niet vergeten: elk atoom is elektrisch neutraal (aantal negatief geladen elektronen = aantal positief geladen protonen).

De plaatsing van de elementen in het periodiek systeem van de elementen (PSE) bevat heel wat nuttige informatie voor de chemicus. Heb je die kennis onder de knie, dan start je met een flinke basis om later de verbindingen tussen atomen te verklaren. Atomen binden immers tot verbinding36en. Er bestaan zeer eenvoudige verbindingen, maar ook heel complexe.

Als je het PSE bestudeert, merk je dat elementen met hetzelfde aantal elektronen in de buitenste schil onder elkaar zijn geplaatst in groepen.

Atomen zijn het meest stabiel als hun buitenste schil volledig gevuld is met 8 elektronen (of 2, als er maar 1 schil is). Ze streven er dan ook naar om die buitenste schil volledig te maken, de zogenaamde edelgasconfiguratie.

De edelgasconfiguratie wordt daarom ook wel de octetstructuur genoemd, al zou voor helium ‘duetstructuur’ een beter gekozen term zijn.

De edelgasconfiguratie kan bekomen worden door extra elektronen aan te trekken of elektronen af te staan.

Door elektronen (negatief geladen deeltjes) op te nemen of af te staan, krijgt het atoom zelf een lading. Het atoom is niet langer elektrisch neutraal, want het aantal protonen is niet langer gelijk aan het aantal elektronen. We spreken nu niet langer over een atoom maar over een ion

Elektronen zitten aan de buitenkant van een atoom. Vandaar dat alleen elektronen kunnen worden afgegeven (en opgenomen) en geen protonen, die in de kern van een atoom zitten.

Een geladen atoom wordt een ion genoemd.

• Negatief geladen ionen bevatten meer elektronen dan protonen. De atomen hebben elektronen opgenomen.

• Positief geladen ionen bevatten meer protonen dan elektronen. De atomen hebben elektronen afgegeven.

Dit anion draagt als lading 2– S Afb. 20

Ladingsverhouding bij een negatief geladen ion

Dit kanion draagt als lading 2+ S Afb. 21

Ladingsverhouding bij een positief geladen ion

Een atoom zal altijd de makkelijkste weg kiezen om de edelgasconfiguratie te bekomen, zoals de voorbeelden van natrium en chloor aantonen.

VOORBEELD NATRIUM

Natrium heeft 1 elektron in de buitenste schil en kan een octetstructuur bereiken door:

• 1 elektron af te staan;

• 7 elektronen op te nemen.

Het natriumatoom kiest de gemakkelijkste weg: met 1 elektron minder wordt de voorlaatste schil nu de buitenste schil en bereikt het atoom de edelgasconfiguratie.

Atoom Ion aantal protonen 11 11 aantal elektronen 11 10 lading neutraal positief elektronenconfiguratie 2, 8, 1 2, 8

Met dat ene elektron (negatief geladen deeltje) minder wordt tegelijkertijd het positieve natriumion gevormd: Na+ Merk op dat het natriumion, dat we nu noteren als Na+, dezelfde elektronenconfiguratie krijgt als het edelgas neon.

Na+ 2 8 1

Ne 2 8

W Afb. 22 Natrium: van atoom tot ion

VOORBEELD CHLOOR

Chloor heeft 7 elektronen in de buitenste schil. Om een edelgasconfiguratie te bekomen, kan het:

• 1 elektron opnemen;

• 7 elektronen afstaan.

Ook chloor kiest voor de makkelijkste oplossing en zal 1 elektron (negatief geladen deeltje) opnemen.

Atoom Ion

aantal protonen 17 17 aantal elektronen 17 18 lading neutraal negatief elektronenconfiguratie 2, 8, 7 2, 8, 8

Chloor zal daarom het negatieve chloride-ion vormen, of kortweg Cl–.

Het chloride-ion, dat we nu noteren als Cl–, krijgt door de opname van een extra elektron de configuratie van het edelgas argon.

Cl– 2 8 7 8

Ar 2 8 8

Door te streven naar een volledige buitenste schil, zal een atoom elektronen afstaan of opnemen. Het atoom wordt zo een ion

Het atoom bereikt op die manier de configuratie van het dichtstbijzijnde edelgas in het periodiek systeem. Daarom spreek je van een edelgasconfiguratie.

Z = 17

= 18

Z = 17 N = 18

23

Chloor: van atoom tot ion

2 Elektronegativiteit

atoomnummer (Z) elektronegatieve waarde (EN)

symbool naam

gemiddelde relatieve atoommassa <Ar>

Metalen zijn dus geneigd om elektronen af te staan: ze zijn elektropositief, terwijl de niet-metalen, met uitzondering van de edelgassen, er heel graag extra elektronen zouden bij willen: ze zijn elektronegatief. De mate waarin een atoom er naar streeft om extra elektronen op te nemen noemen we de elektronegativiteit van een element. De elektronegativiteit of EN-waarde is een getal tussen 0,7 en 4, dat we ook bij elk element op het PSE terugvinden, in de rechterbovenhoek. Merk op dat de EN-waarde ontbreekt bij de edelgassen. Zij hebben de edelgasconfiguratie al bereikt en zijn niet geneigd extra elektronen aan te trekken of af te staan.

©VANIN

OPDRACHT 1

Vergelijk de EN-waarde van elk element in het PSE.

1 Hoe verandert de EN-waarde binnen 1 periode?

2 Hoe verandert de EN-waarde binnen 1 groep?

3 Waar staan dan de meest elektronegatieve elementen op het PSE?

4 Waar staan de minst elektronegatieve (of elektropositieve) elementen?

OPDRACHT 2

Vul de juiste gegevens aan en schrap wat niet past.

Welke ionen vormen de atomen om de edelgasconfiguratie te bereiken?

• Magnesium zal elektronen opnemen / afstaan en een ion vormen.

• Stikstof zal elektronen opnemen / afstaan en een ion vormen.

• Neon zal elektronen opnemen / afstaan en ion vormen.

• Lithium zal elektron opnemen / afstaan en een ion vormen.

TIP

Denk eraan dat je het aantal elektronen in de buitenste schil van elk atoom kunt afleiden uit de plaats in het periodiek systeem.

Op kun je het PSE terugvinden. TIP

Opgelet, er worden twee belangrijke afspraken gemaakt:

1 De overgangselementen laten we nog even links liggen, voorlopig onthouden we dat deze elementen uit de b-groepen bijna allemaal een 2+ ion gaan vormen.

2 De elementen uit kolom IVa (C: koolstof, Si: silicium, Ge: germanium, Sn: tin en Pb: lood) worden ook overgeslagen. Die elementen kunnen immers twee kanten uit om tot een edelgasconfiguratie te komen: 4 elektronen opnemen en dus een 4– ion vormen, of 4 elektronen afstaan en een ion met lading 4+ vormen. Vaak zullen zij 4+ ionen vormen.

Elementen die elektronen afstaan om tot de edelgasconfiguratie te komen, noem je elektropositief.

Doorgaans zijn dat metalen. Elementen die elektronen opnemen om tot de edelgasconfiguratie te komen, noem je elektronegatief. Doorgaans zijn dat niet-metalen. De mate waarin een atoom ernaar streeft om extra elektronen op te nemen, noem je de elektronegativiteit (EN) van een element.

Elementen uit groepVerschil in elektronen met atoom Ionlading

Ia geven 1 elektron af 1+

IIa geven 2 elektronen af 2+

IIIa geven 3 elektronen af 3+

Va nemen 3 elektronen op 3–

VIa nemen 2 elektronen op 2–

VIIa nemen 1 elektron op 1–

VIIIa geen Ze vormen geen ionen; ze hebben al de edelgasconfiguratie.

Dit overzicht vormt een zeer belangrijke basis om later chemische formules te schrijven.

` Maak oefening 1 t/m 4 op p. 44.

3 Stofeigenschappen van metalen en niet-metalen

OPDRACHT 3 DEMO

Je leerde al dat het PSE kan worden onderverdeeld in metalen en nietmetalen. De edelgassen horen op hun beurt bij de niet-metalen.

Als we over metalen spreken denk je vast aan ijzer, koper … Of misschien heb je een wat duurdere smaak en denk je aan zilver, goud …

Er bestaan natuurlijk nog veel meer metalen die je regelmatig tegenkomt in het dagelijks leven, denk maar aan aluminium en chroom in je fiets, en bij de auto van je ouders.

De indeling metalen en niet-metalen is vooral gebaseerd op hun stofeigenschappen. Je onderzoekt enkele van die stofeigenschappen.

Metalen onderscheiden zich van andere stoffen doordat ze de stroom goed geleiden. De elektrische geleidbaarheid geeft aan hoe makkelijk geladen deeltjes doorheen een stof kunnen bewegen.

Je leerkracht onderzoekt welke stoffen stroom geleiden.

1 Werkwijze

Verbind een testlamp met een stroombron. Sluit de stroomkring door de connectoren met de stof te verbinden.

→ Lampje brandt: stof geleidt stroom.

→ Lampje brandt niet: stof geleidt geen stroom.

2 Wat neem je waar? Zet een kruisje in de juiste kolom.

Stof Lampje brandtLampje brandt niet ijzer (Fe) lood (Pb) octazwavel (S8) distikstof (N2, de lucht aanwezig) koper (Cu) grafiet (C)

3 Wat kun je hieruit besluiten?

S Afb. 24 Koperen staafjes

S Afb. 25 Fietsen en auto’s bestaan onder andere uit aluminium en chroom.

lampje

stroombron

stof

Afb. 26

OPDRACHT 4 DEMO

Je leerkracht onderzoekt welke stoffen warmte geleiden door een metalen en een glazen staaf in de vlam van een bunsenbrander te houden.

1 Wat neem je waar?

2 Wat kun je hieruit besluiten?

metaal glas

OPDRACHT 5

Maak gebruik van de stofeigenschappen kookpunt en smeltpunt om metalen te onderscheiden van andere stoffen. Bekijk de tabel en beantwoord de vragen.

–39 357 dizuurstof

1 085 2 566distikstof

98 884diwaterstof

1 Markeer de stoffen die bij kamertemperatuur vast zijn met rood, vloeibaar met groen en gasvormig met geel.

2 Vergelijk de verschillende stoffen in de tabel aan de hand van hun smelt- en kookpunten. Wat valt er op bij de metalen?

3 Welke aggregatietoestand hebben ze bij kamertemperatuur?

OPDRACHT 6 ONDERZOEK

Hoe kun je metalen herkennen? Ga naar Labo 02 op .

Stofeigenschappen metalen

Stofeigenschappen niet-metalen geleiden de elektrische stroom geleiden de elektrische stroom niet (met uitzondering van grafiet) zacht broos plooibaar, rekbaar, pletbaar, smeedbaar niet plooibaar, niet rekbaar, niet pletbaar, niet smeedbaar goede warmtegeleiders slechte warmtegeleiders glanzend uitzicht meestal dof uitzicht vaste stoffen op kamer-temperatuur (met uitzondering van kwik, een vloeibaar metaal)

` Maak oefening 5, 6 en 7 op p. 44.

meestal vloeibaar of gasvormig, maar kunnen ook vast zijn

2 3 4 5 6 7

Vul de tabel aan.

Naam element Symbool Aantal elektronen opnemen/afgeven om edelgasconfiguratie te bekomen Ionlading

Een 2+ geladen ion bevat nog 24 elektronen. Om welk element gaat het?

Welke ionen vormen de atomen om de edelgasconfiguratie te bereiken?

Vul aan en schrap wat niet past.

• Zuurstof zal elektronen opnemen / afstaan en een ion vormen.

• Aluminium zal elektronen opnemen / afstaan en een ion vormen.

• Zwavel zal elektronen opnemen / afstaan en een ion vormen.

Vul aan.

• Metalen vormen altijd positieve ionen. Ze zijn .

• Niet-metalen vormen altijd negatieve ionen. Ze zijn .

Noem minstens 4 stofeigenschappen van metalen.

Welke zuivere stof is geen metaal maar geleidt toch de stroom?

Wat is het enige metaal dat vloeibaar is bij kamertemperatuur?

Meer oefenen? Ga naar .

Î Chemische bindingen

LEERDOELEN

Je kunt al:

M de vorming van ionen toelichten;

M het begrip ‘elektronegativiteit’ toelichten;

M de eigenschappen van metalen en niet-metalen toelichten.

Je leert nu:

M dat de aard van de deeltjes bepaalt welke verbinding gevormd zal worden;

M wanneer een ionbinding tot stand komt;

M wanneer een atoombinding tot stand komt;

M wanneer een metaalbinding tot stand komt.

©VANIN

Als je om je heen kijkt, zie je allerhande voorwerpen die uit bepaalde stoffen zijn gemaakt. Een balpen uit plastic, een kast uit hout, een schrift uit papier. Ook de lucht om je heen bevat allerhande deeltjes. Al die stoffen zijn opgebouwd uit een of meerdere atoomsoorten.

1 Wat is het verschil tussen een binding en een verbinding?

Je weet al dat een stof bestaat uit kleinere deeltjes (stofdeeltjes) die nog steeds de eigenschap van de stof bezitten. Zo bestaat de stof suiker bijvoorbeeld uit allemaal kleine suikerdeeltjes.

Bij edelgassen bestaan die stofdeeltjes uit vrije, losse atomen: het zijn mono-atomische, enkelvoudige stoffen (bv. Ne). De atomen van edelgassen hebben een volledig bezette buitenste schil, waardoor ze niet reageren met andere atomen.

Atomen van andere atoomsoorten zullen de stabiele edelgasconfiguratie proberen te bereiken door met elkaar te binden. Zo ontstaan nieuwe stoffen die bestaan uit meerdere atomen of ionen: het zijn verbindingen Het kunnen polyatomische (meeratomige) enkelvoudige stoffen (bv. Cl2) of samengestelde stoffen (bv. H2O) zijn.

De atomen of ionen in een verbinding worden samengehouden door aantrekkingskrachten, die je een (chemische) binding noemt.

OPDRACHT 7

Wat is het onderscheid tussen binding en verbinding?

Bekijk afbeelding 28 en beantwoord de vragen.

a Hoeveel bindingen zie je op de afbeelding?

b Hoeveel unieke verbindingen zie je op de afbeelding?

Een verbinding is een stof die bestaat uit meerdere atomen of ionen. De binding is de aantrekkende kracht die de atomen of ionen in een verbinding samenhoudt.

2 Welke soorten bindingen bestaan er?

2.1 Soorten bindingen

Atomen streven naar de edelgasconfiguratie. Om dat te bereiken moeten atomen (behalve de edelgassen) met elkaar binden ter vorming van een verbinding.

Naargelang de aard van de atoomsoort (metaal en/of niet-metaal) kunnen verschillende soorten bindingen en verbindingen worden gevormd:

• In een verbinding opgebouwd uit metalen en niet-metalen worden de gevormde ionen samengehouden door een ionbinding. Die stof noemen we een ionverbinding

• In een verbinding die bestaat uit een of meerdere soorten niet-metalen, worden de atomen samengehouden door een atoombinding. Een stof met enkel atoombindingen noemen we een atoomverbinding.

• Als de verbinding uitsluitend is opgebouwd uit 1 of meerdere soorten metalen, houdt een metaalbinding de gevormde metaalionen samen. Een stof met enkel metaalbindingen noemen we een metaalverbinding

S Afb. 28

OPDRACHT 8

Op welke manier zijn de deeltjes gebonden in een verbinding?

Welk soort binding zal gevormd worden bij een verbinding die is opgebouwd uit de volgende elementen?

Vul in de tabel eerst de symbolen van de elementen aan en duid daarna het soort binding aan.

Verbinding opgebouwd uit de volgende elementen

magnesium en zuurstof

natrium en chloor

stikstof en zuurstof

tin en lood (samen: soldeertin)

zink en zink

©VANIN

WEETJE

Bekijk de video over de ionbinding tussen een natriumion en chloride-ion.

Symbolen elementen

Zijn de samenstellende elementen metalen (M) of niet-metalen (nM)?

Soort binding

ionbinding - atoombinding - metaalbinding

ionbinding - atoombinding - metaalbinding

ionbinding - atoombinding - metaalbinding

ionbinding - atoombinding - metaalbinding

ionbinding - atoombinding - metaalbinding

2.2 De ionbinding

Wanneer een metaal met een niet-metaal een binding maakt, zal het metaal 1 of meerdere elektronen overdragen aan het niet-metaal. Zo ontstaan positieve en negatieve ionen. Metalen en niet-metalen werken dus samen om de edelgasconfiguratie te bereiken. Metalen kunnen het makkelijkst 1 of meerdere elektronen ‘missen’, de niet-metalen willen die er graag bij. Eens de ionen gevormd zijn, zorgen de elektrostatische aantrekkingskrachten tussen de tegengesteld geladen ionen voor een sterke ionbinding tussen de ionen.

Het aantal elektronen dat natrium afgeeft, komt exact overeen met het aantal elektronen dat chloor opneemt. Of anders geformuleerd: het aantal positieve ladingen is gelijk aan het aantal negatieve ladingen. Daardoor is de formule voor keukenzout NaCl.

W Afb. 29 Het aantal elektronen dat natrium afgeeft, komt exact overeen met het aantal elektronen dat chloor opneemt. Of anders geformuleerd: het aantal positieve ladingen is gelijk aan het aantal negatieve ladingen. Daardoor is de formule voor keukenzout NaCl.

OPDRACHT 9

index

Kaliumionen dragen een lading 1+ en de ionen van zwavel 2–. Er zijn 2 kaliumionen nodig om 1 ion van zwavel te ‘neutraliseren’. Daarom is de formule K2S.

Opmerking: We zouden ook kunnen redeneren dat er 4 kaliumionen nodig zijn om de lading van 2 ionen van zwavel te ‘neutraliseren’, maar bij het schrijven van de formule werken we altijd met de kleinst mogelijke verhouding.

Schrijf de formule van een aantal ionverbindingen.

Vul de tabel aan.

Elementen

Ca O

Zn S

Na Br

K O

Mg S

Al F

Al O

K2S ©VANIN

Ionen

Formule

We weten nu dat metalen en niet-metalen een ionbinding vormen. Maar in welke verhouding gebeurt dat en wat bepaalt die verhouding? Hoe stellen we de stof dan voor?

Als gevolg van de elektrostatische aantrekkingskracht tussen positieve en negatieve ionen, rangschikken ionen zich op een regelmatige manier. Die regelmatige rangschikking van positieve en negatieve ionen, samengehouden door ionbindingen, noemen we een ionrooster. Een zoutkristal is opgebouwd uit een ionrooster. Hoeveel positieve ionen en negatieve ionen aanwezig zijn in het ionrooster, hangt af van de grootte van het ionrooster, maar zelfs in een klein ionrooster zijn het er snel vele miljarden. De kleinste verhouding waarin de metaal- en niet-metaalionen voorkomen in het rooster, ligt echter vast. De regelmatige rangschikking van de ionen in het rooster zorgt ervoor dat het rooster gezien kan worden als een herhaling van een kleinere eenheid.

overdracht van een elektron

van een elektron

van een elektron

S Afb. 30

ion vast natriumchloride of keukenzout

Eén ionverbinding zoals keukenzout bestaat uit miljarden positieve en negatieve ionen in één keukenzoutkristal, gerangschikt in een ionrooster.

Als je het ionrooster van keukenzout of natriumchloride goed bekijkt, dan zie je dat het is opgebouwd uit steeds wederkerende eenheden die bestaan uit 1 natriumion en 1 ion van chloor.

De ionbinding houdt positieve metaalionen en negatieve nietmetaalionen bij elkaar. Ze is het gevolg van de elektrostatische aantrekking tussen tegengestelde ladingen.

Ionverbindingen zijn stoffen opgebouwd uit positieve en negatieve ionen die afwisselend gerangschikt zijn in een ionrooster.

De ionbinding is de kracht die de ionen samenhoudt.

` Maak oefening 1, 2 en 3 op p. 57-58.

De naam ‘covalente binding’ komt van het Latijnse ‘co’ en ‘valere’: samen van tel zijn, gelijkwaardig zijn. Het slaat dus op het feit dat de 2 gemeenschappelijke elektronen de atomen stevig aan elkaar binden. In sommige boeken of bronnen gebruikt men vooral de naam ‘covalente binding’, in andere hanteert men het synoniem ‘atoombinding’. Je zorgt er dus best voor dat je ze beide goed kent.

2.3 De atoombinding

Om te begrijpen hoe niet-metalen elkaar helpen om de edelgasconfiguratie te bereiken, kijken we even naar waterstofgas, dat opgebouwd is uit 2 waterstofatomen. Beide waterstofatomen hebben 1 elektron op de eerste (en tevens enige) schil en streven naar een volledig bezetting van de buitenste schil: 2 elektronen. Beide waterstofatomen willen echter een elektron opnemen en geen van beide atomen is bereid om elektronen over te dragen. De 2 waterstofatomen kunnen de edelgasconfiguratie bereiken door een gemeenschappelijk elektronenpaar te vormen. Deze 2 elektronen worden gedeeld en kunnen nu bij beide atomen gerekend worden, waardoor de buitenste schil van de beide waterstofatomen volledig is gevuld.

©VANIN

S Afb. 31

Vorming van een molecule H2: een atoombinding ontstaat door het gemeenschappelijk stellen van een elektronenpaar

Dit gemeenschappelijk elektronenpaar wordt de atoombinding of de covalente binding genoemd. Ze wordt voorgesteld door een streepje tussen beide atomen: het bindend elektronenpaar

Deeltjes van een stof opgebouwd uit niet-metalen die door atoombindingen aan elkaar gebonden zijn, vormen samen een apart deeltje: het zijn individuele moleculen.

Omdat er maar 1 atoombinding tussen 2 waterstofatomen zit, spreken we van een enkelvoudige atoombinding. De voorstelling van de manier waarop de atomen aan elkaar gebonden zijn, noemen we de structuurformule

Andere elementen, zoals zuurstof, streven naar een edelgasconfiguratie met 8 elektronen op de buitenste schil. De molecule zuurstofgas is opgebouwd uit 2 atomen O. Je zag al dat het element zuurstof 6 elektronen heeft op de buitenste schil, waarvan 2 ongepaarde elektronen. Je leerde al hoe de elektronen verdeeld worden over het symbool van het element: eerst individueel, vanaf het vijfde elektron als een paar. Om aan 8 elektronen te geraken op de buitenste schil, zal elk ongepaard elektron van een zuurstofatoom een bindend elektronenpaar vormen met een ongepaard elektron van het andere zuurstofatoom. Zo ontstaat in de structuurformule een dubbele atoombinding tussen beide atomen.

S Afb. 32 De vorming van een molecule zuurstofgas

WEETJE

OPDRACHT 10

Atomen van het element stikstof beschikken over 3 ongepaarde elektronen en 1 vrij elektronenpaar op hun buitenste schil. In een molecule opgebouwd uit 2 stikstofatomen zal elk ongepaard elektron van een stikstofatoom een bindend elektronenpaar vormen met een ongepaard elektron van het andere stikstofatoom. Zo ontstaat een drievoudige atoombinding in de structuurformule.

N N N N NN

S Afb. 33

De vorming van een molecule stikstofgas

Koolstofdioxide (CO2), een belangrijk broeikasgas in de atmosfeer, bestaat uit 2 soorten niet-metalen: 2 zuurstofatomen en 1 koolstofatoom. De zuurstofatomen hebben elk 6 elektronen op de buitenste schil, waarvan 2 ongepaard. Het koolstofatoom heeft 4 ongepaarde elektronen in de buitenste schil. Door het vormen van gemeenschappelijke bindende elektronenparen kan elk atoom ook de edelgasconfiguratie bereiken. In deze molecule heeft elk zuurstofatoom nog 2 vrije elektronenparen

S Afb. 34

De vorming van een molecule CO2

Merk op dat we gaandeweg een elektronenpaar voorstellen door een streepje in plaats van 2 bolletjes naast elkaar te tekenen.

Teken de structuurformule van de moleculen.

Vul in de tabel aan hoeveel atoombindingen je in elk van de moleculen aantreft.

Wil je de notatie met de lewisstructuur opfrissen? Ga dan naar het extra materiaal op

stof waterstofsulfide (H2S)chloorgas (Cl2) water (H2O) structuurformule

aantal atoombindingen

stof methaangas (CH4)ammoniak (NH3)waterstofchloride (HCl) structuurformule

aantal atoombindingen

De moleculen van een vaste stof, zoals bevroren water, kunnen zich ook ordenen in een rooster. Een dergelijk rooster noemen we een molecuulrooster

Bij atoomverbindingen kunnen ook zogenaamde atoomroosters voorkomen, zoals bij koolstof. Doordat koolstof over 4 ongepaarde valentie-elektronen beschikt, kunnen miljarden koolstofatomen zich met elkaar verbinden tot twee- of driedimensionale netwerken (op elk ‘knooppunt’ van het netwerk bevindt zich dan een koolstofatoom).

Koolstof komt in de natuur als vaste, enkelvoudige stof in 2 verschijningsvormen voor: grafiet en diamant. Grafiet bestaat uit een opeenstapeling van tweedimensionale netwerken, waarin elk koolstofatoom gebonden is aan 3 andere. Diamant bestaat uit een driedimensionaal netwerk waarin elk koolstofatoom gebonden is aan 4 andere.

S Afb. 36 Het molecuulrooster van grafiet

S Afb. 37 Koolstof in verschijningsvorm diamant

S Afb. 35 Het molecuulrooster van ijs

3D-beeld diamant

Een stof enkel opgebouwd uit niet-metalen noemen we een atoomverbinding. De bindingen die de niet-metalen aan elkaar binden, worden atoombindingen of covalente bindingen genoemd. Een atoombinding ontstaat door de vorming van een gemeenschappelijk elektronenpaar. Tussen 2 atomen kunnen enkelvoudige, dubbele of drievoudige atoombindingen voorkomen. De structuurformule geeft aan op welke manier de atomen in een molecule aan elkaar gebonden zijn.

Bij vaste stoffen die uit moleculen zijn opgebouwd, zijn de moleculen op een regelmatige manier gerangschikt in een molecuulrooster Sommige elementen, zoals koolstof, vormen enkelvoudige stoffen en kunnen atoomroosters vormen. In een atoomrooster zijn een groot aantal atomen met atoombindingen verbonden tot twee- of driedimensionale netwerken.

` Maak oefening 4 op p. 58.

2.4 De metaalbinding

Metaalatomen hebben maar een beperkt aantal elektronen op hun buitenste schil. Metalen proberen de edelgasconfiguratie te bereiken door de elektronen van hun buitenste schil af te staan. Daarom zijn metalen elektropositief. Maar hoe kunnen meerdere metaalatomen met elkaar binden, als alle atomen hun elektronen willen afstaan?

Bij kamertemperatuur hebben bijna alle metalen de vaste aggregatietoestand. In de vaste aggregatietoestand zijn metaalatomen op een regelmatige manier gerangschikt in een metaalrooster en ze geven daarbij de elektronen van hun buitenste schil af. Het metaalrooster is dus opgebouwd uit positieve metaalionen met daartussen een zee van elektronen. Die elektronen kunnen zich vrij tussen de positieve metaalionen bewegen en vormen als het ware een lijm die alles in het metaalrooster stevig bij elkaar houdt. Er zijn sterke elektrostatische krachten tussen de negatieve en positieve ladingen in het metaalrooster, de coulombkrachten, die het geheel bij elkaar houden: de metaalbinding. Die metaalbinding is een zeer sterke binding.

©VANIN

positieve metaalionen vrij bewegende elektronen die tot geen enkel metaalion behoren

W Afb. 38 Een metaalrooster is opgebouwd uit positieve metaalionen en een zee van vrij bewegende elektronen.

Vaste metalen als zuivere stof zijn opgebouwd uit miljarden ionen van eenzelfde atoomsoort. De formule van een dergelijke stof stellen we voor door het symbool van de atoomsoort.

WEETJE

Het Atomium is een van de gekendste monumenten in Brussel. Het werd in 1958 gebouwd in het kader van de Wereldtentoonstelling in Brussel (Expo 58). De metalen constructie bestaat uit 9 bollen en stelt de herhalende eenheid van het metaalrooster van ijzer voor (weliswaar 165 miljard keer vergroot). De bollen zijn van aluminium gemaakt omdat aluminium beter bestand is tegen verwering (corrosie) dan staal. Hoewel het de bedoeling was om de constructie na 6 maanden af te breken, besloot men ze te laten staan omwille van haar populariteit.

Veel specifieke eigenschappen van metalen kunnen nu verklaard worden op basis van hun bouw.

• Metalen zijn goede geleiders van elektriciteit. Elektriciteit is namelijk de beweging van geladen deeltjes, en in een metaalrooster kunnen elektronen vrij bewegen.

WEETJE

Alle metalen zijn goede geleiders van elektriciteit, maar in elektrische leidingen gebruikt men vrijwel uitsluitend het metaal koper. Dat heeft vooral te maken met een combinatie van gunstige eigenschappen. Niet alleen geleidt koper de elektriciteit zeer goed, het kent ook een lage warmtevervorming en is vrij goed bestand tegen ongunstige omgevingsinvloeden (vocht, industriële vervuiling …). Bovendien is koper hard en tegelijkertijd plooibaar. Een gebroken of doorgesneden draad kan ook gemakkelijk hersteld worden door de uiteinden aan elkaar te solderen of smelten.

©VANIN

Nu weet je waarom een smid dikke handschoenen draagt! Bekijk de video over warmtegeleiding bij metalen.

• Metalen zijn goede geleiders van warmte. Wanneer een stof opwarmt, beginnen deeltjes (atomen, ionen of moleculen) harder te trillen. Door botsingen wordt de warmte-energie doorgegeven aan naburige atomen of ionen. Doordat in een metaalrooster de metaalionen zeer dicht opeen zitten, verspreidt de warmte zich snel. Maar doordat de elektronen – die ook warmte-energie kunnen opnemen – vrij kunnen bewegen tussen de metaalionen, gebeurt de warmtegeleiding sneller dan bij de meeste andere stoffen.

• De hoge massadichtheid (massa per volume-eenheid) van metalen is een gevolg van de zeer dichte, compacte stapeling van de metaalionen in het rooster.

• De meeste metalen hebben een hoog smeltpunt en kookpunt, omdat de metaalbinding een sterke binding is. Het kost dus veel energie om de metaalbindingen in een rooster te verbreken.

• Metalen zijn gemakkelijk vervormbaar omdat ze allemaal zijn opgebouwd uit positieve ionen. De positieve ionen kunnen ten opzichte van elkaar verschuiven en elkaars plaats innemen zonder dat ze elkaar afstoten, wat ervoor zou zorgen dat het rooster breekt of splijt

S Afb. 39

Metaalbindingen: metalen zijn gemakkelijk vervormbaar omdat de ionen elkaars plaats kunnen innemen.

Doordat alle metalen opgebouwd zijn uit positieve metaalionen, kunnen de metaalionen van de ene atoomsoort zich schikken in een metaalrooster van een andere atoomsoort. Zo ontstaat er een legering, een homogeen mengsel van verschillende metalen. Brons is bijvoorbeeld een legering van tin en koper. Als de atomen van de atoomsoorten niet even groot zijn, zijn de ionen minder regelmatig geordend. Daardoor is het moeilijker om lagen metaalionen te verschuiven, waardoor de legering sterker is dan de zuivere metalen (zie afbeelding 40). Legeringen worden dus gemaakt om bepaalde minder goede eigenschappen te verbeteren.

©VANIN

S Afb. 40 Een legering is een mengsel van 2 metalen. Als de ionen van de 2 atoomsoorten niet even groot zijn, is de rangschikking van de ionen minder regelmatig. Zo kunnen lagen van ionen minder goed schuiven ten opzichte van elkaar.

Metalen in vaste aggregatietoestand bestaan uit een metaalrooster In een metaalrooster bevinden zich positieve metaalionen en een zee van vrij bewegende elektronen, afkomstig van de buitenste schil van de metaalatomen. De aantrekkingskrachten tussen de positieve ionen en de vrij bewegende elektronen vormen de metaalbinding. De metaalbinding is een sterke binding. De formule van een metaal als zuivere stof bestaat uit het symbool van het metaal.

Heel wat eigenschappen van metalen, zoals geleidbaarheid van elektriciteit en warmte, massadichtheid, hoog smelt- en kookpunt, vervormbaarheid en de vorming van legeringen, kunnen verklaard worden op basis van de bouw van metalen.

Welk soort binding zal gevormd worden bij een verbinding die is opgebouwd uit de volgende elementen? Vul in de tabel eerst de symbolen van de elementen aan en duid daarna het soort binding aan.

Verbinding opgebouwd uit de volgende elementen

Symbolen elementen

Zijn de samenstellende elementen metalen (M) of niet-metalen (nM)?

Soort binding

aluminium en fluor ionbinding - atoombinding - metaalbinding

calcium en jood ionbinding - atoombinding - metaalbinding

jood en jood ionbinding - atoombinding - metaalbinding

kalium en broom ionbinding - atoombinding - metaalbinding

koolstof en koolstof ionbinding - atoombinding - metaalbinding

koolstof en waterstof ionbinding - atoombinding - metaalbinding

koolstof en zuurstof ionbinding - atoombinding - metaalbinding

koper en tin (samen: brons)

koper en zink (samen: messing)

ionbinding - atoombinding - metaalbinding

ionbinding - atoombinding - metaalbinding

Welk soort binding zal gevormd worden tussen een verbinding die is opgebouwd uit de elementen in de tabel? Omcirkel het juiste antwoord.

Symbolen van de opbouwende elementen in de verbinding

Mg S

P H

H Cl

Al F

Cu Zn

Ca S

K Cl

N H

Cu Sn

H F

Zn Al

Au Ag

Soort binding

ionbinding - atoombinding - metaalbinding

ionbinding - atoombinding - metaalbinding

ionbinding - atoombinding - metaalbinding

ionbinding - atoombinding - metaalbinding

ionbinding - atoombinding - metaalbinding

ionbinding - atoombinding - metaalbinding

ionbinding - atoombinding - metaalbinding

ionbinding - atoombinding - metaalbinding

ionbinding - atoombinding - metaalbinding

ionbinding - atoombinding - metaalbinding

ionbinding - atoombinding - metaalbinding

ionbinding - atoombinding - metaalbinding

4

Schrijf de formule van de ionverbindingen.

Elementen

Al S

Mg l

Ba O

Li Br

K S

Ca Br

Na F

Li I

Mg Cl

Na O

Vul de tabel aan met de structuurformule en geef aan hoeveel atoombindingen er in elke verbinding of molecule zitten.

stof waterstofsulfide (H2S)chloorgas (Cl2) waterstofchloride (HCl)

structuurformule

aantal atoombindingen

stof waterstoffluoride (HF)zuurstofdifluoride (OF2)methanal (H2CO)

structuurformule

aantal atoombindingen

Meer oefenen? Ga naar .

ion

= geladen atoom elektropositief

elektronegatief

elektronegativiteit (EN)

lading

stofeigenschappen metalen en niet-metalen

IONVORMING EN EIGENSCHAPPEN VAN ELEMENTEN

• Atomen streven naar een stabiele edelgasconfiguratie.

• Metalen geven elektronen af ter vorming van positieve ionen: ⇒ metalen zijn elektropositief.

• Niet-metalen nemen elektronen op ter vorming van negatieve ionen: ⇒ niet-metalen zijn elektronegatief.

• De mate waarin een atoom ernaar streeft om extra elektronen op te nemen, noemen we de elektronegativiteit (EN) van een element.

• De groep waartoe een element behoort bepaalt welke lading het ion draagt:

©VANIN

Soort

Stofeigenschappen metalenStofeigenschappen niet-metalen geleiden de elektrische stroomgeleiden de elektrische stroom niet (met uitzondering van grafiet) zacht broos plooibaar, rekbaar, pletbaar, smeedbaar

niet plooibaar, niet rekbaar, niet pletbaar, niet smeedbaar goede warmtegeleiders slechte warmtegeleiders glanzend uitzicht meestal dof uitzicht vaste stoffen op kamertemperatuur (met uitzondering van kwik, een vloeibaar metaal)

meestal vloeibaar of gasvormig, maar kunnen ook vast zijn

Soort binding metaalbinding ionbinding atoombinding of covalente binding

Soort verbinding metaalverbinding ionverbinding atoomverbinding

Bouw van de stof

metaalrooster met positieve ionen en vrije elektronen

ionrooster met positieve en negatieve ionen

moleculen met atomen verbonden door gemeenschappelijk elektronenpaar

SOORTEN BINDINGEN

JANOG OEFENEN

1 Begripskennis

• Ik kan toelichten hoe en waarom een atoom een ion vormt.

• Ik kan toelichten hoe een ion aan zijn lading komt.

• Ik kan toelichten waarom metalen positieve ionen en niet-metalen negatieve ionen vormen.

• Ik kan een verband leggen tussen de plaats van een element in het PSE en de eigenschappen (EN-waarde) ervan.

• Ik kan beschrijven wat het verschil is tussen een binding en een verbinding.

• Ik kan bepalen in welke gevallen er een ionbinding, atoombinding of metaalbinding wordt gevormd.

• Ik kan aangeven dat een atoombinding bestaat uit een gemeenschappelijk elektronenpaar.

• Ik kan een onderscheid maken tussen een enkelvoudige, dubbele of drievoudige binding.

• Ik kan beschrijven wat een ionbinding, atoombinding en metaalbinding zijn.

• Ik kan de bouw van een ionverbinding, atoomverbinding en metaalverbinding met elkaar vergelijken

• Ik ken het onderscheid tussen een ionrooster, molecuulrooster en metaalrooster.

2 Onderzoeksvaardigheden

• Ik kan het PSE gebruiken om eigenschappen van atomen en ionen af te leiden

• Ik kan metalen herkennen aan de specifieke eigenschappen.

• Ik kan bepalen of een stof een ionverbinding, atoomverbinding of metaalverbinding is.

• Ik kan de formule in een ionrooster aanduiden.

` Je kunt deze checklist ook op invullen.

MODULE 03 SAMENGESTELDE STOFFEN

In de straten van Londen werd door het ESEF (European Science and Environment Forum) een enquête uitgevoerd. Aan toevallige voorbijgangers werd de volgende stelling voorgelegd:

‘De industrie maakt vaak gebruik van diwaterstofmonoxide. Die chemische stof is het hoofdbestanddeel van zure regen, draagt bij tot erosie en verlaagt het remvermogen van een auto. De stof beïnvloedt ook de gezondheid van de mens: in gastoestand kan ze ernstige brandwonden veroorzaken, in de longen kan ze leiden tot de dood, en ze wordt ook teruggevonden in kankercellen. Vind jij dat dat product aan een strikte reglementering zou moeten worden onderworpen of misschien zelfs verboden zou moeten worden door de Europese Unie?’

Wat denk je dat de meeste mensen hebben geantwoord? Ontdek het via het extra materiaal op

` Zit er een logica in de naamgeving van stoffen?

` Kan een chemicus over de taalgrenzen heen duidelijk maken over welke stof die het heeft?

` Hoe kun je specifieke stofklassen van (an)organische stoffen herkennen?

` Hoe vorm je de systematische naam en chemische formule van die stoffen?

` Wat zijn enkele eigenschappen en toepassingen van een aantal van die stoffen?

We zoeken het uit!

Verdere indeling van de materie

LEERDOELEN

Je kunt al:

M zuivere stoffen en mengsels van elkaar onderscheiden;

M zuivere stoffen verder indelen in enkelvoudige en samengestelde stoffen;

M ionvorming van metalen en niet-metalen noteren;

M een atoombinding, ionbinding en metaalbinding definiëren en van elkaar onderscheiden.

Je leert nu:

M de samengestelde stoffen verder indelen in anorganische en organische samengestelde stoffen;

M het begrip ‘oxidatiegetal’ toelichten en het oxidatiegetal bepalen;

M formules opstellen aan de hand van het oxidatiegetal;

M de anorganische stoffen indelen in hun stofklasse.

1 Organische en anorganische stoffen

©VANIN

Vorig schooljaar lag de focus op de enkelvoudige stoffen. We zijn gestart met het onderzoeken van de materie. We hebben de materie ingedeeld in mengsels en zuivere stoffen. De zuivere stoffen konden nog verder ingedeeld worden in samengestelde stoffen en enkelvoudige stoffen.

Dit jaar gaan we dieper in op de samengestelde stoffen.

Alle stoffen die afkomstig zijn van de levende natuur worden ingedeeld bij de organische stoffen. Vetten, eiwitten, suiker … behoren allemaal tot de organische stoffen. Maar ook alle aardolieproducten behoren tot de organische stoffen. Ze ontstaan uit afgestorven organismen die onder hoge druk en een hoge temperatuur in fossiele brandstoffen omgezet worden, zoals steenkool, aardolie of aardgas.

Voorbeelden van organische stoffen zijn eiwitten in vlees en aardgas.

Afb. 41 Eiwitten in vlees zijn organische stoffen

Afb. 42 Aardgas is een organische stof

Vroeger ging men ervan uit dat organische stoffen niet in een laboratorium konden worden gemaakt. In 1828 werd dat idee ontkracht: toen werd ureum, een stof aanwezig in urine, gemaakt vertrekkende van alleen maar anorganische stoffen. En er zijn zelfs een heleboel stoffen die, omwille van hun chemische structuur, tot de organische stoffen behoren, maar zelfs niet door levende organismen worden gemaakt. Dat zijn de kunststoffen

©VANIN

Een andere, betere naam voor organische stoffen is koolstofverbindingen, want dat hebben al die stoffen gemeenschappelijk: ze bevatten allemaal het element koolstof. Maar de indeling ‘organische en anorganische stoffen’ is zodanig ingeburgerd dat die nog steeds wordt gebruikt.

Een andere naam voor anorganische stoffen is minerale verbindingen. Die stoffen zijn afkomstig van de levenloze natuur. Denk maar aan bijvoorbeeld mineralen en gesteenten.

De onderstaande tabel geeft de eigenschappen van de anorganische en de organische stoffen weer:

Anorganische stoffen (minerale verbindingen)

Organische stoffen (koolstofverbindingen) afkomstig van de levenloze natuurafkomstig van de levende of afgestorven natuur uitgebreide keuze uit atoomsoorten: 92 elementen van het PSE

beperkte keuze uit atoomsoorten: steeds C, vaak H, maar vaak ook N, O, S of X (halogenen)

beperkt aantal atomen per verbinding aantal atomen per molecule kan gaan van heel weinig (5) tot enorm veel (>100 000)

totale verzameling verbindingen is beperkt totale verzameling verbindingen is zeer uitgebreid atoombindingen, ionbindingen, metaalbindingen voornamelijk atoombindingen

OPDRACHT 1

Duid alle anorganische stoffen aan.

Tabel 1 Eigenschappen van anorganische en organische stoffen

ORGANISCH

ORGANISCH

ANORGANISCH

DNAsuiker keukenzoutzilver

methaanethanol diamantkoolstofdioxide

ANORGANISCH

DNAsuiker keukenzoutzilver

methaanethanol diamantkoolstofdioxide

Afb. 43 Organische en anorganische stoffen

WEETJE

Je vindt het misschien raar dat de groep van organische verbindingen veel uitgebreider is dan die van de anorganische verbindingen. Voor de organische verbindingen kun je maar gebruikmaken van een zeer beperkt aantal elementen, terwijl je voor de anorganische verbindingen gebruik kunt maken van ongeveer alle elementen uit het PSE. Je kunt dit gemakkelijk inzien door gebruik te maken van legoblokjes. Om de organische verbindingen te vormen, kun je kiezen uit ongeveer 10 kleuren. Om de anorganische verbindingen te maken, mag je gebruikmaken van 92 verschillende kleuren legoblokjes. Hoe komt het dan dat je veel meer verschillende bouwwerken kunt maken met slechts zo’n beperkt aantal kleuren van blokjes? Je kunt misschien maar kiezen uit 10 kleuren, maar je kunt wel heel veel blokjes in eenzelfde bouwwerk (molecule) steken. Voor de anorganische verbindingen, mag een bouwwerk slechts uit een zeer beperkt aantal blokjes bestaan. Daarom is de groep van de anorganische verbindingen minder uitgebreid.

De indeling in organische en anorganische stoffen is niet altijd even gemakkelijk. Zo zul je bijvoorbeeld CO2 waarschijnlijk bij de organische verbindingen indelen. Het is immers afkomstig van de levende natuur – we ademen het uit – en de formule bevat ook het element koolstof. Toch zul je ontdekken dat de stof tot de anorganische stoffen behoort. Naast CO2 zijn er nog moleculen die, ook al bevatten ze het element koolstof, toch niet tot de organische verbindingen behoren. We gaan later verder in op die uitzonderingen.

©VANIN

Het is niet omdat organische stoffen afkomstig zijn van levende organismen, dat er in een levend organisme geen anorganische stoffen aanwezig zijn. Zoals je kunt zien op afbeelding 44, bestaat het menselijk lichaam zelfs voor het grootste deel uit anorganische stoffen: water is namelijk een anorganische stof.

Anorganische stoffen (minerale verbindingen) Organische stoffen (koolstofverbindingen) afkomstig van de levenloze natuur afkomstig van de levende of afgestorven natuur uitgebreide keuze uit atoomsoorten: 92 elementen van het PSE beperkte keuze uit atoomsoorten: steeds C, vaak H, maar vaak ook N, O, S of X (halogenen) beperkt aantal atomen per verbinding aantal atomen per molecule kan gaan van heel weinig (5) tot enorm veel (>100 000) totale verzameling verbindingen is beperkt totale verzameling verbindingen is zeer uitgebreid atoombindingen, ionbindingen, metaalbindingenvoornamelijk atoombindingen

` Maak oefening 1 t/m 4 op p. 72-73.

2 Het oxidatiegetal

Op vind je meer info over chemische bindingen in het vademecum.

Om voor samengestelde stoffen gemakkelijk de formule te vormen, is het handig om met het begrip oxidatiegetal (OG) te werken. Het oxidatiegetal is het aantal elektronen dat een atoom zou opnemen of afstaan bij overgang naar de ionaire vorm.

Voor de ionbinding komt het oxidatiegetal overeen met de lading van het ion Voor de elementen in een atoombinding komt dat overeen met de lading die het element zou krijgen, wanneer we zouden doen alsof het een ionbinding zou zijn. Het niet-metaal met de hoogste elektronegatieve waarde (het sterkste niet-metaalkarakter), zal een negatief oxidatiegetal krijgen en het andere niet-metaal een positief oxidatiegetal.

Het oxidatiegetal wordt genoteerd door een Romeins cijfer voorafgegaan door de juiste lading: een + wanneer het element elektronen wil afstaan een – wanneer het element elektronen wil opnemen

Bij de atomen van een enkelvoudige stof is het OG van elk element = 0.

Bv. Fe: OG = 0

O2: OG = 0

Bij monoatomische ionen is het OG van het ion = de relatieve ionlading.

Bv. Na+: OG = +I

Ca2+: OG = +II

OPDRACHT 2

Vul de ontbrekende woorden in.

Een oxidatiegetal van +II betekent dat het element 2 wil bij de overgang naar de ionaire vorm.

Zo is het oxidatiegetal van beryllium in een samengestelde stof +II.

Een oxidatiegetal van -II betekent dat het element 2 wil bij overgang naar de ionaire vorm.

Zo is het oxidatiegetal van zuurstof in een samengestelde stof (meestal) -II.

Verschillende elementen hebben slechts één mogelijk oxidatiegetal verschillend van nul.

Alle elementen uit groep Ia hebben in een samengestelde stof een oxidatiegetal van +I. Al deze elementen hebben immers 1 elektron op de buitenste schil. Met andere woorden, ze willen dat elektron afstaan om de edelgasconfiguratie te bekomen.

Bij het extra materiaal op vind je een uitgebreide tabel met oxidatiegetallen.

Analoog hebben alle elementen uit groep IIa in een samengestelde stof een oxidatiegetal van +II. Bij de niet-metalen heeft fluor in een samengestelde stof 1 mogelijk oxidatiegetal, namelijk -I. Fluor wil 1 elektron opnemen om de edelgasconfiguratie te bereiken. Zuurstof heeft meestal een oxidatiegetal van -II, want het wil 2 elektronen opnemen om de edelgasconfiguratie te bereiken. Edelgassen bezitten logischerwijze een oxidatiegetal van nul: ze willen geen elektronen opnemen of afgeven omdat ze de edelgasconfiguratie al bezitten.

Je mag bij oefeningen gebruikmaken van een tabel met oxidatiegetallen (tabel 2). Je vindt die tabel ook op de achterkant van je PSE.

Symbool element Mogelijke oxidatiegetallen

Symbool element Mogelijke oxidatiegetallen

©VANIN

Voor de a-groepen IVa tot en met VIIa is het hoogst mogelijke oxidatiegetal gelijk aan het groepsnummer. Het laagst mogelijke oxidatiegetal is gelijk aan het groepsnummer -8.

OPDRACHT 3

Vul aan.

Chloor behoort tot de groep .

Het hoogst mogelijke oxidatiegetal is gelijk aan + groepsnummer, dus

Dat betekent dat chloor dan elektron(en) wil

Op die manier bekomt chloor de edelgasconfiguratie van .

Het laagst mogelijke oxidatiegetal is gelijk aan het groepsnummer – 8, dus .

Dat betekent dat chloor dan elektron(en) wil

Op die manier bekomt chloor de edelgasconfiguratie van

Tabel 2 Oxidatiegetallen

OPDRACHT 4

2.1 Het oxidatiegetal gebruiken om een formule te vormen

Bij het zelf vormen van een formule moet je er altijd rekening mee houden dat de som van de oxidatiegetallen nul is. Dat is de neutraliteitsregel. Het aantal elektronen dat wordt afgestaan, moet gelijk zijn aan het aantal elektronen dat wordt opgenomen. Dat kun je doen door het kleinste gemene veelvoud te nemen van het aantal uitgewisselde elektronen. Een andere, zeer handige manier is door het toepassen van de kruisregel: het oxidatiegetal van het ene element noteer je (zonder ladingsteken) als index bij het andere element en omgekeerd. Nadien controleer je of je beide indexen nog kunt vereenvoudigen.

Vorm de formule met behulp van het oxidatiegetal.

1 Bekijk in het voorbeeld hoe je de formule tussen chloor (met OG = +III) en zuurstof vormt.

Cl: +III = 3 elektronen afstaan

O: -II = 2 elektronen opnemen

Het kleinste gemene veelvoud van 3 en 2 is 6.

Cl moet je 2 keer nemen

O moet je 3 keer nemen Cl2O3

Of via de kruisregel:

Cl O +III -II en Cl2 O3

De formule is dus Cl2O3.

+III -II

2 Vorm de formule tussen chroom (met OG = +VI) en zwavel (met OG = -II).

Cr: OG = +VI =

S: OG = -II =

Het kleinste gemene veelvoud van en is:

Of via de kruisregel:

Dat kun je vereenvoudigen tot:

2.2 Het oxidatiegetal uit een formule berekenen

Wanneer je een chemische formule krijgt, dan kun je altijd het oxidatiegetal van een element met meerdere mogelijke oxidatiegetallen bepalen, uitgaande van de gekende oxidatiegetallen. De som van de oxidatiegetallen is namelijk nul of voor een ion gelijk aan de lading van het ion.

©VANIN

OPDRACHT 5

Bepaal het oxidatiegetal.

1 Bekijk eerst in het voorbeeld hoe je het oxidatiegetal van zwavel in SO3 bepaalt.

OG(S) + 3 ∙ OG(O) = 0

x + 3 ∙ (-II) = 0

x = +VI

2 Bepaal nu zelf het oxidatiegetal van stikstof in HNO2.

Het oxidatiegetal (OG) is het aantal elektronen dat een atoom opneemt of afstaat bij overgang naar de ionaire vorm.

Een positief oxidatiegetal geeft aan dat er elektronen zijn afgestaan. Een negatief oxidatiegetal geeft aan dat er elektronen zijn opgenomen.

De som van de oxidatiegetallen in een molecule is altijd nul.

` Maak oefening 5 en 6 op p. 73.

3 Indeling en naamgeving van de anorganische stoffen

Je weet nu dat we stoffen kunnen indelen in anorganische stoffen (minerale verbindingen) en organische stoffen (koolstofverbindingen). Je zult in eerste instantie leren hoe de moleculevorming en naamvorming gebeurt bij de anorganische samengestelde stoffen, om daarna de organische stoffen te bekijken.

©VANIN

OPDRACHT 6

ONDERZOEK

Onderzoek nu zelf hoe je anorganische stoffen kunt indelen op basis van analoge chemische eigenschappen. Ga naar Labo 03 op . Verbindingen vertonen analoge chemische eigenschappen door de aanwezigheid van eenzelfde atoom of atoomgroep: de chemische functie of functionele groep. Dat laat toe de verbindingen te ordenen in chemische verbindingsklassen of stofklassen. De anorganische samengestelde stoffen worden onderverdeeld in 4 stofklassen: de oxiden, de hydroxiden, de zuren en de zouten. In de volgende tabel vind je de basisstructuur van elke stofklasse.

Stofklasse Oxiden HydroxidenZurenZouten functionele groep O OH H geen functionele groep algemene formule MO of nMO MOH HZ MZ uitgang naam-oxide -hydroxide -ide -aat -ide -aat

M = metaal, nM = niet-metaal, O = zuurstof, H = waterstof, Z = zuurrest (zie verder bij de zuren) = nM of nMO

Tabel 3 Overzicht opbouw anorganische stofklassen

Opmerkingen:

Stoffen waarvan de formule bestaat uit slechts 2 elementen noemen we binaire stoffen. Stoffen die bestaan uit 3 elementen noemen we ternaire verbindingen. Zouten die het ammoniumion NH4+ bevatten worden zeer specifiek ook ammoniumzouten genoemd.

3.1 Van formule naar stofklasse

Indien je een formule van een samengestelde stof krijgt, dan kun je op basis van de algemene formule de stof in de juiste stofklasse indelen. Het volgende schema kan je helpen om dat efficiënt aan te pakken:

Bestaat de formule uit 2 elementen en eindigt het op 'O'?

Het is een oxide

Begint de formule met een metaal of NH4+ en eindigt het op 'OH'?

Het is een hydroxide

Begint de formule met 'H'?

Het is een zuur

Eindigt de formule op 'O'?

Het is een zout

Eindigt de formule op 'O'?

Het is een binair zuur

Schema 1 Indeling van anorganische stoffen op basis van een gegeven formule

Het is een ternair zuur

Het is een binair zout

Het is een ternair zout

OPDRACHT 7

Gebruik schema 1 om de volgende formules in de juiste stofklasse in te delen.

Formule

Cl2O3

AlCl3

Mg(OH)2

Stofklasse Algemene formule

3.2 Van naam naar stofklasse

Je hebt al het schema gezien waarmee je op basis van een gegeven formule de stof kunt indelen in de juiste stofklasse. Het volgende schema helpt je om op basis van een gegeven naam de stof in te delen in de juiste stofklasse:

Eindigt de naam op 'hydroxide'?

Het is een hydroxide

Eindigt de naam op 'oxide'?

Het is een oxide

Eindigt de naam op -ide of is het zoutzuur?

Het is een binair zuur

Eindigt de naam op 'zuur' of begint de naam met 'waterstof'?

Het is een zuur

Eindigt de naam NIET op -ide of is het GEEN zoutzuur?

Het is een ternair zuur

Schema 2 Indeling van anorganische stoffen op basis van een naam

Het is een zout

Het is een binair zout Eindigt de naam op -ide?

Het is een ternair zout Eindigt de naam NIET op -ide?

OPDRACHT 8

Gebruik schema 2 om de volgende stoffen in de juiste stofklasse in te delen.

a dichloorheptaoxide

b ammoniumhydroxide

c zwavelzuur

d koper(II )oxide

e natriumoxide

f calciumnitraat

g ammoniumchloride

h waterstofsulfide

i waterstofnitraat

j koolstofdioxide

De functionele groep is een atoomgroep die bepaalt dat verbindingen analoge chemische eigenschappen vertonen. Op basis van die functionele groep kunnen we anorganische samengestelde stoffen onderverdelen in 4 stofklassen: oxiden: MO of nMO hydroxiden:

` Maak oefening 7 en 8 op p. 73.

Horen de volgende uitspraken alleen bij anorganische stoffen (A), alleen bij organische stoffen (O) of bij zowel de anorganische als de organische stoffen (A + O)?

a kan het element Ca bevatten

b aardolie behoort tot deze groep stoffen

c maakt gebruik van zeer veel verschillende atoomsoorten

d de totale verzameling van moleculen is zeer uitgebreid

Zijn de volgende stoffen organisch of anorganisch?

e f haar stenen olijfolie

Behoren de volgende stoffen tot de organische of anorganische stoffen?

OrganischAnorganisch

vliegtuigbrandstof

Zijn de volgende stellingen over organische en anorganische stoffen juist of fout? Indien fout, verbeter alleen het onderlijnde deel.

a Maïsolie behoort tot de anorganische stoffen, want het is afkomstig van de dode natuur.

b De verzameling van de minerale verbindingen is zeer uitgebreid en bevat moleculen met een grote keuze uit atoomsoorten.

Bepaal het oxidatiegetal van het vetgedrukte element in de volgende moleculen/ionen:

a H3PO4

b NH4OH

c ClO3-

d Fe3+

Noteer de juiste formule in de volgende tabel door gebruik te maken van de neutraliteitsregel.

Na: +I

Ca: +II

Behoren volgende formules tot de oxiden (MO of nMO), hydroxiden (MOH), zuren (HZ) of zouten (MZ)?

a CO

b H2CO3

c KOH

d KCl

e HI

f Al(OH)3

g Na2O

h (NH4)3PO4

Noteer de juiste stofklasse achter de volgende formules/namen. Wees zo specifiek mogelijk: bij oxiden maak je een onderscheid tussen metaal- en niet-metaaloxiden, bij zuren en zouten maak je een onderscheid tussen binair en ternair.

a AlPO4

b Li2O

c H2CO3

d Cl2O

e Fe(OH)2

Meer oefenen? Ga naar .

f ijzer(II)oxide

g calciumhydroxide

h zwavelzuur

i koper(I)hydroxide

j salpeterzuur

De zuren

LEERDOELEN

Je kunt al:

M anorganische stoffen indelen in de juiste stofklasse op basis van een gegeven naam of formule;

M de zuren verder indelen in binaire en ternaire zuren;

M anorganische stoffen indelen op basis van de kleur van een indicator;

M een formule opstellen met behulp van oxidatiegetallen.

Je leert nu:

M de naam geven, wanneer de formule van een zuur opgegeven is, en omgekeerd;

M de eigenschappen en toepassingen van zuren;

M de formule van binaire en ternaire zuren;

M de naam van binaire en ternaire zuren.

1 Wat is een zuur?

Je hebt misschien al wel eens iets zuur gegeten: een schijfje citroen of een zuur snoepje. Tijdens de lessen chemie mag je natuurlijk niet proeven, daarom hebben we tijdens het practicum andere manieren geleerd om te bepalen of een stof tot de zuren behoort of niet. In dit hoofdstuk gaan we verder in op deze stofklasse.

Een zuur is opgebouwd uit een waterstofatoom en een zuurrest. Het waterstofatoom is de functionele groep. De zuurrest kan een niet-metaal zijn of een niet-metaal en één of meerdere zuurstofatomen. De algemene formule van een zuur is HZ

Aangezien alle zuren een vaste formule hebben, moet de index bij het waterstofatoom nooit vermeld worden in de naam. Afhankelijk van de samenstelling van de zuurrest, kunnen de zuren in 2 groepen ingedeeld worden:

1 Zuren waarbij de zuurrest enkel uit een niet-metaal bestaat, zijn de binaire zuren (ze bestaan uit 2 atoomsoorten). De algemene formule van een binair zuur is HnM

2 Dat in tegenstelling tot de ternaire zuren, waarbij de zuurrest naast een niet-metaal ook nog zuurstof bevat. De algemene formule voor een ternair zuur is HnMO.

Zowel de binaire als de ternaire zuren zijn alleen opgebouwd uit nietmetalen. Het zijn dus allemaal atoombindingen.

2 Binaire zuren

Een binair zuur is opgebouwd uit 2 atoomsoorten: het waterstofatoom en een niet-metaal HZ of HnM is de algemene formule voor een binair zuur.

Alle niet-metalen bezitten hun laagst mogelijke oxidatiegetal in de binaire zuren. Op die manier kun je zeer gemakkelijk de formule van de binaire zuren afleiden.

De naam van de binaire zuren is als volgt: waterstof + verkorte Latijnse naam van het niet-metaal + uitgang ‘-ide’.

OPDRACHT 9

Vul de tabel aan.

Volg daarbij de onderstaande stappen.

Het niet-metaal (dus fluor, chloor, broom, jood en zwavel) is de zuurrest.

Om de lading van de zuurrest te bepalen, kijk je ofwel in de tabel met de ladingen, ofwel gebruik je de formule ‘groepsnummer – 8’.

Een zuur vorm je door de zuurrest te combineren met waterstof.

Om de lading van waterstof te bepalen, kijk je ofwel in de tabel met de oxidatiegetallen, ofwel kijk je in het PSE in welke groep waterstof staat.

Pas vervolgens de kruisregel toe.

Voor de naam hanteer je: ‘waterstof’ + ‘verkorte Latijnse naam van het niet-metaal’ + ‘-ide’.

Lading van de zuurrest

F Cl Br I S

Kruisregel

Formule

Naam

TIP

Voor H2S is de systematische naam ‘diwaterstofsulfide’ ook correct. Je maakt daarbij gebruik van de Griekse telwoorden. Vanuit het KISS-principe (keep it short and simple) worden de Griekse telwoorden echter vaak weggelaten als er geen verwarring mogelijk is. Aangezien waterstof (H) slechts 1 mogelijk oxidatiegetal heeft, is er geen verwarring.

De naam voor de zuurrest is volledig analoog aan de naam van het zuur zelf, alleen worden de waterstoffen niet meer vermeld, omdat die eraf gehaald zijn. De naam van de zuurrest wordt gevormd door de verkorte Latijnse naam van het niet-metaal + uitgang ‘-ide’. De extra uitgang ‘-ion’ wijst erop dat het over een geladen deeltje gaat en dat het geen volledige verbinding is: er is nog een positief deel nodig om de formule compleet te maken.

Het is belangrijk om de zuurrest te kennen:

Zuurrest Naam zuurrest

F- fluoride-ion

Cl- chloride-ion

Br- bromide-ion

I- jodide-ion

S2- sulfide-ion

Van 1 binair zuur moet je ook de triviale naam kennen. De triviale naam van waterstofchloride is zoutzuur. 3

Ternaire zuren

©VANIN

De naam zegt het zelf: de ternaire zuren zijn opgebouwd uit 3 atoomsoorten. Naast waterstof en een niet-metaal is er ook altijd minstens 1 zuurstofatoom aanwezig: HnMO is de algemene formule voor een ternair zuur. Ook hier is de functionele groep het waterstofatoom.

De ternaire zuren kun je indelen in de stamzuren, die het vaakst voorkomen, en de afgeleide zuren (waar we niet verder op ingaan).

Het aantal waterstof- en zuurstofatomen in de formule kun je niet afleiden uit het PSE of uit de naam. Je moet de formule van de zuren dus zeer goed uit het hoofd leren!

De naam voor de stamzuren is analoog aan die van de binaire zuren, alleen is de uitgang niet -ide, maar -aat: waterstof + verkorte Latijnse naam + ‘-aat’ De meeste ternaire zuren hebben ook een triviale naam.

De zuurrest vorm je analoog aan die van de binaire zuren. Je haalt een of meer waterstofionen uit de formule. Per waterstofion krijgt de zuurrest een lading van -1. In de naam laat je ‘waterstof’ weg, maar voeg je ‘ion’ toe om aan te geven dat het een geladen deeltje is.

Tabel 4 Benaming zuurresten

Ook hier zijn de systematische namen mét Griekse telwoorden correct: ‘diwaterstofcarbonaat’, ‘triwaterstoffosfaat’ en ‘diwaterstofsulfaat’.

Vanuit het KISS-principe worden de telwoorden meestal weggelaten.

Ook hier is het heel belangrijk om de zuurrest te kennen: die hebben we nog nodig om de zouten te vormen:

Brutoformule Systematische naamTriviale naamZuurrest Naam zuurrest

H2CO3 waterstofcarbonaat koolzuur CO32- carbonaation

HNO3 waterstofnitraat salpeterzuurNO3- nitraation

H3PO4 waterstoffosfaat fosforzuurPO43- fosfaation

H2SO4 waterstofsulfaat zwavelzuurSO42- sulfaation

HClO3 waterstofchloraat chloorzuurClO3- chloraation

HBrO3 waterstofbromaat broomzuur BrO3- bromaation

HIO3 waterstofjodaat joodzuur IO3- jodaation

Een binair zuur: bestaat uit 2 atoomsoor ten: het waterstofatoom en een niet-metaal.

Het oxidatiegetal van het niet-metaal is zo laag mogelijk, namelijk groepsnummer -8.

Om de naam te vormen, vermeld je eerst waterstof, dan de verkorte Latijnse naam van het niet-metaal en als uitgang -ide.

De triviale naam van waterstofchloride is zoutzuur

Je kunt de zuurrest vormen door één of meerdere waterstofionen uit de formule van het zuur te verwijderen. Per waterstofion dat je verwijdert, krijgt de zuurrest een lading van 1-.

De te kennen binaire zuren en zuurresten zijn:

Brutoformule Systematische naam Zuurrest Naam zuurrest

HF waterstoffluoride

HCl waterstofchloride

HBr waterstofbromide

©VANIN

F- fluoride-ion

Cl- chloride-ion

Br- bromide-ion

HI waterstofjodide I- jodide-ion

H2S waterstofsulfide S2- sulfide-ion

Een ternair zuur:

bevat, naast waterstof en een niet-metaal, ook altijd minstens 1 zuurstofatoom.

Om de naam van een stamzuur van de ternaire zuren te vormen, vermeld je eerst waterstof, dan de verkorte Latijnse naam van het niet-metaal en als uitgang -aat.

De te kennen stamzuren en hun zuurresten zijn:

Brutoformule Systematische naamTriviale naamZuurrest Naam zuurrest

H2CO3 waterstofcarbonaatkoolzuur CO32- carbonaation

HNO3 waterstofnitraat salpeterzuurNO3- nitraation

H3PO4 waterstoffosfaat fosforzuur PO43- fosfaation

H2SO4 waterstofsulfaat zwavelzuur SO42- sulfaation

HClO3 waterstofchloraat chloorzuur ClO3- chloraation

HBrO3 waterstofbromaat broomzuur BrO3- bromaation

HIO3 waterstofjodaat joodzuur IO3- jodaation

` Maak oefening 1 en 2 op p. 80.

Tabel 5 Ternaire zuren en zuurresten

4 Gebruik en toepassingen van zuren

ontdekplaat: anorganische stofklassen

Het zuur dat aanwezig is in je maag, is zoutzuur of waterstofchloride HCl Het helpt bij de vertering van voedingsstoffen. Zoutzuur is vrij corrosief. Dat kun je gewaarworden wanneer je regelmatig moet overgeven of wanneer de klep tussen je slokdarm en je maag niet meer goed werkt. Je maag is door onder andere een slijmvlieslaag beschermd tegen die zure brij, maar je slokdarm kan er serieus door aangetast worden.

©VANIN

gezonde maag re ux

Afb. 47 Zoutzuur in de maag helpt bij de vertering. Relf ux is een aandoening waarbij de zure maaginhoud terugvloeit in de slokdarm.

Bij vulkaanuitbarstingen komt waterstofsulfide of H2S vrij. Mogelijk heb je die zeer specifieke geur ook al waargenomen bij rotte eieren of stinkbommen.

WEETJE

Bij de vulkaanuitbarsting op La Palma in 2021 werd de bevolking gewaarschuwd voor giftige zoutzuurdampen. Als lava, met een temperatuur van 1 000 °C, in contact komt met zout water, dan kunnen er giftige dampen ontstaan. De chemische reactie resulteert dan in een zoutzuurhoudende gaswolk. Dat fenomeen is gekend als ‘laze', een samentrekking tussen ‘lava' en ‘haze' (nevel). De giftige dampen kunnen ademhalingsen huidproblemen veroorzaken. Bron: standaard.be, 29/09/2021

Onder de ternaire zuren is koolzuur of waterstofcarbonaat (H2CO3) ongetwijfeld het zuur dat het meest gekend is. Het is het zuur dat gevormd wordt wanneer koolstofdioxide in water wordt opgelost.

Maar ook van zwavelzuur of waterstofsulfaat (H2SO4) heb je waarschijnlijk al gehoord. Het is aanwezig in een autobatterij, maar komt spijtig genoeg vooral in het nieuws omwille van zijn corrosieve eigenschappen. De krant bericht soms over mensen die verminkt werden door een zwavelzuuraanval. Het is een sterk hygroscopische stof. Dat wil zeggen dat zwavelzuur water heel hard aantrekt. Zo hard dat het al het vocht uit je cellen trekt met zware brandwonden tot gevolg.

49 In spuitwater zit koolzuur

50 Zwavelzuur veroorzaakt ernstige brandwonden

Afb. 48 Giftige zoutzuurdampen bij een vulkaanuitbarsting

Afb.

Afb.

Wanneer je in een labo toch water met zwavelzuur moet mengen, dan moet je eerst water nemen en daar voorzichtig zwavelzuur op gieten. Je kunt het heel gemakkelijk onthouden aan de hand van het volgende ezelsbruggetje: ‘zwavelzuur mag nooit gedoopt worden’.

water geconcentreerd VEILIGHEIDSVOORSCHRIFT

©VANIN

Afb. 51 Zwavelzuur mag nooit gedoopt worden. GEN4_CHE_LB_KOV_T1_H4_Overgieten.ai

Cola is de enige frisdrank die niet alleen koolzuur, maar ook fosforzuur of waterstoffosfaat (H3PO4 ) bevat.

Afb. 52 4 foto’s van dezelfde wijsheidstand: linksboven in zijn oorspronkelijke staat, rechtsboven na onderdompeling in cola gedurende één dag, linksonder na een week en rechtsonder na een maand. Het fosforzuur in cola tast het tandemail aan en de kleurstoffen zorgen ervoor dat de wortel bruin wordt.

Formule Systematische naamTriviale naam Toepassing

H3PO4 waterstoffosfaat fosforzuur aanwezig in cola

H2CO3 waterstofcarbonaat koolzuur frisdrank

HCl waterstofchloride zoutzuur maag

H2SO4 waterstofsulfaat zwavelzuur autobatterij wil nooit gedoopt worden

H2Swaterstofsulfide / geur van rotte eieren

` Maak oefening 3 en 4 op p. 80.

Zijn de volgende formules binaire (B) of ternaire (T) zuren?

a HI

b HIO3

c HNO2

d H2S e waterstofchloride f waterstofbromaat g fosforzuur

Noem 1 overeenkomst en 1 verschil tussen een binair en een ternair zuur.

Vul de tabel aan.

Formule

Systematische naam

Welke formule hoort bij welke toepassing of eigenschap?

zoutzuur fosforzuur

naam

A aanwezig in spuitwater B geur van rotte eieren C aanwezig in de maag D aanwezig in cola

Meer oefenen? Ga naar .

Naam- en formulevorming van de oxiden, hydroxiden en zouten

LEERDOELEN

Je kunt al:

M anorganische stoffen indelen in de juiste stofklasse op basis van een gegeven naam of formule;

M de oxiden verder indelen in metaaloxiden en niet-metaaloxiden;

M de zouten verder indelen in binaire en ternaire zouten;

M een formule opstellen met behulp van oxidatiegetallen.

Je leert nu:

M de formule van oxiden, hydroxiden en zouten;

M de eigenschappen en toepassingen van oxiden, hydroxiden en zouten.

©VANIN

Magnesiumoxide, magnesiumhydroxide en magnesiumcarbonaat zijn drie witte poeders die amper van elkaar te onderscheiden zijn met het blote oog. Ze bevatten allemaal Mg en O, maar toch gaat het telkens om andere stoffen, met een andere formule, naam en eigenschappen.

In dit hoofdstuk bespreken we in eerste instantie de naam- en formulevorming van de atoomverbindingen, namelijk de niet-metaaloxiden. Vervolgens bespreken we de metaaloxiden, de hydroxiden en de zouten. Dat zijn allemaal ionverbindingen, waardoor er overeenkomsten zijn in de manier waarop de naam en formule worden gevormd.

1 Atoomverbindingen: de niet-metaaloxiden

Zowel bij het schema om anorganische stoffen in te delen op basis van een gegeven formule, als bij het schema om ze in te delen op basis van een gegeven naam, werd er geen opsplitsing gemaakt tussen metaaloxiden en niet-metaaloxiden. Het spreekt voor zich dat als de naam of de formule van het oxide met een metaal begint, de stof een metaaloxide is, en als de naam of de formule met een niet-metaal begint, de stof een niet-metaaloxide is.

WEETJE

Griekse telwoorden: mono (wordt meestal niet geschreven) – di – tri – tetra – penta – hexa – hepta

Niet-metaaloxiden zijn atoomverbindingen, aangezien ze zijn opgebouwd uit 2 niet-metalen. De functionele groep is het zuurstofatoom

Aangezien niet-metalen meerdere mogelijke oxidatiegetallen hebben, moet er in de naam worden aangegeven hoeveel keer je elk atoom moet nemen. De naam ziet er dan als volgt uit: Grieks telwoord + niet-metaal + Grieks telwoord + oxide

OPDRACHT 10

Uit de tabel met oxidatiegetallen haal je dat chloor 4 mogelijke positieve oxidatiegetallen heeft. Er zijn dus 4 verschillende oxiden van chloor mogelijk. Het negatieve oxidatiegetal van chloor neem je niet op, aangezien O ook een negatief oxidatiegetal heeft: daar kan je dus nooit de neutraliteitsregel mee laten kloppen (de som van de oxidatiegetallen kan nooit 0 worden met alleen maar negatieve oxidatiegetallen).

Vul de tabel aan.

1 Pas voor elk oxidatiegetal van chloor de kruisregel toe door het te combineren met O.

2 Noteer ver volgens de gevormde formule.

3 Voor de systematische naam hanteer je: Grieks telwoord + niet-metaal + Grieks telwoord + oxide

4 Noteer ver volgens de verklaring voor de systematische naam.

Systematische naam dichlooroxide

Er zijn

Uitleg systematische naam

2 chlooratomen aanwezig, vandaar ‘dichloor’. Er is 1 zuurstofatoom aanwezig, vandaar ‘oxide’ (‘mono’ wordt vaak weggelaten).

Kruisregel

Cl2 O1 +I -II

2 Ionverbindingen: de metaaloxiden, hydroxiden en zouten

Analoog aan de niet-metaaloxiden, die opgebouwd zijn uit een niet-metaal en zuurstof, zijn de metaaloxiden opgebouwd uit een metaal en zuurstof (= functionele groep).

Zoals je uit tabel 3 (in hoofdstuk 1) en de schema’s met de indeling van de anorganische stoffen kon afleiden, zijn de hydroxiden opgebouwd uit een metaal en de hydroxidegroep (= functionele groep). Zuurstof heeft een oxidatiegetal van -II en waterstof een oxidatiegetal van +I, waardoor de lading van het hydroxide-ion -I is.

De zouten zijn opgebouwd uit een metaal en een zuurrest, waardoor er net zoals bij de zuren een verdere indeling kan worden gemaakt in binaire zouten (de zuurrest bestaat enkel uit een niet-metaal) en ternaire zouten (de zuurrest bevat naast een niet-metaal ook 1 of meerdere zuurstofatomen).

Die 3 stofklassen bevatten zowel metalen als niet-metalen en zijn dus ionverbindingen.

Voor ionverbindingen zijn er 2 soorten naamgeving.

2.1 Metalen met meerdere mogelijke oxidatiegetallen

©VANIN

Je hebt ook naamgeving met behulp van de stocknotatie: metaal (+ oxidatiegetal van het metaal zonder plusteken) + juiste uitgang (oxide/hydroxide/zuurrest)

Je mag ‘mono’ noteren, maar het wordt vaak weggelaten. ‘Kopermonohydroxide’ is dus ook een correcte naam.

In dit geval zou je respectievelijk ‘koper(I)oxide’, ‘koper(I)hydroxide’ en ‘koper(I)sulfaat’ als stocknotatie noteren.

Als het metaal meerdere mogelijke oxidatiegetallen kan hebben, zijn er verschillende mogelijke moleculen te vormen en moet er dus in de naam worden aangegeven om welke formule het juist gaat. Analoog aan de nietmetaaloxiden kun je gebruikmaken van de systematische naam: Grieks telwoord + metaal + Grieks telwoord + juiste uitgang (oxide/ hydroxide/zuurrest)

VOORBEELD FORMULE EN NAAM VAN EEN METAAL

MET MEERDERE OXIDATIEGETALLEN

Het oxidatiegetal van koper kan +I of +II zijn. In volgende tabel worden er een oxide, een hydroxide en een zout gevormd met een oxidatiegetal van +I voor koper.

(Metaal)oxideHydroxide Zout

Formule Cu2O CuOH Cu2SO4

Systematische naam dikoperoxidekoperhydroxidedikopersulfaat

Uitleg systematische naam

Er zijn 2 koperionen aanwezig, vandaar ‘dikoper’.

Er is 1 zuurstofion aanwezig, vandaar ‘oxide’.

Er is 1 koperion aanwezig, vandaar ‘koper’.

Er is 1 hydroxideion aanwezig, vandaar ‘hydroxide’.

Er zijn 2 koperionen aanwezig, vandaar ‘dikoper’.

Er is 1 sulfaation aanwezig, vandaar ‘sulfaat’.

OPDRACHT 11

Vul de tabel aan voor het andere oxidatiegetal van koper.

Gebruik dezelfde zuurrest voor het zout als in het voorbeeld.

Vergeet niet om, indien mogelijk, de indexen te vereenvoudigen.

(Metaal)oxide Hydroxide Zout

Kruisregel

Formule Systematische naam

Uitleg systematische naam

Je kunt dit ook volgens de stocknotatie noteren: ‘koper(II)oxide’, ‘koper(II)hydroxide’ en ‘koper(II)sulfaat’.

Merk echter op: het is niet fout om ook hier gebruik te maken van de Griekse telwoorden. Je vertrekt echter het best vanuit het KISS-principe (keep it short and simple): als er geen verwarring mogelijk is (slechts 1 OG voor het eerste element in de formule), dan worden de Griekse telwoorden weggelaten.

2.2 Het metaal heeft slechts 1 mogelijk oxidatiegetal

Op basis van de ‘uitgang’ en het metaal kan er slechts 1 mogelijke formule worden gevormd. Vandaar dat de naamgeving voor deze groep van moleculen zeer beknopt is: naam metaal + juiste uitgang (oxide/hydroxide/zuurrest)

WEETJE

Ook NH4+, het ammoniumion, kan worden gebruikt om een hydroxide of een zout mee te vormen. Dat ion heeft een vast oxidatiegetal, waardoor je geen Griekse telwoorden in de naam hoeft te gebruiken.

Als er in de naam geen Griekse telwoorden aanwezig zijn, moet je extra aandachtig zijn wanneer je de formule opstelt: je moet dan altijd het oxidatiegetal van het metaal opzoeken en de kruisregel toepassen.

OPDRACHT 12

Vul de tabel aan.

(Metaal)oxide Hydroxide Zout

Systematische naam aluminiumoxide magnesiumhydroxide lithiumsulfide

Kruisregel

Formule

Niet-metaaloxiden zijn atoomverbindingen, opgebouwd uit een niet-metaal en zuurstof.

Formule: meerdere mogelijkheden. Er moet dus informatie over het oxidatiegetal worden gegeven.

Systematische naam:

Grieks telwoord + niet-metaal + Grieks telwoord + oxide

Metaaloxiden zijn opgebouwd uit een metaal en zuurstof.

Wanneer het metaal meerdere mogelijke oxidatiegetallen heeft:

Formule: meerdere mogelijkheden. Er moet dus informatie over het oxidatiegetal worden gegeven.

Systematische naam:

Grieks telwoord + metaal + Grieks telwoord + juiste uitgang (oxide/hydroxide/zuurrest)

Bij metaaloxiden met meerdere mogelijke ionladingen kun je ook de stocknotatie gebruiken: metaal (+ ionlading) + oxide

Als het metaal slechts 1 mogelijk oxidatiegetal heeft:

Formule: er kan maar 1 mogelijke formule worden gevormd.

Systematische naam: naam metaal + juiste uitgang (oxide/hydroxide/zuurrest)

` Maak oefening 1 t/m 10 op p. 89-90.

3 Toepassingen van oxiden, hydroxiden en zouten

3.1 Niet-metaaloxiden

ontdekplaat: anorganische stofklassen

Je staat er waarschijnlijk niet altijd bij stil, maar je wordt omringd door oxiden. Ontdek de belangrijkste toepassingen van oxiden via de ontdekplaat.

Eén van de meest gekende oxiden is ongetwijfeld koolstofdioxide of koolzuurgas CO2. Het is een zeer belangrijk broeikasgas, dat ontstaat bij de volledige verbranding van fossiele brandstoffen. Verder wordt het ook gebruikt in drank met prik. Je hebt thuis misschien een toestel om zelf spuitwater of limonade te maken. Dat is gevuld met koolstofdioxide onder hoge druk.

©VANIN

Maar dat gas zit ook in sommige brandblusapparaten. Aangezien koolstofdioxide een hogere dichtheid heeft dan lucht, stijgt het gas niet en zorgt het ervoor dat er geen zuurstofgas meer aan het vuur kan waardoor het vuur dooft.

Wanneer koolstofdioxide zodanig wordt afgekoeld dat het vast wordt, wordt het droogijs genoemd. Dat wordt vooral als koelmiddel gebruikt, maar ook als ‘showeffect’ bij optredens, bepaalde cocktails … Pas toch op met die stof. Zoals gezegd: koolstofdioxide heeft een hogere dichtheid dan lucht, dus bij heel grote hoeveelheden kun je sterven door zuurstofgebrek.

Wanneer fossiele brandstoffen verbrand worden in zuurstof-arme omstandigheden, bijvoorbeeld wanneer een schoorsteen onvoldoende lucht en dus ook zuurstofgas doorlaat, ontstaat het zeer giftige koolstofmonoxide CO. Aangezien dat een kleurloos en geurloos gas is, wordt het vaak de stille sluipdoder genoemd. Spijtig genoeg sterven er in België nog jaarlijks veel mensen aan een CO-vergiftiging.

Afb. 53 Koolstofdioxide ontstaat bij heel wat verbrandingsprocessen

Afb. 54 Koolstofdioxide als droogijs

Afb. 55 Een schoorsteen moet geregeld worden gereinigd

Een ander gasvormig oxide dat je misschien kent, is distikstofoxide N2O of lachgas. Die stof wordt onder andere gebruikt in slagroompatronen en om het vermogen van een motor op te drijven (denk maar aan de filmreeks ‘Fast and Furious’).

©VANIN

WEETJE

Vroeger werd lachgas als verdovingsmiddel gebruikt, maar de laatste jaren wordt het vooral misbruikt: het wordt nu als drug gebruikt en is zeer gevaarlijk. Daarom is de verkoop van lachgas sinds 5 maart 2021 verboden aan minderjarigen. Bekijk de ‘Rij ballonvrij’-campagne in Nederland over de gevaren van lachgas.

De stocknotatie zou in dit geval ‘ijzer(III)oxide’ zijn.

3.2 Metaaloxiden

Een vast metaaloxide dat spijtig genoeg heel gemakkelijk wordt gevormd, is diijzertrioxide of roest Fe2O3. Van zodra er lucht en water aan een nietbeschermd ijzeren voorwerp kan, begint het ijzer te roesten. Het metaal verliest zijn eigenschappen zoals sterkte en plooibaarheid en de stof wordt zeer bros en verpulvert gemakkelijk.

3.3 Hydroxiden

In het dagelijks leven worden veel hydroxiden gebruikt bij het poetsen. Zo is natriumhydroxide of bijtende soda NaOH een zeer sterke ontstopper. Een oplossing van natriumhydroxide lost namelijk haren en zeepresten op. Wanneer je die stof gebruikt, moet je extra voorzichtig zijn. Het is namelijk een zeer corrosieve stof en ze kan dus brandwonden veroorzaken.

Een speciaal geval is ammoniak NH3. Wanneer je NH3 oplost in water, ontstaat er ammoniumhydroxide NH4OH. Die oplossing wordt vooral gebruikt voor zijn ontvettende eigenschappen om bijvoorbeeld ramen te poetsen. De stof staat bekend voor zijn zeer indringende geur. Maar let op, het kan je slijmvliezen irriteren. Dezelfde doordringende geur kun je in stallen ruiken. Ammoniak komt namelijk ook in mest voor.

Afb. 56 Slagroomspuit Afb. 57 Nitrofles om het vermogen van wagens op te drijven

Afb. 58 Snelle auto’s in Fast and Furious

video: rij ballonvrij

Afb. 59 Roest is een vast metaaloxide

Afb. 60 In ontstopper zit natriumhydroxide

Afb. 61 Ammoniak werkt ontvettend

ontdekplaat: anorganische stofklassen

3.4 Zouten

Het bekendste zout is natuurlijk keukenzout of natriumchloride NaCl. Dat wordt vooral als smaakmaker en bewaarmiddel gebruikt.

Van de ternaire zouten heb je ongetwijfeld calciumcarbonaat CaCO3 in huis. Marmer, maar ook eierschalen en mosselschelpen, bestaan uit dat zout. Als je weet dat je een eischaal kunt oplossen met een zuur, dan besef je ongetwijfeld onmiddellijk waarom het niet zo interessant is om een marmeren werkblad in de keuken te laten installeren.

©VANIN

Baksoda bevat zuiver natriumwaterstofcarbonaat NaHCO3 en wordt gebruikt als rijsmiddel. Wist je trouwens dat er een verschil is tussen bakpoeder en baksoda? Bakpoeder bevat naast natriumwaterstofcarbonaat ook nog citroenzuur of wijnsteenzuur. Let bij het bakken zeer goed op dat je de juiste stof gebruikt.

CO2 koolstofdioxide koolzuurgas brandblusapparaat drank met prik

OXIDEN

HYDROXIDEN

ZOUTEN

CO koolstofmonoxide / ontstaat bij slechte verbranding en is zeer giftig

N2O distikstofoxide lachgas anesthesie

Fe2O3 diijzertrioxide roest roesten van ijzer

NaOH natriumhydroxide bijtende soda ontstopper

NH4OH ammoniumhydroxide / ontvetter

NaCl natriumchloride keukenzout smaak, bewaarmiddel

CaCO3 calciumcarbonaat / marmer, eierschaal

NaHCO3 natriumwaterstofcarbonaat bakpoeder rijsmiddel

` Maak oefening 11 op p. 90.

Afb. 62 Natriumchloride is het bekendste zout. Afb. 63 Eierschalen bestaan uit calciumcarbonaat.

Afb. 64 In baksoda zit natriumwaterstofcarbonaat.

Van het element zwavel bestaan meerdere oxiden. Omcirkel de formules die je met behulp van de tabel met oxidatiegetallen kunt vormen.

a SO b SO2 c S2O

Vorm de formule van het oxide van de volgende elementen. Als een bepaald element meerdere mogelijke oxidatiegetallen heeft, schrijf je alle opties.

a aluminium

b cadmium

Behoren de volgende stoffen tot de metaaloxiden (MO) of de niet-metaaloxiden (nMO)?

a lachgas

b roest

c koolzuurgas

Ook al heeft chloor een mogelijk oxidatiegetal van +VII en kun je door de kruisregel correct toe te passen de formule Cl(OH)7 bekomen, toch is dat geen juiste formule voor een hydroxide. Leg uit waarom niet.

Van de volgende stoffen is ofwel de systematische naam, de stocknotatie of de formule gegeven. Noteer telkens de andere naam/namen en/of formule. Als er van een bepaalde stof geen stocknotatie bestaat, leg je uit waarom niet.

a ijzer(III)hydroxide

b CuOH

c KOH

d aluminiumhydroxide

e ammoniumhydroxide

Vul de tabel aan: Formule Systematische

ijzer(III)hydroxide kobaltdihydroxide Mn(OH)7

Zijn de stoffen binaire of ternaire zouten?

a zinknitraat

b MgS

c AlF3

d Na2CO3

Verklaar de volgende namen.

a koper(I)chloride

b di-ijzertrisulfaat

Omcirkel de juiste naam en verklaar je keuze.

natrium(I)chloride of natriumchloride

Noteer de formule van de gevraagde zouten.

a kalium en sulfidezuurrest

b aluminium en carbonaatzuurrest

c alle zouten van ijzer en de ternaire stamzuurrest met chloor

d ammonium en waterstofzuurrest van koolzuur

Verbind de eigenschap met de juiste naam.

1 ontstopper

rijsmiddel

anesthesie

4 prik in limonade

bewaarmiddel

Meer oefenen? Ga naar

Zuurtegraad van een oplossing

LEERDOELEN

Je kunt al:

M anorganische stoffen indelen in de juiste stofklasse op basis van een gegeven naam of formule;

M indicatoren gebruiken om te bepalen welke stoffen tot eenzelfde stofklasse behoren;

M een formule opstellen met behulp van oxidatiegetallen;

M de naam en formule van zuren, oxiden, hydroxiden en zouten interpreteren.

Je leert nu:

M het begrip zuurtegraad en pH van een oplossing bespreken in voorbeelden;

M het verband leggen tussen zuur, basisch en neutraal en de pH of zuurtegraad van een oplossing;

M de manier waarop je de pH of de zuurtegraad van een oplossing experimenteel kunt bepalen.

1 pH en de zuurtegraad van een oplossing

We hebben in hoofdstuk 1 gebruikgemaakt van indicatoren om de anorganische stoffen in te delen in hun stofklasse. In dit hoofdstuk gaan we verder in op die indicatoren.

De pH-schaal gaat van 0 tot 14. Hoe lager de pH, hoe zuurder een oplossing is. Een oplossing met een hoge pH noemen we een basische oplossing. De tegenhanger van zuur in de lessen chemie is dus niet zoet of zout, maar basisch! Een oplossing met een pH-waarde van 7 is een neutrale oplossing: deze oplossing is dus niet zuur, maar ook niet basisch. Let op: de zuurtegraad en de pH zijn dus tegengesteld: hoe zuurder een oplossing is, hoe hoger de zuurtegraad, hoe lager de pH

Vroeger werd de zuurtegraad van een oplossing bepaald door de stof te proeven. Een oplossing met een lage pH proeft ook zuur en een oplossing met een hoge pH proeft eerder zeepachtig. Vorig jaar leerde je al dat het in een labo verboden is om te proeven van een oplossing. Het is in eerste instantie gevaarlijk, maar het is ook nog eens zeer onnauwkeurig. De pH van cola is bijvoorbeeld 2,4 en toch zou je niet zeggen dat cola zuur is. Dat komt natuurlijk door de enorme hoeveelheid suiker of zoetstoffen die eraan worden toegevoegd.

©VANIN

OPDRACHT 13

Waarom is proeven niet geschikt om te bepalen of een stof zuur of basisch is?

Geef 2 argumenten.

OPDRACHT 14

ONDERZOEK

Onderzoek nu zelf of een oplossing zuur, basisch of neutraal is. Ga naar Labo 04 op .

WEETJE

Lightfrisdranken zijn voor erosie van je tanden even slecht als gewone frisdranken, omdat ze evenveel zuur bevatten. Voor het ontstaan van gaatjes zijn ze wel minder schadelijk. Hoe zuur mag een frisdrank dan zijn? Al bij een pH-waarde minder dan 5,5 in de mondholte kan het tandglazuur oplossen. Hoe zuurder de drank, hoe erosiever voor het gebit. Een frisdrank met een pH van minder dan 4 kan eroderend werken op het tandglazuur.

Afb. 66 Cola heeft een pH van 2,4. Een frisdrank met een pH van <4 kan eroderend werken op het tandglazuur.

1.1 pH-indicatoren

Een gemakkelijke manier om te bepalen of een oplossing zuur of basisch is, is met behulp van pH-indicatoren. Die stoffen komen vaak voor in de natuur en hebben een andere kleur afhankelijk van de zuurtegraad van de oplossing Een pH-indicator die je gemakkelijk zelf kunt maken, is rodekoolsap. Hiervoor leg je een paar stukjes rodekool in kokend water of plet je ze met behulp van een stamper met een beetje water in een mortier. Het water zal heel snel blauwpaars kleuren. Wanneer je aan een oplossing van rodekoolsap een paar druppels citroensap (een zuur) toevoegt, verandert de kleur naar rood. Wanneer je aan een oplossing van rodekoolsap een paar druppels natriumhydroxide-oplossing (een base) toevoegt, verandert de kleur naar groengeel. De resultaten van experimenten met andere indicatoren vind je in de volgende tabel:

pH-Indicator

©VANIN

Kleur in zuur midden

Kleur in neutraal midden Kleur in basisch midden rodekoolsap rood blauwpaars groengeel methyloranje rood geel geel lakmoes rood roodblauw blauw fenolftaleïne kleurloos kleurloos fuchsia broomthymolblauw geel groen blauw

Maar ook in het dagelijks leven kom je dat effect tegen. Wanneer je rodekool maakt, wordt er vaak een scheutje azijn toegevoegd aan de paarse rodekool. Hierdoor krijgt het gerecht een mooie rode kleur. Maar ook een hortensia krijgt een andere kleur afhankelijk van de zuurtegraad van de grond. Zo is het perfect mogelijk dat een roze hortensia na een aantal jaren blauwe bloemen geeft, wanneer de grond te zuur geworden is.

Ook al zijn die indicatoren heel gemakkelijk te gebruiken, het nadeel is dat je soms geen onderscheid kunt maken tussen bijvoorbeeld 2 zure oplossingen: een oplossing met pH-waarde 1 en met pH-waarde 2 geeft eenzelfde kleur. Dat kun je vrij eenvoudig oplossen door een mengsel te maken van verschillende indicatoren. Zo kun je gebruikmaken van pH-strips om de zuurtegraad van een zwembad te controleren. Dat is filtreerpapier dat in een oplossing van universeel indicator is ondergedompeld. Je kunt de universeelindicatoroplossing ook gewoon als vloeistof gebruiken en de kleur van de bekomen oplossing vergelijken met een kleurenschaal.

Afb. 67 Een hortensia verandert van kleur door de zuurtegraad van de grond.

Afb. 68 Met een universeel-indicatoroplossing kan de pH van een oplossing bepaald worden.

1.2 pH-meter

Voor sommige toepassingen (vooral in het labo) is het belangrijk om de pH-waarde heel exact te kennen. Je kunt dat gemakkelijk meten met een pH-meter. Je steekt dan een elektrode in de oplossing en kunt snel en nauwkeurig de pH-waarde aflezen.

—Hoe zuurder een oplossing, hoe groter de zuurtegraad en hoe lager de pH van de oplossing.

—De pH-schaal gaat van 0 tot 14:

• Een oplossing met pH < 7 is een zure oplossing.

• Een oplossing met pH = 7 is een neutrale oplossing.

• Een oplossing met pH > 7 is een basische oplossing.

—Je kunt de pH bepalen met behulp van pH-indicatoren: dat zijn stoffen die een andere kleur vertonen afhankelijk van de pH van de oplossing.

—Een pH-meter is een digitale en zeer nauwkeurige manier om de pH van een oplossing te bepalen.

` Maak oefening 1, 2 en 3 op p. 95.

Je voegt aan de volgende oplossingen lakmoes toe.

Welke kleur kun je waarnemen? Maak gebruik van de tabel op p. 93.

a een oplossing met een pH-waarde 2

b een oplossing waarin HCl is opgelost

Bepaal bij elk van de volgende pH-waarden of de oplossing zuur, basisch of neutraal is.

Noteer ook de juiste kleur na het toevoegen van de opgegeven indicator. Gebruik de tabel op p. 93.

a 7 + rodekoolsap

b 4 + lakmoes

c 12 + fenolftaleïne

d 2 + broomthymolblauw

Zijn de volgende stellingen juist of fout? Indien fout, verbeter dan het onderlijnde deel.

a In de chemie is het tegengestelde van zuur zoet.

b Een oplossing met een pH-waarde 2 is zuurder dan een oplossing met een pH-waarde 3.

Meer oefenen? Ga naar .

De alkanen

LEERDOELEN

Je kunt al:

M organische stoffen onderscheiden van anorganische stoffen;

M anorganische stoffen onderverdelen in oxiden, hydroxiden, zuren en zouten.

Je leert nu:

M de structuurformule en de brutoformule van een organische stof herkennen, weergeven, in elkaar omzetten en interpreteren;

M het belang, het voorkomen en de toepassingen van alkanen in het dagelijks leven en de industrie bespreken.

Je kent ondertussen het verschil tussen een anorganische en een organische stof. Men gebruikt de term ‘koolstofverbindingen’ als synoniem voor organische stoffen. Zo spreekt men ook van koolstofchemie in plaats van organische chemie, omdat organische stoffen minstens 1 koolstofatoom bevatten. De binding(en) die dat atoom aangaat, bepaalt/bepalen tot welke stofklasse een organische stof behoort.

Door de verscheidene bindingsmogelijkheden van het koolstofatoom bestaan er meer dan 10 stofklassen in de organische chemie. In dit hoofdstuk bespreken we eerst de verschillende manieren waarop de formule van een organische stof kan worden weergegeven. Vervolgens bespreken we van 1 stofklasse, namelijk de alkanen, de naam, de formule, de eigenschappen en de toepassingen.

1 Voorstellingen van organische stoffen

6 elektronen

6 protonen

6 neutronen

Organische stoffen worden gekenmerkt door de aanwezigheid van minstens 1 koolstofatoom. Een koolstofatoom heeft 4 vrije valentie-elektronen en gaat 4 bindingen aan om de octetstructuur te bereiken.

Afb. 70 Een koolstofatoom heeft 4 valentieelektronen.

Bekijk enkele formules van organische stoffen:

Het valt op dat elk koolstofatoom 4 bindingen aangaat, maar dat wil niet zeggen dat het 4 bindingspartners nodig heeft! Zo zie je in de derde en vijfde voorstelling dat een atoom meerdere (dubbele of drievoudige) bindingen kan aangaan met een ander atoom waardoor er minder waterstofatomen nodig zijn om de edelgasconfiguratie te bereiken.

De brutoformule van een organische stof geeft de aanwezige elementen weer en toont het aantal van elk element met een index. De index 1 noteer je niet. In de organische chemie worden de elementen bovendien als volgt gerangschikt: eerst C, dan H en ten slotte de overige elementen alfabetisch.

Over de manier waarop de atomen met elkaar verbonden zijn, krijg je geen informatie in de brutoformule. Hiervoor werken we met de structuurformule

In die formule wordt het aantal atomen van elke soort weergegeven. Ze worden rond elk koolstofatoom apart geordend waardoor de bindingen tussen de koolstofatomen zichtbaar zijn. De structuurformule is dus een tweedimensionale weergave van de structuur van een molecule waarbij de bindingen worden weergegeven tussen de verschillende koolstofatomen. De bindingen met waterstof worden, na een goede beheersing van het schrijven van een structuurformule, vaak weggelaten. We spreken dan van de beknopte structuurformule. Wanneer de C-H-bindingen wel nog worden getoond, spreekt men over een uitgebreide structuurformule.

Brutoformule Uitgebreide structuurformule Beknopte structuurformule

©VANIN

Merk op dat in het laatste voorbeeld de beknopte structuurformule de indruk geeft dat het zuurstofatoom gebonden is aan de waterstofatomen van het rechtse koolstofatoom. Het is echter gebonden aan het koolstofatoom zelf.

PDRACHT 15

Vul de volgende koolstofverbindingen met waterstofatomen aan zodat elk C-atoom een edelgasconfiguratie krijgt.

Je noteert op die manier zowel de structuurformule als de brutoformule van de verbindingen.

Aantal gebonden C-atomenStructuurformule van de verbindingBrutoformule van de verbinding

C – C – C CH3 – CH2 – CH3

C – C – C – C – C – C – C

C – C – C – C

C = C

C – C – C ––– C C – C – C – C = C – C

C3H8

Wanneer er in een structuurformule een atoomgroep, bijvoorbeeld CH2, vaak voorkomt, dan kan het als volgt verkort worden weergegeven: CH3 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH3 → CH3 – (CH2)5 – CH3

TIP

In een organische stof zal het koolstofatoom altijd 4 atoombindingen aangaan met andere atomen. Dat kunnen andere koolstofatomen zijn, maar evengoed atomen van andere elementen (H, Cl, O …). Een koolstofatoom heeft dus altijd 4 bindingen, maar niet noodzakelijk 4 bindingspartners. Organische verbindingen die alleen bestaan uit C-atomen en H-atomen, worden ook wel koolwaterstoffen genoemd.

Een organische stof kan op verschillende manieren voorgesteld worden:

Brutoformule Uitgebreide structuurformule Beknopte structuurformule

= een lineaire

weergave van de aanwezige elementen, met een index die het aantal per element weergeeft. Volgorde: C – H –andere elementen in alfabetische volgorde

= een tweedimensionale weergave van de structuur van een molecule waarbij alle bindingen worden weergegeven.

= een tweedimensionale weergave van de structuur van een molecule waarbij de bindingen worden weergegeven tussen de verschillende koolstofatomen. De C-H-bindingen worden niet weergegeven.

` Maak oefening 1 op p. 108.

2 De alkanen: naam- en formulevorming

De eerste 3 alkanen onthoud je misschien met het ezelsbruggetje ‘MEP’. Vanaf het vijfde alkaan herken je de Griekse telwoorden. Om de namen van die moleculen te onthouden, bestaat er ook een geheugensteuntje. De eerste letters van de alkanen keren terug in de volgende zin: ‘Mama en papa bakken pannenkoeken, heel heerlijk of niet dan?’

Een stofklasse die we uitgebreider bekijken, zijn de alkanen. Die moleculen bevatten alleen koolstof- en waterstofatomen. We geven ze daarom dan ook vaak de naam ‘koolwaterstoffen’. Tussen de koolstofatomen komt telkens maar 1 binding voor. Je spreekt van een enkelvoudige atoombinding. Daardoor heeft elk koolstofatoom een maximaal aantal waterstofatomen en kunnen er geen extra atomen worden opgenomen in de molecule. Je noemt alkanen daarom ook verzadigde koolwaterstofverbindingen.

Stofklasse Typisch kenmerk alkaanenkelvoudige binding tussen de C-atomen‘C-C’

Centraal in de molecule staat de koolstofketen, de stam van de molecule. De lengte van de stam bepaalt de naam van de molecule. Dit jaar bespreken we alleen de onvertakte alkanen: er komen geen zijketens voor in de moleculen.

Hoe wordt de systematische naam van een specifiek alkaan juist gevormd?

—De stam ‘alk-‘ verwijst naar het specifieke aantal C-atomen in de molecule.

—Het achter voegsel ‘-aan’ verwijst naar de het feit dat er alleen maar enkelvoudige bindingen tussen alle C-atomen bestaan.

Het is dus belangrijk dat je de stammen goed kent, want ze vormen de basis voor het grote aantal moleculen dat je de volgende jaren zult leren kennen.

Aantal C-atomen StamAantal C-atomen Stam

hept-

©VANIN

De ‘n’ in de naam voor de onvertakte alkanen staat voor ‘normal’, maar je kunt het misschien beter onthouden als ‘niet-vertakt’.

Vanaf 4 koolstofatomen kan met dezelfde bouwstenen ook een vertakt alkaan gevormd worden, bv. C4H10:

CH3 - CH2 - CH2 - CH3

CH3 - CH - CH3 CH3

Vanaf butaan wordt de alkaannaam daarom ook als een verzamelnaam gezien. Wanneer men het specifiek over het lineair molecule heeft, dan plaatst men ‘n-’ voor de naam. De systematische naam van CH3-CH2-CH2-CH3 wordt dan n-butaan, omdat het onvertakt is.

VOORBEELD SYSTEMATISCHE NAAM ONVERTAKTE ALKANEN

We formuleren de systematische naam van enkele (onvertakte) alkanen vanuit de gegeven structuurformule.

1 CH4

—stam = 1 koolstofatoom: METH

—Het C-atoom heeft 4 bindingspartners en is dus verzadigd: achtervoegsel AAN

©VANIN

De systematische naam van de molecule is methaan

2 CH3-CH2-CH2-CH2-CH3

—stam = 5 koolstofatomen: PENT

—Elk C-atoom heeft 4 bindingspartners en is dus verzadigd: achtervoegsel AAN.

—Het is een onvertakt alkaan met meer dan 4 C-atomen, dus met ‘n’ voor de naam.

De systematische naam van de molecule is n-pentaan

Hoe worden de brutoformule of structuurformule van een specifiek (onvertakt) alkaan gevormd?

Bij het opstellen van de structuurformule van een alkaan overloop je best het volgende stappenplan:

Stap 1: Schrijf het aantal C-atomen.

Stap 2: Plaats een enkelvoudige binding tussen de C-atomen.

Stap 3: Vul de formule aan met H-atomen totdat elk C-atoom 4 bindingen heeft.

VOORBEELD FORMULEVORMING ONVERTAKTE ALKANEN

n-heptaan

Stap 1: Schrijf het aantal C-atomen.

De stam is HEPT, wat wil zeggen 7 C-atomen + afkorting ‘n’ dus een onvertakt alkaan.

©VANIN

Stap 2: Plaats tussen alle koolstofatomen een enkelvoudige binding.

Stap 3: Vul de formule aan met H-atomen, tot elk C-atoom 4 bindingspartners heeft.

Uitgebreide structuurformule:

Beknopte structuurformule:

CH3 - CH2 - CH2 - CH2 - CH2 - CH2 - CH3

Brutoformule: C7H16

Uit het bovenstaande voorbeeld blijkt dat in de brutoformule van een alkaan het aantal waterstofatomen steeds gelijk is aan tweemaal het aantal koolstofatomen plus 2.

Dat leidt tot de volgende algemene brutoformule voor de alkanen:

C nH2n+2 (met n = natuurlijk getal)

WEETJE

De 10 alkanen die we al gezien hebben, zijn maar een deel van de beschikbare alkanen.

Er zijn alkanen die meer dan 10 koolstofatomen bezitten en bovendien zijn er vertakkingen mogelijk. Omdat er enorm veel mogelijke combinaties zijn, zijn er internationaal duidelijke afspraken gemaakt over de naamgeving van die vertakte alkanen.

Zijketengroepen verkrijgen we door bij een alkaan 1 H-atoom weg te nemen. De namen ervan worden gevormd door aan de stamnaam het achtervoegsel -yl toe te voegen.

Voorbeeld: – CH2 – CH2 – CH3 → propyl-zijketen

ORGANISCHE STOFFEN

onvertakt vertakt

©VANIN

Naamgeving

stam = aantal C-atomen + achtervoegsel ‘aan’

—vanaf 4 C-atomen met symbool ‘n’ vooraan

` Maak oefening 2 op p. 108.

3 Fysische eigenschappen van alkanen

Formulevorming

—brutoformule: C nH2n+2

—structuurformule: Zie stappenplan p. 101

Paraffine, het hoofdbestanddeel van kaarsen, is een mengsel van n-alkanen met 17 tot 57 koolstofatomen.

3.1 Fysische eigenschappen

Alkanen komen in groot aantal voor in de natuur. Wanneer we de kook- en smelttemperatuur bekijken op de onderstaande grafiek, wordt duidelijk dat korte alkanen zoals methaan (CH4), ethaan (CH3-CH3), propaan (CH3-CH2-CH3) en butaan (CH3-CH2-CH2-CH3) gasvormig zijn bij kamertemperatuur. Naarmate de molecule langer wordt, stijgt het kookpunt van het alkaan. Alkanen met 5 tot 16 C-atomen zijn vloeibaar bij kamertemperatuur en alkanen met 17 of meer C-atomen zijn vast bij kamertemperatuur. De laatste noemen we de hogere alkanen of paraffinen.

ALKANEN

Afb. 71 Kook- en smelttemperatuur van alkanen

Een stof is licht ontvlambaar als ze met een vlam of klein vonkje gaat branden bij kamertemperatuur in de aanwezigheid van lucht. Let op: ontvlambaarheid mag je niet verwarren met brandbaarheid van een stof. Een stof kan goed brandbaar zijn, maar toch slecht ontvlambaar.

3D-beeld methaan VIDEO ontdekplaat: organische stofklassen

Alkanen zijn goed brandbaar. Methaan (aardgas) wordt als brandstof gebruikt voor het verwarmen van onze huizen en het koken van eten op een gasvuur.

gehalveerde plastic

GEN4_CHE_KOV_LB_T2_H2_pentaan.ai

Kortere alkanen zijn bovendien licht ontvlambaar. Daarom moet je thuis altijd goed controleren of je de gasaansluiting van je gasfornuis goed hebt afgesloten wanneer je klaar bent met koken.

3.2 Voorkomen en toepassingen van alkanen

AMethaan

GEN4_CHE_KOV_LB_T2_H2_methaan.ai

Methaan is het voornaamste bestanddeel van aardgas en wordt soms aangetroffen samen met aardolie en andere fossiele brandstoffen. Methaangas ontstaat wanneer bacteriën onder anaerobe omstandigheden (= omgeving zonder zuurstofgas) afgestorven organismen afbreken. Omdat anaerobe omstandigheden vooral in moerasbodems voorkomen, wordt methaan vaak moerasgas genoemd. Het gas ontstaat ook bij de verwerking van o.a. tuinafval. Door die gassen over generatoren te sturen, wordt elektrische energie opgewekt. Methaan wordt daarom ook vaak een biogas genoemd.

Veel gezinnen gebruiken aardgas als brandstof voor het verwarmen van hun woning. Gasleidingen komen dan ook overal in Vlaanderen voor. Methaan is echter geur- en kleurloos. Om een gaslek tijdig op te merken, voegen gasleveranciers daarom sterk geurende organische stoffen toe.

De verbrandingsreactie van methaan verloopt dan als volgt (bij volledige verbranding):

CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O

WEETJE

Op 30 juli 2004 was er een grote gasontploffing in Gellingen (Frans: Ghislenghien), in de provincie Henegouwen. In het plaatselijke industriegebied raakte een aannemer bij werken een grote gasleiding met zijn graafmachine. Toen enkele dagen later de gasnetbeheerder de druk verhoogde in de pijpleiding, is die volledig opengebarsten. Men vermoedt dat door de warme, zomerse temperatuur een zware ontploffing ontstond, gepaard met een geweldige steekvlam. Door de explosie en de zware brand die volgde, kwamen 24 mensen om het leven. De gasexplosie bracht een discussie op gang over hoe zo’n ongevallen in de toekomst vermeden kunnen worden. Normaal gezien is elke aannemer verplicht om na te gaan of er zich een gasleiding onder de plaats van de werken bevindt. Als dat het geval is, moet de netbeheerder van de leiding ingelicht worden over de werken en mogen er geen graafmachines gebruikt worden vlakbij de leiding. Er kwam echter aan het licht dat in de praktijk de tekeningen van de ondergrondse gasleiding niet bestonden of onvolledig waren.

Bron: standaard.be, 30/07/2009

Afb. 72 Een molecule methaan

De grootste methaanvoorraad bevindt zich echter nog in de aarde. Belangrijke methaanrijke

moerasgebieden zijn te vinden in het hoge noorden van Europa, Siberië en Amerika. In die gebieden is de bodem permanent bevroren: op enige diepte bevindt zich ijs. Dat heet permafrost. Alleen de bovenste decimeters van de bodem ontdooien elke zomer. Omdat het water niet weg kan zakken door het ijs in de bodem, wordt het vooral in vlakke gebieden nat met veel moerasvorming tot gevolg. Er wordt nu gevreesd dat de temperatuurstijging op aarde zal zorgen voor het ontdooien van de permafrost. Dat zou kunnen leiden tot het vrijkomen van grote hoeveelheden methaan, en een verdere toename van het broeikaseffect.

©VANIN

Spoken op het kerkhof – gevaren in de ondergrond Lang geleden, toen er nog echt donkere nachten waren, werd een late bezoeker van het kerkhof soms opgeschrikt door blauwe dwaallichtjes. Dat was methaan dat uit de aarde opsteeg, gemengd met een geringe hoeveelheid fosfine (PH3). Wanneer dat mengsel in contact kwam met de lucht, ontvlamde het spontaan.

Ook het gevreesde mijngas, dat – gemengd met lucht – in steenkoolmijnen ernstige ontploffingen (‘grauwvuur’) kon veroorzaken, bevatte methaan. Aangezien het gas kleur- en geurloos is, moesten mijnwerkers uiterst waakzaam zijn voor explosies. Om die reden namen mijnwerkers vaak een kanarie in een kooi mee in de schachten. Wanneer er mijngas aanwezig was, stierf de kanarie alvorens groot gevaar voor de mijnwerkers optrad. Op die manier konden de mijnwerkers zichzelf op tijd in veiligheid brengen.

WEETJE

Afb. 74 Mijngas kan ontploffingen veroorzaken.

Afb. 73 Moerasgebieden bevatten methaan.

Ethaan

3D-beeld ethaan

propaan

Aardgas bevat naast methaan ook nog andere koolwaterstoffen. De 2de belangrijkste organische fractie is ethaan, hoewel het beduidend minder in aardgas voorkomt dan methaan.

©VANIN

Aangezien ook ethaan als brandstof wordt gebruikt, schrijven we ook hiervoor de verbrandingsreactie:

2 C2H6 + 7 O2 → 4 CO2 + 6 H2O

Ethaan is een belangrijke grondstof voor de productie van andere organische stoffen zoals etheen, ethanol en ethaanzuur.

Propaan en n-butaan

Propaan en n-butaan zijn gasvormige alkanen, die gebruikt worden om bijvoorbeeld huizen te verwarmen of om fornuizen aan te steken in de keuken. De gassen worden als vloeistoffen onder druk in de handel gebracht onder de benamingen propagas en butagas. Beide gassen worden in een school ook vaak gebruik als mobiele opstelling bij het gebruik van een bunsenbrander.

C3H8 + 5 O2 → 3 CO2 + 4 H2O 2 C4H10 + 13 O2 → 8 CO2 + 10 H2O B

Ook voor propaan en n-butaan schrijven we een (volledige) verbrandingsreactie:

Afb. 75 Een molecule ethaan

3D-beeld

Afb. 76 Een molecule propaan

Afb. 77 Een molecule n-butaan

Afb. 78 Propaantank

3D-beeld n-butaan

Als je houdt van kamperen, heb je zeker al eens gekookt op een gasvuurtje. De bekende blauwe bussen zijn gevuld met butaan. Het gas staat onder verhoogde druk, waardoor het vloeibaar is. Wanneer zo’n bus wordt opengedraaid, ontsnapt eerst het n-butaangas dat zich boven de vloeistof bevindt. Vervolgens verdampt een gedeelte van het vloeibare n-butaan. Die omzetting kan pas voldoende snel gebeuren als de temperatuur van het samengeperste n-butaan hoger ligt dan het kookpunt: -0,5 °C. Om die reden is butaan niet bruikbaar bij vriesweer. Bergbeklimmers en wintersporters gebruiken daarom propaan als campinggas. Het kookpunt van propaan is -42 °C en dat geeft dus geen problemen bij lage temperaturen.

©VANIN

n-alkaan

Toepassing methaan

—brandstof om woningen te verwarmen ethaan —brandstof om woningen te verwarmen —grondstof voor productie etheen, ethanol, ethaanzuur ...

propaan

n-butaan

—brandstof om woningen te verwarmen —in gasflessen voor campingvuurtjes en kookfornuis

—brandstof om woningen te verwarmen —in gasflessen voor campingvuurtjes en kookfornuis

De 4 kleinste n-alkanen komen voor in ruwe aardolie, zijn gasvormig bij kamertemperatuur en licht ontvlambaar. Methaan vind je daarnaast ook in aardgas en in permafrost.

` Maak oefening 3 en 4 op p. 108-109.

Afb. 79 Koken met butaangas

Vul de tabel aan.

Brutoformule

C3H8

Uitgebreide structuurformule

CH3 – CH2 – CH = CH – CH2 – CH3

CH3 – (CH2)5 – CH3

Geef de systematische naam, structuurformule en/of brutoformule van de gegeven alkanen.

Systematische naam

a propaan

Structuurformule

b CH3 – (CH2)3 – CH3

c n-nonaan

d CH3 – CH3

e n-butaan

f CH3 – (CH2)6 – CH3

g n-hexaan

h CH3 – (CH2)8 – CH3

Koppel de juiste alkanen aan de juiste toepassing(en) of het juiste voorkomen.

Brutoformule

1 ethaan • •a komt voor in de permafrost van Siberië

2 propaan • •b grondstof voor ethanol (drankalchohol)

3 methaan • •c campinggas

Geef de aggregatietoestand van de gegeven alkanen bij 21 °C en -10 °C. In de grafiek zie je de smelt- en kookpunten van n-alkanen in functie van het aantal koolstofatomen in de keten.

a octaan

b propaan

c butaan

Meer oefenen? Ga naar

KERNBEGRIPPEN

oxidatiegetal (OG)

kruisregel

ANORGANISCHE STOFFEN

NOTITIES

het aantal elektronen dat een atoom in een verbinding zou opnemen of afstaan bij overgang naar de ionaire vorm.

De volgende elementen hebben in een verbinding een vast oxidatiegetal:

Groep Ia: +I

Groep IIa: +II

Groep IIIa: +III

Zuurstof: meestal -II

Fluor: -I

In een verbinding is de som van de oxidatiegetallen gelijk aan nul.

Je kunt met behulp van de oxidatiegetallen en de kruisregel gemakkelijk de formule van een samengestelde stof vinden:

naamgeving

→ A y B x (controleren of je x en y niet kan vereenvoudigen = delen door eenzelfde getal)

Metaal heeft 1 mogelijk oxidatiegetal: metaal + uitgang

Metaal heeft meerdere mogelijke oxidatiegetallen: systematische naam: Grieks telwoord + metaal + Grieks telwoord + uitgang

Atoomverbindingen: Grieks telwoord + niet-metaal + Grieks telwoord + oxide

Schema 1: indeling van anorganische stoffen op basis van een gegeven formule, zie p. 70

Schema 2: indeling van anorganische stoffen op basis van een naam, zie p. 71

oxiden

MO (metaaloxide) of nMO (niet-metaaloxide) functionele groep: O2hydroxiden

MOH functionele groep: OH-

zuren

zouten

pH zuurtegraad

HnM (binair zuur) of HnMO (ternair zuur) functionele groep: H+

Algemeen: MZ

MnM (binair zout) of MnMO (ternair zout)

pH: 0-7 = zuur

7 = neutraal

7-14 = base

Hoe lager de pH, hoe zuurder de oplossing

ORGANISCHE STOFKLASSEN

bindingsmogelijkheden C-atoom: 4 bindingen, niet noodzakelijk 4 bindingspartners soorten formules: brutoformule, (beknopte) structuurformule, skeletnotatie

telwoorden stam naamgeving (indicatie voor het aantal C-atomen):

1

meth eth prop but pent hex hept oct non dec

—bestaan enkel uit C-en H-atomen

—enkelvoudige bindingen

—naamgeving en formulevorming alkanen:

• ALK = stam (aantal C-atomen)

• AAN (= alleen maar enkelvoudige bindingen tussen de C-atomen)

n-alkaan

methaan

Toepassing

—brandstof om woningen te verwarmen

ethaan —brandstof om woningen te verwarmen —grondstof voor productie etheen, ethanol, ethaanzuur …

propaan

n-butaan

—brandstof om woningen te verwarmen

—in gasflessen voor campingvuurtjes en kookfornuis

—brandstof om woningen te verwarmen

—in gasflessen voor campingvuurtjes en kookfornuis

Die 4 kleinste n-alkanen komen voor in ruwe aardolie, zijn gasvormig bij kamertemperatuur en licht ontvlambaar. Methaan vind je daarnaast ook in aardgas en in de permafrost.

ALKANEN

JANOG OEFENEN

1 Begripskennis

• Ik ken het begrip organische en anorganische stoffen.

• Ik ken de betekenis van het begrip oxidatiegetal en de waarde van het oxidatiegetal van elementen met slechts 1 oxidatiegetal.

• Ik ken de algemene formule van de oxiden, hydroxiden, zuren en zouten.

• Ik ken de functionele groep van de oxiden, hydroxiden en zuren.

• Ik ken de indeling in metaaloxiden en niet-metaaloxiden.

• Ik ken de indeling in binair en ternair bij zuren en zouten.

• Ik ken toepassingen van een aantal oxiden, hydroxiden, zuren en zouten.

• Ik ken de begrippen pH-schaal, zuur, basisch en neutraal.

• Ik ken manieren om de pH van een oplossing te bepalen: pH-meter, pH-indicator.

• Ik kan de brutoformule van een organische stof geven op basis van een naam of skeletnotatie.

• Ik kan de beknopte en uitgebreide structuurformule van een organische stof geven op basis van een naam.

• Ik ken eigenschappen, voorkomen en toepassingen van alkanen.

2 Onderzoeksvaardigheden

• Ik kan stoffen indelen in organische en anorganische stoffen.

• Ik kan formules vormen via het oxidatiegetal en de kruisregel.

• Ik kan het oxidatiegetal van een element bepalen in een gegeven formule.

• Ik kan stoffen indelen in de juiste stofklasse op basis van een gegeven naam of formule.

• Ik kan formules van oxiden, hydroxiden en zouten vormen

• Ik kan de naam van oxiden, hydroxiden, zuren en zouten omzetten naar een formule en omgekeerd.

• Ik kan het verband tussen de pH-schaal, de begrippen zuur – basisch –neutraal en de kleur van een pH-indicator toelichten.

` Je kunt deze checklist ook op invullen.

MODULE 04 DRUK

Wanneer een duiker zich dieper onder water begeeft, komt hij in een totaal andere wereld terecht.

Niet alleen verandert het uitzicht — met rotsformaties, vissen en stil stromend water —, maar ook de natuurwetten laten zich sterker voelen. De druk neemt toe, het volume van luchtbellen verandert, en zelfs ademhalen wordt een technisch hoogstandje.

Hoe past het menselijk lichaam zich aan? Wat gebeurt er met lucht in een afgesloten ruimte onder druk?

En welke wetenschappen zitten achter het ontwerp van een duikuitrusting? In dit hoofdstuk ontdek je hoe natuurwetenschappelijke principes zoals druk, volume en gaswetten niet alleen relevant zijn in een labo, maar ook letterlijk van levensbelang kunnen zijn — onder het wateroppervlak.

` Is er een verschil tussen de druk boven en onder water?

` Welke factoren spelen daarbij een rol?

We zoeken het uit!

Wat is druk?

©VANIN

LEERDOELEN

Je kunt al:

M kracht en het statisch effect ervan omschrijven;

M het deeltjesmodel uitleggen;

M het gewicht en de resulterende kracht bepalen.

Je leert nu:

M de druk op een oppervlak omschrijven en berekenen;

M de druk in een gas omschrijven;

M het absolute nulpunt omschrijven;

M het ontstaan van atmosferische druk omschrijven;

M over- en onderdruk gebruiken om stroming te beschrijven.

Dieren zijn aangepast aan hun omgeving. Hun bek, tanden en ledematen hebben een specifieke vorm, zodat ze zich kunnen voeden en verplaatsen. Hoe kunnen we die aanpassingen beschrijven met grootheden? Welke invloed heeft de omliggende atmosfeer?

In dit hoofdstuk bestudeer je wat druk is en hoe een druk(verschil) voor vervorming en beweging zorgt.

1 Wat is druk op een oppervlak?

1.1 Maat voor indrukking

OPDRACHT 1 DEMO

Bestudeer de afbeelding en de uitspraken.

1 Wie heeft gelijk volgens jou?

1

De fakir verdeelt zijn gewicht over de spijkers.

3

2

De fakir spant zijn spieren op en verkleint zo zijn gewicht.

Dankzij meditatie voel ik de pijn veroorzaakt door de spijkers niet.

2 Voer de demoproef uit. demovideo: spijkerbed

1 Onderzoeksvraag

Welke invloed hebben de kracht en het contactoppervlak op de vervorming?

2 Hypothese

Hoe groter de kracht, .

Hoe groter het contactoppervlak,

3 Benodigdheden

vervormbaar kussen twee zware boeken of bakstenen

4 Werkwijze

1 Leg één boek plat op het kussen en bestudeer de vervorming.

2 Duid je waarneming aan in de tabel.

3 Bedenk nog twee opstellingen met de boeken en het kussen waarmee je een vervorming veroorzaakt.

4 Duid je waarnemingen aan in de tabel.

5 Waarneming – 6 Verwerking

1 Vul de tabel aan en schrap wat niet past.

Experiment

Waarneming

1Je legt één boek plat op het kussen. veel vervorming weinig vervorming

2 Je legt veel vervorming weinig vervorming

3 . veel vervorming weinig vervorming

2 Verklaar nu waarom een fakir op een spijkerbed kan liggen.

7 Besluit

8 Reflectie

Als een drukkracht F uitgeoefend wordt op een oppervlak, wordt het oppervlak ingedrukt.

De indrukking hangt af van:

• de grootte van de drukkracht: F

• de grootte van het contactoppervlak: A

De mate van de indrukking wordt weergegeven met de grootheid druk, die wordt voorgesteld met het symbool p

• De indrukking neemt toe met een toenemende krachtgrootte.

p ~ F

• De indrukking neemt af met een toenemende grootte van het contactoppervlak.

p ~ 1 A

VOORBEELD DRUK DOOR VOGELPOTEN

In zand zie je de pootafdrukken van verschillende dieren.

Eenden en kippen hebben een vergelijkbare massa. Hun gewicht op de ondergrond is ongeveer gelijk.

Toch is de indrukking van de kippenpoot dieper, doordat het contactoppervlak veel kleiner is.

• De massa van de kip en de eend is vergelijkbaar. Ze oefenen een bijna gelijke kracht (gewicht) uit op de grond.  Feend ≈ Fkip

• Het contactoppervlak van de eend is veel groter.

Aeend > Akip

De indrukking van de eendenpoot is kleiner: peend < pkip

OPDRACHT 2

Bestudeer de formule voor druk.

1 Is druk een scalaire of een vectoriële grootheid? Verklaar.

• Vectoriële grootheid = grootheid met een grootte, zin, richting en aangrijpingspunt.

• Scalaire grootheid = grootheid met enkel een grootte.

2 Welke eenheid van druk kun je afleiden uit de formule?

3 Vorm de formule om, zodat je …

a de kracht kunt berekenen als je het contactoppervlak en de druk kent:

b het contactoppervlak kunt berekenen als je de kracht en de druk kent:

OPDRACHT 3

Los het vraagstuk op.

Een dame met een massa van 60 kg steunt op twee naaldhakken.

Elke naaldhak heeft een (contact)oppervlak van 20 cm².

Om de eenheid van een grootheid aan te duiden worden vierkante haakjes gebruikt.

Bijvoorbeeld: eenheid van tijd is seconde en wordt genoteerd als [t] = 1 s.

Een olifant van 6 000 kg staat op zijn vier poten, waarbij elke poot een (contact)oppervlak heeft van 0,20 m².

Ga na wie de grootste druk veroorzaakt.

TIP

De SI-eenheid van druk is de pascal. Die eenheid is samengesteld uit de eenheden van kracht en oppervlakte (newton gedeeld door vierkante meter):

1 Pa = 1  N m2

Om een druk van 1 pascal te bekomen, oefen je een kracht van 1 N uit op een oppervlakte van 1 m². Dat betekent bijvoorbeeld dat je een massa van (ongeveer) 100 g op een vierkante meter legt. De pascal is dus een heel kleine eenheid.

Vaak gebruikt men de grotere hulpeenheden hectopascal en kilopascal.

1 hPa = 1 ∙ 10² Pa

1 kPa = 1 ∙ 10³ Pa

Als een kracht F uitgeoefend wordt op een oppervlak met grootte A, wordt het oppervlak ingedrukt. De grootheid druk p is de maat voor de indrukking en kan berekend worden als: p = F A .

Grootheid met symbool SI-eenheid met symbool druk p pascal Pa

1.2 Druk verhogen en verlagen

OPDRACHT 4

d toenemende druk: 1 m2 100 g

Bestudeer het verschil tussen drukkracht en druk.

1 Duw op drie manieren even hard tegen de hand van je buur.

2 Hoe merk je het statisch effect van de drukkracht?

3 Rangschik de situaties volgens …

a toenemende drukkracht:

b toenemend contactoppervlak:

c toenemend statisch effect van de drukkracht:

In het dagelijks leven worden druk en (druk)kracht vaak door elkaar gebruikt. In de fysica is er een heel duidelijk onderscheid:

1 Drukkracht: de kracht die uitgeoefend wordt op een oppervlak.

2 Druk: het statisch effect dat het gevolg is van een drukkracht.

De grootte van de drukkracht wordt verdeeld over het contactoppervlak.

De grootte van het contactoppervlak bepaalt dus het statisch effect van de uitgeoefende drukkracht.

VOORBEELD GROTE EN KLEINE DRUK IN DE NATUUR

In de natuur is de bouw van dieren aangepast aan hun omgeving.

• Een leeuw is een vleeseter. Dankzij zijn scherpe hoektanden (= klein contactoppervlak) kan hij met een kleine kracht zijn prooien verslinden. Hij veroorzaakt een grote druk.

• Een pinguïn leeft in moerassige en besneeuwde gebieden. Dankzij de vliezen tussen zijn poten (= groot contactoppervlak) zakt hij niet in de sneeuw. Hij veroorzaakt een kleine druk.

De mens gebruikt zulke inzichten uit de natuur bij de ontwikkeling van voorwerpen. Gebruiksvoorwerpen hebben, afhankelijk van hun doel, een klein of een groot contactoppervlak.

1 Groot statisch effect van de drukkracht: hoge druk

Als je met een (kleine) kracht een groot effect wilt bekomen, moet het contactoppervlak zo klein mogelijk zijn.

• Een mes en een schaar worden scherp geslepen, zodat je makkelijk kunt snijden en knippen.

• Een naald heeft een scherpe punt, zodat je niet hard hoeft te duwen.

• Loopschoenen hebben spikes, zodat je meer grip hebt.

2 Klein statisch effect van de drukkracht: lage druk

Als je het effect van de uitgeoefende kracht wilt beperken, moet het contactoppervlak zo groot mogelijk zijn.

• Een boekenkast staat niet op pootjes, maar steunt over de volledige breedte.

• Met een snowboard zak je niet weg in de sneeuw.

• Graafmachines hebben rupsbanden, zodat je over de modder kunt rijden.

Om het statisch effect van de drukkracht te beïnvloeden, kies je een geschikt contactoppervlak:

• Bij een klein contactoppervlak is het effect groot. Er ontstaat een grote druk.

• Bij een groot contactoppervlak is het effect klein. Er ontstaat een kleine druk

` Maak oefening 1 t/m 7 op p. 131-133.

2 Wat is druk in een gas?

2.1 Botsingen

OPDRACHT 5

Bestudeer een fietsband die opgepompt wordt.

1 Je leerkracht pompt een fietsband op met een voetpomp. Hoe verandert de band?

2 Wat meet de meter die op een fietspomp staat?

3 In welke eenheid wordt dat gemeten?

4 Hoe verandert de druk tijdens het oppompen?

OPDRACHT 6

Bestudeer het gedrag van gasdeeltjes.

1 Hoe ontstaat de druk in een gas volgens jou? Formuleer een hypothese.

2 Bestudeer het gedrag van de deeltjes met de applet.

• Open ‘Ontdek’.

• Pomp deeltjes in het vat.

• Klik ‘Botsingteller’ aan.

• De tijd is weergegeven als 10 ps = 10 picoseconden (= 10 · 10–12 s). Omdat de deeltjes heel snel bewegen, wordt de beweging sterk vertraagd.

• Bestudeer de druk en het aantal botsingen (voor 10 ps).

• Herhaal met meer deeltjes.

OPDRACHT 6 (VERVOLG)

3 Hoe kun je het ontstaan van druk verklaren met het deeltjesmodel?

Duid de juiste uitspraken aan.

De deeltjes zitten allemaal tegen elkaar en oefenen daardoor een drukkracht uit op de wand.

De deeltjes bewegen heel snel.

De deeltjes botsen tegen de wand.

De deeltjes worden aangetrokken tot de wand.

De druk ontstaat door botsing van de deeltjes tegen de wand.

De druk ontstaat door botsing van de deeltjes tegen elkaar.

4 Vergelijk je hypothese met je besluit.

Gasdeeltjes kunnen in een afgesloten ruimte vrij bewegen. Op elk moment botsen een groot aantal gasdeeltjes tegen de wanden. Tijdens de botsing oefenen ze een kracht uit op de wanden. Er ontstaat een druk op elke wand.

De druk in een gas meet je door het vat waarin het gas zit, aan te sluiten op een drukmeter of manometer. Een drukmeter om de luchtdruk te meten, is een barometer.

De druk in een gas is groot. Daarom gebruikt men vaak de hulpeenheden bar en millibar

1 bar = 1 ∙ 105 Pa

1 mbar = 1 ∙ 10–3 bar = 1 · 10-3 · 105 Pa = 1 ∙ 10² Pa = 1 hPa

Door de druk van de botsende gasdeeltjes ontstaat er een kracht op de wanden.

p = F A => F = p => A

VOORBEELD DRUK VAN GASSEN IN EEN BALLON

• Als de druk groot is, moet het vat uit een stevig materiaal gemaakt zijn om niet te vervormen door die kracht. Gassen worden gestockeerd in metalen gasflessen. Tijdens het vullen wordt een grote hoeveelheid gas samengeperst in een metalen fles. De druk in een pas gevulde gasfles kan oplopen tot 300 bar = 30 MPa = 30,0 · 106 Pa.

• Bij een vervormbaar systeem zorgt de kracht ervoor dat het gas zijn maximale volume inneemt. Een ballon, een fietsband, de longen … zetten uit, totdat de resulterende kracht op de wand nul is.

In het menselijk lichaam ontstaat een gasdruk in de ademhalingsorganen, die schommelt rond de 1 bar. Het zuurstofgas van de ingeademde lucht komt terecht in de longblaasjes. In die miniballonnetjes botsen de zuurstofdeeltjes tegen de wanden, waardoor ze hun maximale volume bereiken.

LONGEN

OPDRACHT 7

Los het vraagstuk op.

Een duikfles wordt gevuld tot een druk van 230 bar en is afgesloten met een schroefdop (diameter 5,0 cm).

Bereken het oppervlak van en de kracht op de schroefdop.

Druk in een gas ontstaat door de botsingen van de gasdeeltjes tegen de wanden Voor gasdruk gebruikt men vaak de hulpeenheid bar: 1 bar = 105 Pa.

longblaasjes

OPDRACHT 8

Bestudeer de invloed van de temperatuur op de gasdruk.

Ga op zoek naar de temperatuur (in °C) waarbij de druk nul wordt.

a Waar ligt die temperatuur volgens jou?

rond 20 °C

rond 0 °C

veel lager dan 0 °C

b Test uit met de applet.

c Bij welke temperatuur wordt de druk nul?

verwarmingstoestel

Afb. 85

De gemiddelde snelheid van de deeltjes is een maat voor de temperatuur.

• Hoe hoger de temperatuur, hoe sneller de gasdeeltjes bewegen.

Daardoor botsen ze meer en harder tegen de wanden. De druk stijgt.

• Hoe lager de temperatuur, hoe trager de gasdeeltjes bewegen.

Daardoor botsen ze minder vaak en minder hard tegen de wanden.

De druk daalt.

Als de temperatuur –273,15 °C is, bewegen de deeltjes niet meer.

Ze kunnen niet meer botsen tegen de wanden. De druk is nul.

Het punt waarbij de druk nul is, noem je het absolute nulpunt

Het absolute nulpunt wordt gekozen als nulpunt voor een nieuwe temperatuurschaal, de absolute temperatuurschaal of kelvinschaal. Dat is de basisgrootheid, met als symbool T en als SI-eenheid de kelvin.

©VANIN

Grootheid met symbool Eenheid met symbool temperatuur i graad Celsius°C

Basisgrootheid met symbool SI-eenheid met symbool temperatuur T kelvin K

Het verband tussen de temperatuur i in °C en de temperatuur T in K is gegeven door:

i = (T – 273,15) °C en T = (i + 273,15) K

Een temperatuurverschil ∆i van 1 °C komt overeen met een temperatuurverschil ∆T van 1 K op de kelvinschaal. Dat is zo omdat ze dezelfde schaalverdeling hebben.

Bij –273,15 °C bewegen deeltjes niet. De gasdruk is nul.

Dat is het absolute nulpunt.

De kelvinschaal is een temperatuurschaal ten opzichte van het absolute nulpunt.

Het verband tussen de temperatuur i in °C en de temperatuur T in K is gegeven door:

i = (T – 273,15) °C en T = (i + 273,15) K

` Maak oefening 8, 9 en 10 op p. 133-134.

2.3 Atmosferische druk

Het zwaarteveld van een planeet trekt gassen naar zich toe, waardoor de planeet omhuld wordt met een dunne laag gassen. Dat is de atmosfeer.

Rondom de aarde bevindt zich een luchtlaag met een dikte van ongeveer 1 000 km. Lucht is een mengsel van gassen (voornamelijk stikstofgas en zuurstofgas), en oefent door de botsingen van die gasdeeltjes druk uit op alle voorwerpen in de atmosfeer van de aarde. De druk van de lucht noem je de luchtdruk of de atmosferische druk, met als symbool patm

De grootte van de atmosferische druk wordt bepaald door de luchtkolom die zich boven die plaats bevindt. De atmosferische druk op de Mount Everest is kleiner dan op zeeniveau.

©VANIN

Door de weersomstandigheden treden er variaties op.

De gemiddelde waarde van de atmosferische druk op zeeniveau is:

p0 = 1,013 bar = 1,013 ∙ 105 Pa = 1 013 hPa

Dat noem je de normdruk. In de praktijk rondt men de normdruk vaak af tot 1 bar.

De atmosferische druk ontstaat door de lucht die zich rondom de aarde bevindt. Het gewicht van de bovenliggende luchtdeeltjes bepaalt de grootte van de atmosferische druk.

De normdruk is de gemiddelde atmosfeerdruk op zeeniveau:

p0 = 1,013 bar = 1,013 ∙ 105 Pa = 1 013 hPa

luchtkolom boven

Mount Everest luchtkolom boven zeeniveau

zeeniveau

Grafiek 1

2.4 Over- en onderdruk

OPDRACHT 9

Bestudeer de drie afbeeldingen.

1

H / L

©VANIN

H / L

je blaast een ballon op

2

H / L H / L

je duwt op een spuitbus

3

H / L

H / L

je zuigt aan een rietje

1 Waar is er een hoge druk (H) en waar een lage druk (L)? Duid aan.

2 Teken met een pijl hoe de deeltjes bewegen.

3 Hoe ontstaat er stroming?

In het luchtledige of vacuüm zijn er geen gasdeeltjes. De druk is nul. Zodra er deeltjes zijn en T > 0 K, ontstaat er een gasdruk.

Absolute druk is gemeten ten opzichte van het absolute luchtledige. De normdruk (p0 = 1 013 hPa) is een absolute druk.

Relatieve druk is de gasdruk in vergelijking met een andere gasdruk

• overdruk: De gasdruk is groter dan de druk in de omgeving.

De relatieve druk is positief.

• onderdruk: De gasdruk is kleiner dan de druk in de omgeving

De relatieve druk is negatief.

Vaak wordt de druk vergeleken met de normdruk. Als er een over- of onderdruk is in een systeem en de verbinding open is, ontstaat er stroming.

VOORBEELD ADEMHALING BIJ ZOOGDIEREN

Zoogdieren ademen in door hun borstholte te vergroten en zo in hun longen een onderdruk te creëren ten opzichte van de buitendruk. Uitademen gebeurt door de borstholte kleiner te maken en zo een overdruk te creëren.

INADEMEN

OPDRACHT 10 DOORDENKER

onderdruk overdruk

UITADEMEN

Bestudeer het historische experiment van de Maagdenburgse halve bollen.

1 Bekijk het experiment.

a Sluit de twee halve bollen op elkaar aan, zodat ze luchtdicht zijn afgesloten.

b Sluit een vacuümpomp aan op het voorziene kraantje en zuig de lucht gedurende één minuut uit de bollen.

c Draai het kraantje toe en ontkoppel de pomp.

d Probeer de bollen uit elkaar te trekken.

atmosferische druk onderdruk

Maagdenburgse halve bollen

video: ademen

OPDRACHT 10 (VERVOLG) DOORDENKER

2 Wat stel je vast?

3 Verklaar

0

In een vacuüm zijn er geen of weinig gasdeeltjes.

Er is een grote onderdruk. Dat zorgt voor een grote kracht met een richting in de zin van de overdruk naar de onderdruk en een grootte

F = ∆p A = pover – ponder A

Die kracht wordt in het dagelijks leven de zuigkracht genoemd (terwijl er eigenlijk een duwkracht wordt uitgeoefend door de omliggende lucht).

Op afbeelding 90 zie je de kracht op een zuignap met oppervlakte A

VOORBEELD KRACHT DOOR EEN ONDERDRUK

• Boomkikkers kunnen zich vasthechten aan oppervlakken en zelfs ondersteboven hangen door de zuignapjes aan hun poten. Diezelfde techniek gebruikt men om zware voorwerpen op te tillen met zuignappen.

• In een stofzuiger (Engels: vacuum cleaner) wordt een grote onderdruk gecreëerd, waardoor je voorwerpen kunt optillen.

1 2 3

Er is overdruk als de gasdruk groter is dan de druk in de omgeving. Er is onderdruk als de gasdruk kleiner is dan de druk in de omgeving

Men vergelijkt de druk vaak met de normdruk.

Als er een over- of onderdruk is, ontstaat er een kracht F = ∆p ∙ A

Bij een open verbinding ontstaat er stroming.

` Maak oefening 11 en 12 op p. 134.

KERNBEGRIPPEN

druk drukkracht

NOTITIES

• De grootheid druk is de maat voor .

Grootheid met symbool SI-eenheid met symbool

Als een drukkracht uitgeoefend wordt op een oppervlak met grootte A, wordt het oppervlak ingedrukt.

– Bij een

contactoppervlak is het effect groot.

Er ontstaat een druk.

– Bij een

druk in een gas

absolute nulpunt

atmosferische druk over- en onderdruk

contactoppervlak is het effect klein.

Er ontstaat een druk.

• De druk in een gas ontstaat door Voor de gasdruk gebruikt men vaak de hulpeenheid bar: 1 bar =  .

• Temperatuur is een maat voor de van de deeltjes.

• Bij i = °C bewegen de deeltjes niet. De gasdruk is . Dat is het absolute nulpunt.

Grootheid met symbool Eenheid met symbool temperatuur graad Celsius

Basisgrootheid met symbool SI-eenheid met symbool temperatuur

• De atmosferische druk ontstaat door die zich rondom de aarde bevindt. De is de gemiddelde atmosfeerdruk op zeeniveau: p0 = 1,013 bar = Pa = hPa

De atmosferische druk neemt met de hoogte.

• Er is als de gasdruk groter is dan de druk in de omgeving.

Er is als de gasdruk kleiner is dan de druk in de omgeving.

Men vergelijkt de druk vaak met de .

Als er een over- of onderdruk is, ontstaat er een kracht F =  .

Bij een open verbinding ontstaat er Geef een eigen voorbeeld van de verschillende fenomenen.

Fenomeen

Voorbeeld aanpassing om een grote druk te bekomen aanpassing om een kleine druk te bekomen een druk in een gas

lage atmosferische druk

1 Begripskennis

• Ik kan de druk op een oppervlak omschrijven.

• Ik kan de druk op een oppervlak berekenen.

• Ik kan aanpassingen om de druk te verhogen of te verlagen, toelichten.

• Ik kan de druk in een gas omschrijven.

• Ik kan het verband tussen de snelheid van de deeltjes en de temperatuur omschrijven.

• Ik kan het absolute nulpunt omschrijven

• Ik kan temperatuur omzetten naar de kelvinschaal.

• Ik kan het ontstaan van atmosferische druk omschrijven

• Ik kan over- en onderdruk omschrijven

• Ik kan de kracht die ontstaat door over- en onderdruk, berekenen.

• Ik kan het ontstaan van stroming omschrijven

2 Onderzoeksvaardigheden

• Ik kan een onderzoek stap voor stap uitvoeren

• Ik kan samenwerken om tot onderzoeksresultaten te komen.

• Ik kan nauwkeurig berekeningen uitvoeren

` Je kunt deze checklist ook op invullen.

JANOG OEFENEN

Zit je vast bij een oefening?

Misschien helpt het vademecum op je weer op weg!

Je verplaatst een stoel van een stenen terras naar het gras.

Welke uitspraak is correct? Duid aan.

De druk van de stoel is in beide situaties even groot.

De druk van de stoel is groter op het gras.

De druk van de stoel is kleiner op het gras.

De stoel oefent geen druk uit op het terras.

Trekkersrugzakken hebben bredere schouderriemen dan zwemzakjes. Verklaar.

Zet de druk om naar de gevraagde eenheid.

• p = 5,3 Pa = N m2

• p = 40 N cm2 = N m2 = Pa

• p = 1,8 kN m2 = N m2 = Pa = kPa = hPa

• p = 3,0 10‒5 kN dm2 = N m2 = Pa

• p = 1 013 hPa = Pa = N m2

Vervolledig de tabel met de (omgevormde) formule in symbolen en het berekende eindresultaat.

Een persoon duwt met een kracht van 50 N op een liftknop. Het contactoppervlak tussen duim en knop is 10 cm².

Bereken de druk die ontstaat.

Gegeven:

Gevraagd:

Oplossing:

Op het internet vind je de volgende gegevens over een smartphone terug.

Formaat

Lengte 150,9 mm

Breedte 75,7 mm

Dikte 8,3 mm

Gewicht 164 gram

a Verbeter de fout gebruikte grootheid.

b Bereken de druk in kPa wanneer de smartphone plat op tafel ligt.

Gegeven:

Gevraagd:

Oplossing:

Werk alle vraagstukken uit op een cursusblad met ‘gegeven’, ‘gevraagd’ en ‘oplossing’. Je kunt de oplossingsstrategie en de voorbeeldoefeningen op gebruiken als extra ondersteuning.

Een wagen heeft een massa van 1,20 ton. De druk van elke band op de weg is 300 kPa. Bereken de grootte van het contactoppervlak van elke band met de weg. Schrijf het resultaat in cm².

Gegeven: Gevraagd:

Oplossing:

Rangschik de druk van klein naar groot.

a 100 N cm2 , 5 N dm2 , 20 N m2 , 3 N mm2 , 1 Pa

b 5 N cm2 , 5 kN m2 , 5 Pa, 5 bar, 5 hPa

Zijn de volgende beweringen juist of fout? Verbeter indien nodig.

a Tussen gasmoleculen is er lucht.

b Gasmoleculen hebben een kleine massa.

c De luchtdruk neemt toe met de hoogte.

d De druk in een gas neemt toe met de temperatuur.

e Gasmoleculen hebben snelheid nul bij 0 °C

Zet de temperatuur om naar de andere eenheid.

a kamertemperatuur: i = 20 °C  T = K

b temperatuur vloeibare zuurstof: T = 155 K  i =

c kookpunt alcohol: i = 78,4 °C  T = K

d temperatuur vloeibare stikstof: T = 77,36 K  i = °C

Je laat op kamp de gasfles van het kookvuur openstaan nadat het vuur uit is.

Wat gebeurt er? Duid aan.

Niets.

De fles loopt leeg, totdat er geen deeltjes meer in de fles zitten.

De fles loopt leeg, totdat de druk de atmosferische druk is.

De fles loopt vol, totdat de druk de atmosferische drukw is.

Is er over- of onderdruk in de volgende situaties?

a in een quarantaineruimte voor patiënten die herstellen van een kankerbehandeling:

b in een dampkap:

c in een stofvrije kamer (cleanroom) waar micro-elektronica geproduceerd worden:

d in het reactorgebouw van een kerncentrale:

Meer oefenen? Ga naar .

Wat is druk in en op een vloeistof?

©VANIN

LEERDOELEN

Je kunt al:

M de druk op een oppervlak berekenen;

M de atmosferische druk en over- en onderdruk gebruiken;

M rekenen met massadichtheid;

Je leert nu:

M de druk in een vloeistof omschrijven en berekenen;

M de druk op een vloeistof en toepassingen ervan omschrijven;

Walvissen kunnen ondanks hun kolossale afmetingen en massa probleemloos op grote dieptes zwemmen, welke kant ze ook uit willen.

Hoe komt het dat ze niet platgedrukt worden?

Wat zorgt ervoor dat ze de zwaartekracht kunnen overwinnen? En hoe kunnen we die kennis gebruiken om een duikboot te maken?

In dit hoofdstuk bestudeer je hoe druk ontstaat in een vloeistof, welk effect de omgeving heeft op de totale druk en hoe er door de druk in een vloeistof krachten ontstaan.

1 Wat is druk in een vloeistof?

1.1 Druk in een vloeistof

OPDRACHT 11

Bestudeer de verschillende invloedsfactoren van de druk in een vloeistof.

Tijdens het duiken onder water ervaar je een druk op (het trommelvlies van) je oren. Die druk noem je de hydrostatische druk. De grootte van die hydrostatische druk wordt bepaald door verschillende grootheden.

1 Formuleer een hypothese.

Welke grootheden bepalen volgens jou de grootte van de hydrostatische druk?

2 Bedenk een onderzoeksaanpak. Duid aan.

Je houdt de onderzochte grootheden constant en varieert alle andere.

Je houdt alle grootheden constant, behalve diegene die je bestudeert.

Je varieert alle grootheden tegelijk.

OPDRACHT 11 (VERVOLG)

3 Welke verbanden verwacht je? Duid aan in de kolom hypothese.

a Het verband tussen de diepte en de hydrostatische druk is …

b Het verband tussen de massa van de vloeistof en de hydrostatische druk is …

c Het verband tussen de massadichtheid van de vloeistof en de hydrostatische druk is …

d Het verband tussen de vorm van het vat en de hydrostatische druk is …

HypotheseMeetresultaat

recht evenredig … omgekeerd evenredig … geen verband

recht evenredig … omgekeerd evenredig … geen verband

recht evenredig … omgekeerd evenredig … geen verband

wel een verband … geen verband

recht evenredig … omgekeerd evenredig … geen verband

recht evenredig … omgekeerd evenredig … geen verband

recht evenredig … omgekeerd evenredig

geen verband

wel een verband … geen verband

e Het verband tussen de zwaarteveldsterkte en de hydrostatische druk is …

recht evenredig … omgekeerd evenredig

geen verband

4 Onderzoek de invloed van de verschillende grootheden (aan de hand van de applet, waarbij je ‘atmosferische druk’ uitvinkt).

Duid aan in de kolom meetresultaten.

recht evenredig … omgekeerd evenredig

geen verband

hydrostatische druk

In een vloeistof ontstaat er een druk door het gewicht van de bovenliggende vloeistoflagen.

Die druk noem je de hydrostatische druk, met als symbool phydro

De grootte van de hydrostatische druk wordt bepaald door de grootte van het gewicht van het bovenliggende water. Uit experimenten blijkt:

• De hydrostatische druk neemt recht evenredig toe met de diepte onder het oppervlak.

phydro ~ ℎ

• De hydrostatische druk neemt recht evenredig toe met de massadichtheid van de vloeistof.

phydro ~ tvl

• De hydrostatische druk neemt recht evenredig toe met de zwaarteveldsterkte.

phydro ~ g

Afb. 91

• De massa van een voorwerp kun je berekenen als m = t ∙ V.

• Het volume V van een regelmatig voorwerp kun je berekenen als de oppervlakte van het grondvlak A maal de hoogte ℎ: V = A ∙ ℎ

Bekijk in de animatie hoe groot het gewicht en de druk zijn op verschillende dieptes.

TIP

VOORBEELD HYDROSTATISCHE DRUK BIJ HET ZWEMMEN

Tijdens het zwemmen en duiken ervaar je effecten van de hydrostatische druk:

• Tijdens het duiken voel je pijn aan je oren door de overdruk op je trommelvlies.

• Om diep onder water te zwemmen, heb je een gasfles nodig. Gasflessen creëren een druk in de longen die bestand is tegen de hydrostatische druk. De gasbellen die opstijgen na het uitademen, worden groter naarmate ze opstijgen, doordat de druk van buitenaf kleiner wordt.

In een vloeistof ontstaat er een druk door het gewicht van de bovenliggende vloeistoflagen. Die druk noem je de hydrostatische druk phydro = tvl ∙ g ∙ ℎ

` Maak oefening 1, 2 en 3 op p. 145.

OPDRACHT 12

Los het vraagstuk op.

De aderen van giraffen zijn extra stevig, om de grote hydrostatische druk op te vangen.

Een giraf is 5,5 m groot. De massadichtheid van bloed is 1,050 g cm3 .

Bereken de hydrostatische druk onderaan de poot.

Werk in SI-eenheden.

TIP

1.2 Kracht op een oppervlak door de hydrostatische druk

Uit experimenten en de formule voor de hydrostatische druk kun je de volgende eigenschappen afleiden:

1 De hydrostatische druk werkt in alle richtingen De hydrostatische druk ontstaat door de zwaartekracht, een vectoriële grootheid die verticaal naar beneden werkt. De hydrostatische druk is een scalaire grootheid en werkt dus niet in een specifieke richting en zin.

2 De hydrostatische druk veroorzaakt op elk oppervlak een (druk)kracht F loodrecht op het oppervlak, met als grootte: F = phydro ∙ A

3 De hydrostatische druk en de bijbehorende kracht zijn niet afhankelijk van de hoeveelheid vloeistof en van de vorm van het vat. Enkel de hoogte is van belang.

VOORBEELD HYDROSTATISCHE DRUK EN KRACHT IN HET ZWEMBAD

De hydrostatische druk in een meer, een vijver of een zwembad is op eenzelfde hoogte hetzelfde.

Voorbeeld op 1,0 m diepte: phydro = tvl ∙ g ∙ ℎ = 1 000 kg m3 2 ∙ 9,81 N kg ∙ 1,0 m = 9,8 ∙ 103 N m2 = 9,8 kPa

De hydrostatische druk veroorzaakt een kracht op de wanden.

Die kracht staat loodrecht op de wanden en neemt toe met de diepte.

De hydrostatische druk en de kracht op de wanden zijn onafhankelijk van de vorm van het zwembad en de hoeveelheid water.

TIP

De massadichtheid van water is heel eenvoudig. twater = 1 000  kg m3 = 1  g cm3

Andere waarden kun je opzoeken.

De hydrostatische druk werkt in alle richtingen en is onafhankelijk van de hoeveelheid vloeistof.

De kracht die ontstaat door de hydrostatische druk, staat loodrecht op een oppervlak en heeft als grootte:

F = phydro ∙ A

` Maak oefening 4 op p. 145.

Afb. 92

2 Wat is druk op een vloeistof?

2.1 Wet van Pascal

OPDRACHT 13

Bestudeer het effect van druk op een vloeistof.

1 Welke druk werkt op het sap in een drinkbusje dat halfleeg op tafel staat?

2 Vul de tabel verder aan voor beide manieren.

zuigen aan het rietje duwen op het doosje

Door een onderdruk te creëren.

Door een overdruk te creëren.

Hoe ontstaat de stroming?

Door een onderdruk te creëren.

Door een overdruk te creëren.

• Duid een punt H aan waar de druk hoog is.

• Duid een punt L aan waar de druk laag is.

• Teken een pijl volgens de stroming.

TIP

Om termen op te tellen, zet je ze eerst in dezelfde eenheid.

Een vloeistof is (meestal) omgeven door de atmosfeer. Boven de vloeistof heerst de atmosferische druk. Het effect van de atmosferische druk wordt onverminderd doorgegeven naar elk punt van de vloeistof. Zo ontstaat er in de vloeistof een totale druk

ptot = patm + phydro = patm + tvl ∙ g ∙ h

Op een kleine diepte is de totale druk vergelijkbaar met de normdruk.

VOORBEELD TOTALE DRUK BIJ HET ZWEMMEN

Als je zwemt op 1,0 m diepte, is de hydrostatische druk:

en de totale druk:

ptot = patm + phydro = 101,3 kPa + 9,8 kPa = 111,1 kPa

Als op een vloeistof een drukkracht wordt uitgeoefend, ontstaat er een druk. Net zoals de luchtdruk wordt die druk onverminderd doorgegeven over de hele vloeistof. Dat principe staat bekend als de wet van Pascal. De wet van Pascal is geldig voor vloeistoffen, maar ook voor gassen. Dat kun je verklaren met het deeltjesmodel.

• In een vloeistof zitten de moleculen dicht bij elkaar. Als je op een hoeveelheid vloeistof een druk uitoefent, zal het volume van de vloeistof niet veranderen. De druk die wordt uitgeoefend op een vloeistof, plant zich in alle richtingen ongewijzigd voort, doordat elke molecule een kracht uitoefent op haar buur. Er ontstaat een extra drukkracht op de wanden

©VANIN

95

• In een gas zitten de moleculen ver van elkaar. Als je op een hoeveelheid gas een druk uitoefent, zal het volume van het gas sterk veranderen. De druk die wordt uitgeoefend op een gas, zorgt voor een verhoging van de massadichtheid. Daardoor botsen de deeltjes meer tegen de wanden en ontstaat er een verhoogde gasdruk. Er ontstaat een extra drukkracht op de wanden

96

De grootte van de druk op de vloeistof of het gas bepaalt het waargenomen effect:

• Als er openingen zijn in het vat, spuit de vloeistof of het gas er in alle richtingen even hard uit.

• Het vat kan vervormen of barsten.

Een druk die wordt uitgeoefend op een vloeistof of een gas, plant zich in alle richtingen onverminderd voort. Dat is de wet van Pascal Daardoor is de totale druk in een vloeistof die zich in de atmosfeer bevindt: ptot = patm + phydro = patm + tvl

2.2 Technologische toepassingen

A Uitstroomsnelheid

OPDRACHT 14 DEMO

Bestudeer de uitstroomsnelheid.

1 Bouw met twee identieke petflesjes de opstelling op de afbeelding na.

a Snijd de bodem van de flesjes.

b Bevestig een rietje of een dun glazen buisje door een gaatje in de dop.

c Gebruik rietjes met een duidelijk verschillende lengte.

2 Neem met twee leerlingen elk een flesje.

a Sluit met een vinger het rietje af en vul het flesje met een bekertje water.

b Zet het bekertje onder het rietje.

3 Wat zal er gebeuren als beide leerlingen tegelijk het rietje openen?

Duid je hypothese aan en test uit.

Hypothese Waarneming

Beide flesjes zijn even snel leeg.

Het flesje met het korte rietje is het snelst leeg.

Het flesje met het lange rietje is het snelst leeg.

Beide flesjes zijn even snel leeg.

Het flesje met het korte rietje is het snelst leeg.

Het flesje met het lange rietje is het snelst leeg.

Om vloeistoffen in beweging te brengen, is er een drukverschil nodig. Aangezien de hydrostatische druk afhankelijk is van de hoogte, zorgt een hoogteverschil voor een drukverschil.

• De luchtdruk boven de vloeistof wordt onverminderd doorgegeven, zodat in punt 1:

p1 = patm + phydro = patm + tvl ∙ g ∙ ℎ

• In punt 2 heerst enkel de luchtdruk, zodat in punt 2:

p2 = patm

• Het drukverschil is de hydrostatische druk:

Dp = p1 – p2 = patm + tvl ∙ g ∙ ℎ – patm = tvl ∙ g ∙ ℎ = phydro

Zolang er vloeistof in het vat zit (ℎ > 0), is er een drukverschil en zal het water stromen. Hoe groter het hoogteverschil, hoe groter het drukverschil en hoe groter de uitstroomsnelheid.

Een watertoren staat op de hoogste plaats in de omgeving, om een zo groot mogelijke uitstroomsnelheid te hebben aan de waterkraan.

• Water wordt omhooggepompt naar de watertoren.

• Water stroomt spontaan uit een kraantje.

Afb. 97

B Verbonden vaten

Als er tussen twee vaten die met elkaar verbonden zijn, een drukverschil is, ontstaat er een stroming Als de druk langs beide kanten gelijk is (∆p = 0), is de vloeistof in rust.

Voor een open verbinding tussen twee vaten met dezelfde vloeistof is de hoogte van de vloeistof bij die evenwichtssituatie gelijk. Dat is de wet van de verbonden vaten of de wet van de communicerende vaten.

De vloeistof is in evenwicht, dus er is geen stroming onderaan de buis. Er is dus geen drukverschil tussen de punten 1 en 2 op eenzelfde hoogte in de buis. In beide benen werken (volgens de wet van Pascal) de atmosferische druk en de hydrostatische druk.

Als verschillende buizen verbonden zijn en gevuld worden met dezelfde vloeistof, liggen de vloeistofoppervlakken in hetzelfde horizontale vlak Dat geldt ook als de doorsnede en de vorm van de buizen niet gelijk zijn. De druk op elk horizontaal vloeistofoppervlak is dan in elke buis gelijk.

VOORBEELD ZEENIVEAU

De grootste verbonden vaten zijn de zeëen en oceanen. Onafhankelijk van rotsen en doorgangen in grotten onder water, is het oppervlak overal horizontaal (als je de golven buiten beschouwing laat). Vandaar dat je kunt spreken over het zeeniveau. Dat niveau is overal hetzelfde horizontale vlak.

C Hydraulische pers

Om een kracht te vergroten, gebruikt men vaak een hydraulisch systeem Een hydraulisch systeem bestaat uit:

• een buis die gevuld is met een vloeistof. Meestal gebruikt men olie, omdat olie niet makkelijk bevriest en roest voorkomt bij de gebruikte metalen;

• twee zuigers met een verschillend oppervlak die de buis afsluiten.

We bekijken de werking bij een U-vormige buis.

Afb. 101

Afb. 102

VOORBEELD HYDRAULISCHE PERS

Op de linkse zuiger (A1) wordt een kracht F 1 uitgeoefend. Daardoor ontstaat er een druk p1 op de vloeistof. Die druk plaatst zich onverminderd door naar de rechtse zuiger (wet van Pascal), waardoor er een kracht F2 uitgeoefend wordt op de rechtse zuiger (A2).

Het verband tussen beide krachten kun je afleiden uit de definitie van druk: p2 = p1 (wet van Pascal)

dus F2 A2 = F1 A1

Daaruit volgt: F2 = F 1 ∙ A2 A1

Om de kracht F2 zo groot mogelijk te maken, moet A2 A1 > 1, dus A2 > A1.

Hoe groter de verhouding A2 A1 , hoe meer de kracht vergroot wordt.

Met een hydraulisch systeem wordt een kleine kracht omgezet in een grote kracht. Dat noem je het mechanisch voordeel van het hydraulisch systeem.

De hydraulische pers wordt bijvoorbeeld gebruikt bij kranen en bulldozers om de arm te bewegen, om zware voorwerpen omhoog te krikken (bv. een wagen in een garage) en in remsystemen.

VOORBEELD REMSYSTEEM VAN EEN AUTO

Het remsysteem van een auto bestaat uit een dunne, met olie gevulde buis die afgesloten is door een zuiger verbonden met het rempedaal en door twee zuigers die een kracht uitoefenen op de wielen.

Je duwt met een kracht F het rempedaal in. 1 2

Afb. 104

De wet van Pascal heeft veel technologische toepassingen. Dit zijn drie veelvoorkomende principes die we gebruiken:

1 De uitstroomsnelheid wordt bepaald door het hoogteverschil van de vloeistof (bv. in een watertoren).

2 Als verbonden vaten in evenwicht zijn, is het vloeistofniveau in beide vaten even hoog (bv. in een sluis).

3 Met een hydraulisch systeem kun je de uitgeoefende kracht vergroten (bv. in een remsysteem).

` Maak oefening 5 en 6 op p. 146.

Zit je vast bij een oefening?

Misschien helpt het vademecum op je weer op weg!

Een duiker leest op zijn manometer een hydrostatische druk van 3,0 bar.

Het water waarin hij zwemt, heeft een massadichtheid van 1 000 kg m3 .

Bereken de diepte van de duiker in meter.

Gegeven:

Gevraagd:

Oplossing

Rangschik de volgende situaties volgens toenemende druk op de bodem.

Tijdens het duiken zwemt een duiker horizontaal onder een rots door. Welke uitspraak is correct? Duid aan.

De druk op de duiker blijft gelijk.

De druk op de duiker hangt af van de massadichtheid van de rots.

De druk op de duiker hangt af van de afmetingen van de rots.

De druk op de duiker hangt af van de massadichtheid en de afmetingen van de rots.

Stappen in een zwembad is moeilijker dan in de lucht.

Hoe komt dat? Duid aan.

De kracht door de hydrostatische druk is groter dan de kracht door de atmosfeerdruk.

De kracht door de hydrostatische druk is kleiner dan de kracht door de atmosfeerdruk.

Water oefent een grotere weerstandskracht uit dan lucht.

Water oefent een kleinere weerstandskracht uit dan lucht.

Het maximale waterniveau in een watertoren is 48,0 m hoger dan de badkamerkraan.

De minimale kraandruk is 3,80 ∙ 105 Pa. Bereken …

a de druk aan de kraan als de toren volledig vol is;

b de minimale vulhoog te.

Gegeven:

Gevraagd:

Oplossing:

Verklaar de onderstaande fenomenen.

a Je kunt de deur van een gezonken auto pas openen wanneer de auto volgelopen is met water.

b Als geurafsluiter gebruikt men een sifon.

c De tandpasta komt uit de tube als je achteraan duwt.

Meer oefenen? Ga naar .

KERNBEGRIPPEN

hydrostatische druk

wet van Pascal

NOTITIES

• In een vloeistof ontstaat de hydrostatische druk door van de bovenliggende . phydro = met tvl de en ℎ de

• De hydrostatische druk werkt in elke / verticale richting en is afhankelijk /onafhankelijk van de hoeveelheid vloeistof.

• Een druk die wordt uitgeoefend op een vloeistof of een gas, plant zich onverminderd voort. Dat is de wet van Pascal. Daardoor is de totale druk in een vloeistof die zich in de atmosfeer bevindt:

ptot =

• Dit zijn drie veelvoorkomende technologische toepassingen:

1 De uitstroomsnelheid wordt bepaald door het van de vloeistof (bv. in een watertoren).

2 Als verbonden vaten in evenwicht zijn, is het vloeistofniveau in beide vaten (bv. in een sluis).

3 Met een hydraulisch systeem kun je de uitgeoefende vergroten (bv. in een remsysteem).

Verbind het fenomeen met het voorbeeld.

Fenomeen

F ©VANIN

Voorbeeld

wet van Pascal • • Een zwembad kun je niet laten leeglopen via een stop: je krijgt de stop niet los.

hydrostatische druk • • Als je achteraan op een tube tandpasta knijpt, komt de tandpasta er vooraan uit.

Mijn notities

1 Begripskennis

• Ik kan de druk in een vloeistof omschrijven

• Ik kan de druk in een vloeistof en de bijbehorende kracht berekenen

• Ik kan de wet van Pascal omschrijven.

• Ik kan de totale druk in een vloeistof berekenen

• Ik kan de wet van Pascal toepassen.

2 Onderzoeksvaardigheden

• Ik kan een onderzoek uitvoeren.

• Ik kan verbanden tussen grootheden onderzoeken

• Ik kan samenwerken om tot onderzoeksresultaten te komen.

• Ik kan nauwkeurig berekeningen uitvoeren.

` Je kunt deze checklist ook op invullen.

JANOG OEFENEN

A F

Druk plant zich voort in een vloeistof of een gas.

Een druk die wordt uitgeoefend op een vloeistof of een gas,

plant zich in alle richtingen onverminderd voort.

• In een gas: verhoging van de massadichtheid en drukkr acht op de wanden

• In een vloeistof : drukkracht op de naburige deeltjes en de wanden

Dat is de wet van Pascal . De totale druk in een vloeistof die zich in de atmosfeer bevindt: p tot = p atm + p hydro

Druk De grootheid druk is de maat voor de indrukking.

Grootheid met symbool SI-eenheid met symbool

druk p = F A pascal Pa

Als een kracht  F uitgeoefend wordt op een oppervlak met grootte A , wordt het oppervlak ingedrukt.

• Bij een klein contact oppervlak is het effect groot. Er ontstaat een grote druk.

• Bij een groot contact oppervlak is het effect klein. Er ontstaat een kleine druk.

Druk in een gas

• Ontstaat door de botsing en van gasdeeltjes tegen de wanden.

• Bij T  = 0 K (kelvinschaal) bewegen de deeltjes niet. De gasdruk is nul.

Dat is het absolute nulpunt.

• Atmosferische druk:

–Normdruk (= gemidd elde atmosfeerdruk op zeeniveau):

p 0 = 1,013 bar = 1,013 ∙ 10 5 Pa = 1 013 hPa

–Neemt af met de hoogt e.

Druk in een vloeistof

• Ontstaat door het gewicht van d e bovenliggende vloeistoflagen.

p hydro = t vl ∙ g ∙ ℎ met t vl de massadichtheid van de vloeistof en ℎ de diepte onder het vloeistofoppervlak

• Werkt in alle richting en en is onafhankelijk van de hoeveelheid vloeistof.

Notities

05 MODULE ENERGIEOMZETTINGEN

Stuntman Felix Baumgartner is als eerste skydiver ooit door de geluidsmuur gegaan. Hij sprong naar

beneden vanuit een luchtballon op 37 kilometer hoogte en haalde een snelheid van bijna 1 350 km h

Hij kwam veilig beneden, maar heeft wel aangekondigd dat hij nooit meer zo’n stunt zal doen.

` Hoe kun je uit de energieomzetting de hoogte bepalen om een bepaalde snelheid te krijgen?

` Welke invloed heeft de omgeving op de energieomzetting?

We zoeken het uit!

Wat is mechanische energie?

LEERDOELEN

Je kunt al:

M energievormen en energieomzettingen omschrijven;

M de algemene betekenis van potentiële en kinetische energie omschrijven.

Je leert nu:

M de verschillende vormen van mechanische energie nauwkeurig omschrijven;

M de verschillende vormen van mechanische energie berekenen.

In een pretpark is er heel wat te beleven: de botsauto’s, de vrijevaltoren, de rollercoaster, de amusementskraampjes waar je een leuke prijs kunt verdienen … Een voor een bezorgen ze je een onvergetelijke belevenis. De meeste attracties in het pretpark zijn spectaculair door de hoogte waarop je hangt, de snelheid die je behaalt, of een combinatie van beide.

In dit hoofdstuk bestudeer je hoe de snelheid, de zwaartekracht ven de veerkracht voor energie zorgen. Je leert om de verschillende mechanische energievormen te omschrijven en de grootte ervan te berekenen.

1 Welke vormen van mechanische energie bestaan er?

OPDRACHT 1

Welke energievormen bestaan er?

1 Bestudeer de afbeeldingen met verschillende energievormen.

OPDRACHT 1 (VERVOLG)

2 Vul de tabel aan. Noteer de omschreven energievorm uit de afbeeldingen.

Energievorm Omschrijving Voorbeeld

energie van elektromagnetische straling

energie als gevolg van stofveranderingen

energie als gevolg van een verschil in temperatuur

energie van een bewegend voorwerp

energie die afhangt van een bepaalde positie of toestand

energie door de ladingen van stoffen

in atoomkernen

3 Vul de energieomzettingen aan bij elke situatie.

Situatie

Planten vangen energie op.

Een vrachtwagen vervoert voedsel bergop.

Een supermarkt kost energie, onder andere door de verlichting.

Voedselbereiding kost energie.

Eten geeft energie.

uitgezonden lichtstralen van de zon of van een lamp

De brandstof doet de vrachtwagen rijden.

Het voedsel geeft het meisje energie.

Het kookvuur verwarmt de soep.

De vrachtwagen rijdt.

De jongen beweegt met zijn skateboard.

De jongen is op een hoogte met zijn skateboard.

De lamp verbruikt elektrische energie.

Een kerncentrale verbruikt energie.

Energieomzetting

OPDRACHT 2

Bestudeer de mechanische energie van een voorwerp.

1 Bestudeer de drie afbeeldingen.

2 Duid de juiste uitspraken aan in de tabel.

De botsauto is in beweging.

De zwaartekracht of de veerkracht kan hier een beweging veroorzaken.

De botsauto bezit kinetische energie.

De botsauto bezit potentiële energie.

©VANIN

‘Kinetisch’ komt van het Griekse κινειν (kinein), hetgeen ‘bewegen’ betekent.

‘Potentie’ komt van het Latijnse potens, hetgeen ‘mogelijk, bekwaam’ betekent. Potentie is een synoniem voor mogelijkheid.

Het wagentje is in beweging.

De zwaartekracht of de veerkracht kan hier een beweging veroorzaken.

Het wagentje bezit kinetische energie.

Het wagentje bezit potentiële energie.

De pijl is in beweging.

De zwaartekracht of de veerkracht kan hier een beweging veroorzaken.

De pijl bezit kinetische energie.

De veer bezit potentiële energie.

Een voorwerp bezit energie als het in staat is om een verandering te veroorzaken. Er bestaan verschillende energievormen. Als een voorwerp mechanische energie bezit, kan dat twee dingen betekenen.

1 Het voorwerp beweegt. Het bezit kinetische energie. Om kinetische energie te bezitten, moet het voorwerp een snelheid hebben.

2 Het voorwerp heeft de mogelijkheid om zichzelf of een ander voorwerp in beweging te brengen. Het bezit potentiële energie. Om potentiële energie te bezitten, moet er een kracht inwerken op het voorwerp en moet het voorwerp zich op een bepaalde plaats bevinden. De mogelijke vormen van potentiële energie zijn: —potentiële zwaarte-energie, doordat een massa zich op een bepaalde plaats in een zwaartekrachtveld bevindt. Een andere naam voor de zwaartekracht is ‘gravitatie’. Potentiële zwaarte-energie wordt daarom ook potentiële gravitatie-energie genoemd; —potentiële elastische energie, doordat een veer opgespannen is.

S Afb. 106

S Afb. 107

S Afb. 108

VOORBEELD MECHANISCHE ENERGIE IN HET PRETPARK

We bekijken als voorbeeld de mechanische energie van enkele pretparkattracties.

• De botsauto’s zijn in beweging. Ze bezitten kinetische energie. De zwaartekracht werkt in op de botsauto’s, maar doordat ze op een horizontale ondergrond bewegen, is er geen verticale beweging mogelijk door de zwaartekracht. De potentiële zwaarte-energie is nul.

E pot, g = 0

Ekin aanwezig

©VANIN

• Voordat het wagentje in een vrijevaltoren losgelaten wordt, is het in rust op het hoogste punt. De kinetische energie is nul. De zwaartekracht werkt in op het wagentje, en het wagentje bevindt zich niet op het laagste punt. Het wagentje bezit potentiële zwaarte-energie. Zodra de remmen gelost worden, zal het verticaal naar de grond (het laagste punt) bewegen door de zwaartekracht.

Ekin = 0

E pot, g aanwezig

S Afb. 110

Het wagentje bezig potentiële zwaarte-energie. Het wagentje komt in beweging.

Ekin aanwezig

E pot, g aanwezig (neemt af)

• Voordat je de elastiek tijdens het boogschieten loslaat, is het systeem pijl-elastiek in rust. De kinetische energie is nul. De veerkracht werkt in op de uitgerekte elastiek. De elastiek is opgespannen, waardoor de pijl in beweging komt zodra je de elastiek loslaat. De elastiek bezit potentiële elastische energie.

Ekin = 0

Epot, el aanwezig

Ekin aanwezig

Epot, el aanwezig (neemt af)

S Afb. 111

De elastiek bezit potentiële elastische energie. De pijl komt in beweging.

v2 S Afb. 109

Er zijn twee vormen van mechanische energie:

1 kinetische energie: energie doordat een voorwerp een snelheid heeft;

2 potentiële energie: energie doordat er een kracht inwerkt op een voorwerp en het voorwerp zich op een bepaalde plaats bevindt.

` Maak oefening 1 en 2 op p. 165.

2 Hoe groot is de kinetische energie?

OPDRACHT 3

Bestudeer de grootte van de kinetische energie wanneer je met een bal gooit.

1 Welke energieomzetting gebeurt er wanneer je de blikjes omgooit? Vul aan.

van de bal

→ van de blikjes

2 Hoe beïnvloeden de massa en de snelheid de manier waarop de toren van gestapelde blikjes omvalt? Duid je waarnemingen aan.

Waarneming

• Hoe groter de massa van de bal, hoe makkelijker / moeilijker de blikjes omvallen.

• Hoe groter de snelheid van de bal, hoe makkelijker / moeilijker de blikjes omvallen.

• Als je de massa verhoog t, heeft dat minder / meer effect dan wanneer je de snelheid verhoogt.

De kinetische energie van een voorwerp is de energie die het voorwerp heeft doordat het in beweging is. Door de kinetische energie kan het voorwerp andere voorwerpen in beweging brengen

De grootheid kinetische energie wordt voorgesteld met het symbool Ekin. De kinetische energie hangt af van de massa (m) en de grootte van de snelheid (v):

De kinetische energie neemt recht evenredig toe met de toenemende massa.

Ekin ~ m

De kinetische energie neemt recht evenredig toe met de toenemende snelheid in het kwadraat.

Ekin ~ v2 Ekin m

2 nauwkeurig (theoretisch) onderzoek

S Afb. 112

De kinetische energie is een scalaire grootheid, met als SI-eenheid de joule. Om de kinetische energie te berekenen, moet je de massa en de snelheid uitdrukken in de SI-eenheid:

• de massa in kilogram;

• de snelheid in meter per seconde.

Je ziet misschien niet onmiddellijk dat de eenheden kloppen. Daarvoor moet je eventjes rekenen.

• De eenheid van kinetische energie is: [Ekin] = [m] ∙ [v2] = 1 kg ∙ (1 m s )2 = 1 kg ∙ m2 s2

• De joule is een afgeleide eenheid: 1 J = 1 N ∙ m.

• De newton is op zijn beurt ook een afgeleide eenheid: 1 N = 1 kg ∙ m s2 .

• Samengevoegd wordt dat: 1 J = 1 kg ∙ m s2 ∙ m = 1 kg ∙ m2 s2

Fris je kennis over grootheden en eenheden op via .

VOORBEELD KINETISCHE ENERGIE VAN BOTSAUTO'S

2 W

De groene botsauto heeft een totale massa van 350 kg en een snelheid van 4,0 m s . De kinetische energie is: Ekin, 1 = 1 2 ∙ m1 ∙ v2 1 = 1 2 ∙ 350 kg ∙ (4,0 m s )2 = 2 800 J = 2,8 ∙ 103 J (= 2,8 kJ)

Je kunt je eindresultaat schrijven met machten van 10 die een veelvoud zijn van 3 (10³, 106, 109 …), of gebruik de overeenkomstige voorvoegsels.

Kilometer per uur ( km h ) is een andere veelgebruikte eenheid van snelheid. 1,0 m s 3,6 km h : 3,6 ∙ 3,6 TIP

De rode botsauto heeft een kleinere totale massa van 280 kg, maar rijdt sneller, met een snelheid van 5,0 m s De kinetische energie is:

Ekin, 2 = 1 2 ∙ m2 ∙ v2 2 = 1 2 ∙ 280 kg ∙ (5,0 m s )2 = 3 500 J = 3,5 ∙ 103 J (= 3,5 kJ)

De richting en de zin van de snelheid hebben geen invloed op de grootte van de kinetische energie. Aangezien de kinetische energie van de rode auto het grootst is, is de impact van de botsing van de rode botsauto groter.

1

Afb. 113 De massa en de snelheid van de botsauto’s bepalen de grootte va de kinetische energie.

Een bewegend voorwerp bezit kinetische energie. Hoe groter de snelheid v en de massa m van dat voorwerp, hoe groter de kinetische energie.

Grootheid met symbool

Eenheid met symbool kinetische energie Ekin = 1 2 m v² joule J (= kg ∙ m2 s2 )

` Maak oefening 3 t/m 7 op p. 165-167.

©VANIN

3

Hoe groot is de potentiële energie?

3.1 Potentiële zwaarte-energie

OPDRACHT 4

Bestudeer de grootte van de potentiële zwaarte-energie bij een splash.

1 Welke energieomzettingen gebeuren er tijdens de afdaling van een bootje dat vertrekt vanop het hoogste punt? Vul aan. van het bootje bovenaan

→ van het bootje onderaan de splash

→ van het water onderaan de splash

2 Verklaar met je eigen er varingen van een pretparkbezoek.

a de invloed van de massa op de potentiële energie:

b de invloed van de hoogte op de potentiële energie:

De grootheid potentiële zwaarte-energie (of potentiële gravitatie-energie) van een voorwerp is de potentiële energie die het voorwerp heeft doordat het zich op een bepaalde hoogte in het zwaartekrachtveld bevindt.

Door zijn potentiële energie als gevolg van de hoogte is het voorwerp in de mogelijkheid om zelf in beweging te komen en zo andere voorwerpen in beweging te brengen.

De grootheid potentiële zwaarte-energie wordt voorgesteld met het symbool E pot, z. De potentiële zwaarte-energie hangt af van de massa (m), de hoogte (ℎ) en de zwaarteveldsterkte (g):

De potentiële zwaarte-energie neemt recht evenredig toe met de toenemende massa.

E pot, z ~ m

De potentiële zwaarte-energie neemt recht evenredig toe met de toenemende zwaarteveldsterkte.

E pot, z ~ g

De potentiële zwaarte-energie neemt recht evenredig toe met de toenemende hoogte.

E pot, z ~ ℎ

©VANIN

E pot, z ~ m g ℎ

E pot, z = m g ℎ nauwkeurig (theoretisch) onderzoek

Daarbij is de hoogte h de afstand tot het laagste punt waar het voorwerp naartoe kan bewegen. De hoogte h = 0 m moet je vastleggen bij elke beweging die je bestudeert. Je noemt dat de referentiehoogte

De potentiële zwaarte-energie is een scalaire grootheid, met als SI-eenheid de joule. Om de potentiële zwaarte-energie te berekenen, moet je de massa en de hoogte uitdrukken in de SI-eenheid: • de massa in kilogram; • de hoogte in meter.

VOORBEELD POTENTIËLE ENERGIE IN EEN VRIJEVALTOREN

We bekijken het voorbeeld van de vrijevaltoren met een hoogte van 120,0 m.

ℎ1 = 0 m

ℎ2 = 120,0 m

ℎ3 = 60,0 m

115 De massa en de hoog te van het wagentje bepalen de grootte van de potentiële zwaarte-energie.

De hoogte van het wagentje verandert tijdens de rit op de attractie: het wagentje wordt eerst omhooggehesen en daarna vanaf het hoogste punt losgelaten.

We duiden het laagste punt van het wagentje (m = 780 kg) aan als ℎ = 0 m en bekijken de potentiële zwaarteenergie op drie plaatsen ten opzichte van de referentiehoogte.

• Het wagentje staat op de grond vóór vertrek:

E pot, z, 1 = m ∙ g ∙ ℎ1 = 0 J

• Het wagentje staat klaar om losgelaten te worden:

E pot, z, 2 = m ∙ g ∙ ℎ2 = 780 kg ∙ 9,81 N kg

• Het wagentje is tot op halve hoogte gevallen:

E pot, z, 3 = m ∙ g ∙ ℎ3 = 780 kg ∙ 9,81 N kg ∙ 60,0 m = 459 108 N ∙ m = 459 ∙ 103 J (= 459 kJ)

Bij vertrek bezit het wagentje geen potentiële zwaarte-energie, omdat het zich op het laagste punt van de beweging bevindt. De potentiële zwaarte-energie is maximaal bovenaan de toren. Als de hoogte halveert, halveert de potentiële zwaarte-energie. Door de grote massa van het wagentje en de grote hoogte van de toren is die potentiële zwaarte-energie heel groot.

Een voorwerp op een zekere hoogte in het zwaartekrachtveld bezit potentiële zwaarte-energie (potentiële gravitatie-energie). Hoe groter de hoogte ℎ (boven de referentiehoogte ℎ = 0 m), de massa m van het voorwerp en de zwaarteveldsterkte g, hoe groter de potentiële zwaarte-energie van het voorwerp.

Grootheid met symbool Eenheid met symbool potentiële zwaarte-energie E pot, z = m ∙ g ∙ ℎ joule J (= N ∙ m)

` Maak oefening 8 t/m 10 op p. 167-168.

S Afb.

3.2 Potentiële elastische energie

OPDRACHT 5 ONDERZOEK

Onderzoek de grootte van de potentiële elastische energie.

1 Welke energieomzetting gebeurt er tijdens het boogschieten? Vul aan. van de boog → van de pijl

2 Hoe zou jij de grootste snelheid geven aan de pijl?

©VANIN

3 Test uit met een elastiek en een propje papier.

De grootheid potentiële elastische energie van een veer is de potentiële energie die de veer bezit doordat ze over een bepaalde lengte is uitgerekt of ingedrukt. Door die potentiële energie is de veer in de mogelijkheid om andere voorwerpen in beweging te brengen.

De combinatie van de veer en het voorwerp dat de veer in beweging kan brengen, noem je een systeem. De grootheid potentiële elastische energie van een systeem wordt voorgesteld met het symbool E pot, e.

De potentiële elastische energie hangt af van de veerconstante (k) en de lengteverandering (∆l):

De potentiële elastische energie neemt recht evenredig toe met de toenemende veerconstante.

E pot, e ~ k

De potentiële elastische energie neemt recht evenredig toe met de toenemende lengteverandering in het kwadraat.

E pot, e ~ (∆l)²

nauwkeurig (theoretisch) onderzoek

De potentiële elastische energie is een scalaire grootheid, met als SI-eenheid de joule. Om de potentiële elastische energie te berekenen, moet je de veerconstante en de lengteverandering uitdrukken in de SI-eenheid:

• de veerconstante in newton per meter;

• de leng teverandering in meter.

2 k k

©VANIN

W Afb. 117 De uitrekking en de veerconstante van de veer bepalen de grootte van de potentiële elastische energie.

De elastiek van de boog heeft een veerconstante van 324 N m. Je rekt de veer uit om de pijl weg te schieten. De lengteverandering is de afstand tot de evenwichtstoestand van de elastiek.

We bekijken de potentiële elastische energie in twee situaties.

• De elastiek is 15,0 cm uitgerekt.

E pot, e, 1 = 1 2 ∙ k ∙ (∆l1)2 = 1 2 ∙ 324 N m ∙ (0,150 m)2 = 3,65 N ∙ m = 3,65 J

• De elastiek is 30,0 cm uitgerekt.

E pot, e, 2 = 1 2 ∙ k ∙ (∆l2)2 = 1 2 ∙ 324 N m ∙ (0,300 m)2 = 14,6 N ∙ m = 14,6 J

De veer bezit potentiële elastische energie doordat ze uitgerekt is.

Die energie is klein. Ze wordt uitgedrukt in joule (tegenover kilojoule in de vorige voorbeelden).

Als de uitrekking verdubbelt, wordt de potentiële elastische energie vier keer groter.

TIP

Herinner je je nog de veerkracht uit jaar 3?

F v = k · ∆l

k = veerconstante (hoe stijf de veer is), uitgedrukt in N m

∆l = uitrekking van de veer, uitgedrukt in m

Een uitgerekte of ingedrukte veer bezit potentiële elastische energie. Hoe groter de lengteverandering ∆l en de veerconstante k, hoe groter de potentiële elastische energie van de veer.

Grootheid met symbool

Eenheid met symbool potentiële elastische energie E pot, e = 1 2 ∙ k ∙ (∆l)² joule J (= N ∙ m)

` Maak oefening 11, 12 en 13 op p. 169.

Het voorwerp bezit geen . Het voorwerp bezit niet-mechanische . Enkele voorbeelden:

• elektrische energie • stralingsenergie • chemische energie Grootheid met symboolEenheden met symbool energie E jouleJ

©VANIN

Kan het voorwerp andere voorwerpen in beweging brengen?

Het voorwerp bezit . Je kunt die als volgt berekenen: = Het voorwerp bezit . Je kunt die als volgt berekenen: = Het voorwerp bezit . Je kunt die als volgt berekenen: = nee nee

Bevindt het voorwerp zich in een van deze situaties?

• Het heeft een snelheid.

• Het bevindt zich in een zwaart ekrachtveld. • Er werkt veerkr acht op in.

Bevindt het voorwerp zich aan een uitgerekte of ingedrukte veer? nee nee ja ja ja ja

ja

Heeft het voorwerp een snelheid?

Bevindt het voorwerp zich op een bepaalde hoogte in een zwaartekrachtveld?

1 Begripskennis

• Ik kan energieomzettingen omschrijven.

• Ik kan het begrip ‘mechanische energie’ omschrijven

• Ik kan de kinetische energie van een voorwerp omschrijven.

• Ik kan de kinetische energie van een voorwerp berekenen

• Ik kan de potentiële zwaarte-energie van een voorwerp omschrijven

• Ik kan de potentiële zwaarte-energie van een voorwerp berekenen.

• Ik kan de potentiële elastische energie van een veer omschrijven

• Ik kan de potentiële elastische energie van een veer berekenen

2 Onderzoeksvaardigheden

• Ik kan kwalitatieve verbanden afleiden uit experimenten.

• Ik kan de ingenieursnotatie gebruiken.

• Ik kan formules omvormen naar de gevraagde grootheid.

• Ik kan nauwkeurig berekeningen uitvoeren.

` Je kunt deze checklist ook op invullen.

JANOG OEFENEN

©VANIN

a Noteer bij elke situatie het voorwerp dat de energie bezit.

b Noteer de situatie(s) waarin …

• het voorwerp kinetische energie bezit:

• het voorwerp potentiële zwaarte-energie bezit:

• het voorwerp potentiële elastische energie bezit:

• het voorwerp geen mechanische energie bezit:

Maak de onderstaande uitspraken correct door ze te vervolledigen met ‘altijd’, ‘soms’ of ‘nooit’.

• Een voorwerp in rust bezit altijd / soms / nooit kinetische energie.

• Een voorwerp in rust bezit altijd / soms / nooit potentiële zwaarte-energie.

• Een voorwerp in rust bezit altijd / soms / nooit potentiële elastische energie.

• Een voorwerp dat aan een veer hangt, bezit altijd / soms / nooit kinetische energie.

• Een voorwerp dat aan een veer hangt, bezit altijd / soms / nooit potentiële zwaarte-energie.

• Een voorwerp dat aan een veer hangt, bezit altijd / soms / nooit potentiële elastische energie.

Gwen gaat joggen met haar hond.

Welke uitspraak is correct? Duid aan.

Gwen en de hond bezitten evenveel kinetische energie.

Gwen bezit meer kinetische energie dan de hond.

Gwen bezit minder kinetische energie dan de hond.

Je hebt te weinig informatie om de kinetische energie van Gwen en de hond te kunnen vergelijken.

Bestudeer de beweging van enkele dieren.

1 een vis (m = 2,3 kg) die met een snelheid van 7,3 m s zwemt

2 een slak (m = 56,0 g) die met een snelheid van 8,0 mm s voortkruipt

3 een jachtluipaard (m = 60 kg) dat met een snelheid van 110 km h een prooi achternazit

a Bereken de kinetische energie van de dieren. Noteer het resultaat in de ingenieursnotatie.

b Vergelijk de energie van de dieren. Komen de verschillen overeen met je verwachtingen?

Welke snelheid heeft een marathonloper (m = 73,2 kg) die een kinetische energie van 1,10 kJ bezit?

Noteer het resultaat in m s en in km h .

Bestudeer de beweging van een blauwe en een groene bowlingbal.

De massa van de blauwe bowlingbal is twee keer groter dan de massa van de groene (mblauw = 2 ∙ mgroen).

Rangschik de situaties volgens toenemende kinetische energie (Ekin).

Een voorwerp heeft bij een snelheid v een kinetische energie Ekin

Bij welke snelheid verdubbelt de kinetische energie? Duid aan.

Verklaar hoe een hagelbui schade kan veroorzaken aan auto’s.

In een sportclub bevinden een aantal ballen zich op verschillende hoogtes. Bestudeer de onderstaande situaties.

1 Een basketbal (m = 0,550 kg) gaat door de ring op een hoogte van 3,05 meter.

2 Een bowlingbal (m = 5,3 kg) rolt horizontaal naar de kegels.

3 Een tennisbal (m = 59,0 g) vliegt 10 cm boven het net van 1,07 m.

a Bereken de potentiële zwaarte-energie van de ballen.

b Welke andere energievorm bezitten de ballen? Verklaar.

Na een maanmissie brachten de astronauten verschillende maanstenen (mbruin = 3 ∙ mzwart) mee naar de aarde. Rangschik de situaties volgens toenemende E pot, z van de stenen.

Welke uitspraken zijn correct? Duid alle mogelijkheden aan.

Elke ingedrukte veer bezit potentiële elastische energie.

Elke uitgerekte veer bezit potentiële elastische energie.

Elke veer bezit potentiële elastische energie.

Elke veer waarop een massa steunt, bezit potentiële elastische energie.

Bereken de potentiële elastische energie van …

a een veer in de fitness (k = 400 N m ) die 0,30 m ingedrukt wordt;

b een veer van een flipperkast (k = 1,20 N cm ) die 3,5 cm uitgerekt wordt.

Na een bungeesprong bezit de elastiek 57,6 J potentiële elastische energie.

Bereken de uitrekking van de elastiek (k = 180 N m ).

` Verder oefenen? Ga naar .

Hoe verandert de energie bij een energieomzetting?

LEERDOELEN

Je kunt al:

M energieomzettingen omschrijven.

Je leert nu:

M de veranderingen van mechanische energie omschrijven en toepassen;

M de veranderingen van energie omschrijven en toepassen;

M de totale mechanische energie berekenen.

De kick in een rollercoaster krijg je wanneer alle remmen gelost worden op het hoogste punt en je vervolgens de topsnelheid bereikt. Maar eerst moeten motoren de wagentjes omhoog slepen. Welke invloed heeft de hoogte op je snelheid? En hoe wordt de elektrische energie van de motoren omgezet in mechanische energie?

In dit hoofdstuk bestudeer je hoe de hoogte en de snelheid met elkaar verbonden zijn, en welke invloed externe factoren, zoals de motoren en de wrijving, hebben op energieomzettingen en de totale energie. Je leert hoe je energie kunt gebruiken om arbeid te verrichten, en hoe groot die arbeid is.

1 Hoe kun je energieomzettingen omschrijven?

OPDRACHT 6

Bestudeer het verschil tussen een systeem en een omgeving.

1 Bestudeer de voorwerpen en hun omgeving.

OPDRACHT 6 (VERVOLG)

2 Vul de tabel aan. A

Het wagentje valt naar beneden.

B

De pijl wordt weggeschoten.

Voorwerp dat je bestudeert:

Omgeving van het voorwerp:

©VANIN

Energieomzetting van dat voorwerp tijdens de val:

Welke energie verbruikt de omgeving om het wagentje omhoog te hijsen?

Welke energie wordt er doorgegeven aan de omgeving wanneer het wagentje remt?

Voorwerp dat je bestudeert:

Energieomzetting van de voorwerpen tijdens het schieten: van → van

Omgeving van het voorwerp:

Welke energie verbruikt de omgeving om de elastiek op te spannen?

Welke energie wordt er doorgegeven aan de omgeving wanneer je raak schiet?

Energie bestaat in heel veel vormen. Er zijn voortdurend energieomzettingen. Om die te bestuderen, kies je een voorwerp of meerdere voorwerpen waarop je je aandacht zult richten. Dat noem je een systeem Alles buiten het systeem noem je de omgeving van het systeem.

Een systeem kan open of geïsoleerd zijn:

• open systeem: Er wordt energie overgedragen tussen het systeem en zijn omgeving

• geïsoleerd systeem: Er wordt geen energie overgedragen tussen het systeem en zijn omgeving.

In werkelijkheid is elk systeem een open systeem. Er is altijd energieoverdracht naar de omgeving. Als de energieoverdracht klein is, kun je het systeem beschrijven als een geïsoleerd systeem. Dat is een model van de werkelijkheid.

VOORBEELD SYSTEEM ROLLERCOASTER

We bekijken als voorbeeld hoe een rollercoaster omhooggetrokken wordt en daarna de achtbaan afdaalt. De rit begint wanneer het wagentje (= systeem) omhooggetrokken wordt. Het krijgt dan potentiële zwaarte-energie. Dat kan nooit spontaan gebeuren.

OPEN SYSTEEM (WERKELIJKHEID)GEÏSOLEERD SYSTEEM (MODEL)

Tijdens de afdaling krijgt het wagentje snelheid en worden de baan en de wielen warm, doordat er wrijving is. Er is een energieomzetting binnen het systeem en een energieoverdracht van het systeem naar de omgeving.

potentiële zwaarte-energie van het wagentje → kinetische energie van het wagentje + warmte van de wielen en de baan

Als je de wrijving verwaarloost, is er geen energieoverdracht naar de omgeving. Het systeem is tijdens de afdaling geïsoleerd.

potentiële zwaarte-energie van het wagentje → kinetische energie van het wagentje

Een systeem is een geheel van een of meerdere voorwerpen. Alles buiten het systeem noem je de omgeving van het systeem.

• Bij een open systeem is er energieoverdracht tussen het systeem en zijn omgeving mogelijk.

• Bij een geïsoleerd systeem is er geen energieoverdracht mogelijk naar de omgeving.

2

Hoe verandert

de

energie in een systeem?

2.1 Behoud van energie bij een geïsoleerd systeem

OPDRACHT 7 ONDERZOEK

Onderzoek wat er met de mechanische energie gebeurt in een geïsoleerd systeem aan de hand van Labo 05 op .

Voor een geïsoleerd systeem waarop alleen de zwaartekracht en/of elastische krachten werken, is er geen wrijving. Er wordt geen energie omgezet naar warmte. Dat betekent dat de totale energie (= kinetische en potentiële energie) constant is gedurende de hele beweging.

E tot = Ekin + E pot = constant

Dat is de wet van behoud van energie voor een geïsoleerd systeem.

Als het geïsoleerde systeem overgaat van een eerste toestand naar een tweede toestand, geldt altijd:

E tot, 1 = E tot, 2 Ekin, 1 + E pot, 1 = Ekin, 2 + E pot, 2

De potentiële energie is daarbij de potentiële zwaarte-energie, de potentiële elastische energie of beide. Dat noem je de energiebalans voor een geïsoleerd systeem.

VOORBEELD BEHOUD VAN ENERGIE BIJ EEN ROLLERCOASTER

We bekijken als voorbeeld twee toestanden tijdens de afdaling van een wagentje op een rollercoaster.

Er zit geen motor in het wagentje en we verwaarlozen de wrijving.

Het systeem is geïsoleerd, dus de mechanische energie wordt behouden.

Er is geen potentiële elastische energie.

Als referentiehoogte voor de potentiële zwaarte-energie kiezen we het laagste punt van de twee toestanden.

De andere hoogte is ℎ1 = 40,0 m. We bestuderen de energieomzettingen binnen het systeem.

©VANIN

1 = 40,0 m

ℎ = 0 m

Toestand 1

Omschrijving van de toestand

Het wagentje bevindt zich op het hoogste punt en heeft geen snelheid.

Toestand 2

Het wagentje bevindt zich op het laagste punt en heeft zijn maximale snelheid.

Energieomzettingen voor het systeem (wagentje) potentiële zwaarte-energie → kinetische energie

De wet van behoud van energie is geldig.

E tot, 1

S Afb. 121

energie op verschillende hoogtes tijdens een rit van de rollercoaster

VOORBEELD BEHOUD VAN ENERGIE BIJ EEN ROLLERCOASTER (VERVOLG)

De totale energie is in elke toestand gelijk. Met de beginhoogte kun je de totale energie van elke toestand bepalen:

E tot, 1 = m ∙ g ∙ ℎ1 = 350 kg ∙ 9,81 N kg ∙ 40,0 m = 1,37 · 105 J (= 137 kJ) = E tot, 2

De grootte van de totale energie is afhankelijk van de massa.

Als het wagentje bij de aankomst tegen het voorliggende wagentje botst, is de impact door een zwaar wagentje groter dan die door een klein wagentje.

©VANIN

De snelheid wordt bepaald door de hoogte van de rollercoaster. Met de hoogte van het hoogste punt (toestand 1) kun je de snelheid op elke andere hoogte (bijvoorbeeld het laagste punt, toestand 2) bepalen.

Snelheid in het laagste punt (toestand 2): m ∙ g ∙ ℎ1 = 1 2 ∙ m ∙ v2 2

Je kunt de massa wegdelen, dus je hebt de massa van het wagentje niet nodig om de snelheid te bepalen.

De snelheid is onafhankelijk van de massa. Het maakt niet uit met hoeveel personen je in het wagentje zit.

Je gaat altijd even snel.

Om de snelheid te berekenen, vorm je het verband om naar de snelheid:

v2 2 = 2 ∙ g ∙ ℎ1, dus

v2 = 2 g ∙ ℎ1 = 2 ∙ 9,81 N kg ∙ 40,0 m = 28,0 m s = 101 km h

TIP

Je kunt ook de energie en de snelheid op een willekeurig punt bepalen. Hoe dat in zijn werk gaat, zie je in het voorbeeld op .

De totale energie van een geïsoleerd systeem waarop alleen de zwaartekracht en/of elastische krachten werken, is constant

Dat betekent dat:

E tot, 1 = E tot, 2

Ekin, 1 + E pot, 1 = Ekin, 2 + E pot, 2

Dat noem je de energiebalans voor een geïsoleerd systeem.

` Maak oefening 1 t/m 4 op p. 183-186.

OPDRACHT 8

Los het vraagstuk op.

Een pijl met een massa van 56,2 gram wordt afgeschoten door een elastiek (k = 224 N m ) en krijgt daardoor een snelheid van 5,4 m s . Hoe ver is de elastiek uitgerekt?

OPLOSSINGSSTRATEGIE

Volg de algemene oplossingsstrategie om vraagstukken op te lossen. Je vindt die op Aandachtspunten wanneer je het behoud van energie toepast:

• Omschrijf en noteer het systeem dat je kiest.

• Omschrijf en noteer de toestanden van het gekozen systeem.

• Schrijf het behoud van mechanische energie op in symbolen.

• Kijk welke vormen van energie nul zijn.

2.2 Behoud van energie bij een willekeurig systeem

OPDRACHT 9

Bestudeer de totale energie van een systeem.

1 Breng een voorwerp in beweging door het vanop een hoogte los te laten.

Een autootje op een helling

Systeem dat je bestudeert

Omgeving van het systeem

2 Wat gebeurt er met de bewegingstoestand van het voorwerp een tijdje nadat je het losgelaten hebt?

• Voorspelling:

• Waarneming:

• Verklaring:

3 Vul de energieomzettingen van het autootje aan met ‘mechanische energie’, ‘chemische energie’ of ‘warmte’.

• Je brengt het autootje omhoog.

• Je laat het autootje los.

van de omgeving → van het systeem

van het systeem → van het systeem en van het systeem en de omgeving

4 Maak de uitspraken correct.

• Er is wel / geen energieoverdracht van het systeem naar de omgeving.

• Het systeem is open / geïsoleerd.

• De totale energie wordt wel / niet behouden.

5 Boots de situatie na in de applet. applet: skateboard

S Afb. 122

In realistische situaties bestaat een geïsoleerd systeem niet. Er zijn altijd vormen van niet-mechanische energie die uitgewisseld worden met de omgeving:

• Er is energieoverdracht van de omgeving naar het systeem: een energiebron levert elektrische, chemische of stralingsenergie die omgezet wordt in (mechanische) energie van het systeem.

• Er is altijd wrijving en luchtweerstand, waardoor er energieoverdracht is naar de omgeving. De wrijvingskrachten veroorzaken warmte

Grootheid met symbool Eenheid met symbool warmte Q joule J

Als het (open of geïsoleerde) systeem overgaat van een eerste toestand naar een tweede toestand, geldt altijd:

E tot, 1 = E tot, 2 of E tot = constant

Dat noem je de energiebalans

Dat is de wet van behoud van energie. Energie wordt niet bijgemaakt en gaat niet verloren. Energie kan omgezet worden van de ene vorm naar de andere, of kan van één systeem overgedragen worden aan een ander.

VOORBEELD BEHOUD VAN ENERGIE BIJ EEN ROLLERCOASTER

We bekijken als voorbeeld een wagentje op een rollercoaster.

• Motoren slepen het wagentje omhoog. De elektrische energie van de motoren wordt overgedragen aan het wagentje. Op het hoogste punt heeft het wagentje potentiële zwaarte-energie (in punt 1).

Totale energie op verschillende hoogtes tijdens een rit van de rollercoaster

• Tijdens de eerste afdaling (tussen punt 1 en punt 2) werkt naast de zwaartekracht ook de wrijvingskracht in op het wagentje. Een deel van de mechanische energie wordt omgezet in warmte: de baan en het wagentje worden warm. De warmte neemt toe met de lengte van het afgelegde traject. Het systeem is open, dus de totale energie wordt behouden:

E tot = constant

Als referentiehoogte voor de potentiële zwaarte-energie kiezen we het laagste punt van de twee toestanden. We bestuderen de totale energie in de twee toestanden door de energiebalans uit te werken.

Toestand 1

Het wagentje bevindt zich op het hoogste punt en heeft geen snelheid.

Toestand 2

Het wagentje bevindt zich op het laagste punt en heeft zijn maximale snelheid.

potentiële zwaarte-energie → kinetische energie en warmte

E tot, 1 Emech, 1

E tot, 2 Emech, 2 + Q

∙ v2 2 + Q

Door de energiebalans zie je dat de snelheid op het laagste punt bepaald wordt door de hoogte van de rollercoaster en de ontwikkelde warmte.

Energie wordt niet bijgemaakt en gaat niet verloren. Energie kan omgezet worden van de ene vorm in de andere of kan van één systeem overgedragen worden aan een ander.

De totale hoeveelheid energie is constant: E tot = constant of E tot, 1 = E tot, 2.

Dat noem je de energiebalans.

η is de Griekse letter èta.

2.3 Energiedissipatie

Volgens de wet van behoud van energie wordt de totale energie bij elke energieomzetting behouden. Dat is een van de meest fundamentele wetten uit de fysica: energie kan niet gemaakt en niet vernietigd worden.

Bij een energieomzetting kun je slechts een deel van de energie nuttig gebruiken. De overige energie wordt omgezet in een ongewenste energievorm: warmte

E tot = Enuttig + Q

Daarbij is E tot de startenergie en Enuttig de overgebleven eindenergie die nuttig kan worden gebruikt. De omzetting van energie naar ongewenste energie noem je energiedissipatie

De ongewenste energievorm noemt men in het dagelijks leven een energieverlies.

Het rendement van een energieomzetting is de verhouding tussen de nuttige en de totale energie. Het is een onbenoemd getal dat men meestal uitdrukt met een percentage.

Grootheid met symbool Eenheid met symbool

rendement η = Enuttig Etot geen eenheid (onbenoemd getal)

©VANIN

Bij een energieomzetting kun je slechts een deel van de energie nuttig gebruiken.

Er is energiedissipatie of energieverlies in de vorm van warmte. Het rendement van een energieomzetting is de verhouding tussen de uitgaande nuttige energie en de totale energie. Daarbij is E tot de startenergie en Enuttig de overgebleven eindenergie die nuttig kan worden gebruikt.

Grootheid met symbool Eenheid met symbool

rendement η = Enuttig Etot geen eenheid (onbenoemd getal)

Het rendement ligt altijd tussen 0 (0 %) en 1 (100 %).

` Maak oefening 5 en 6 op p. 186.

OPDRACHT 9

Bestudeer het rendement van verschillende energieomzettingen.

1 Vul de tabel aan.

2 Maak de uitspraken correct door het juiste antwoord aan te duiden.

• Je kunt energie altijd / soms / nooit vernietigen.

• Warmteontwikkeling is altijd / soms / nooit een vorm van energieverlies.

• Bij een efficiënte energieomzetting is het rendement altijd / soms / nooit zo groot mogelijk.

• Het rendement van een energieomzetting is altijd / soms / nooit groter dan 1.

BEHOUD VAN MECHANISCHE ENERGIE

Geldig voor een systeem waar enkel de kracht en de kracht op inwerken.

Er is een energieomzetting binnen het systeem van energie naar (twee soorten van) energie of omgekeerd.

©VANIN

Energie kan niet gemaakt en niet vernietigd worden. Energie wordt …

• naar een binnen het (= voorwerp of aantal voorwerpen);

• naar een ander of de (= alles buiten het systeem).

ENERGIEDISSIPATIE

Bij een systeem waarop, naast de kracht en de veerkracht, ook wrijvingskracht inwerkt, wordt een deel van de energie omgezet in onnuttige

Het is de verhouding tussen de nuttige energie en de totale energie.

Grootheden met symbool

Eenheden met symbool warmte Q jouleJ rendement = Enuttig Etot onbenoemd

Voorbeeld: omzetting van mechanische energie in mechanische energie en warmte

Emech, 1 = + =

1 Begripskennis

• Ik kan een systeem en de omgeving omschrijven.

• Ik kan het begrip ‘behoud van mechanische energie’ omschrijven

• Ik kan het behoud van mechanische energie toepassen.

• Ik kan het begrip ‘behoud van energie’ omschrijven

• Ik kan het behoud van energie toepassen bij een open systeem.

• Ik kan het begrip ‘energiedissipatie’ omschrijven.

• Ik kan het begrip ‘rendement’ omschrijven

• Ik kan het rendement berekenen

2 Onderzoeksvaardigheden

• Ik kan kwalitatieve verbanden afleiden uit experimenten.

• Ik kan formules omvormen naar de gevraagde grootheid.

• Ik kan nauwkeurig berekeningen uitvoeren

` Je kunt deze checklist ook op invullen.

JANOG OEFENEN

Een snowboarder glijdt een helling af via vier verschillende pistes met verschillende moeilijkheidsgraden. Elke piste heeft hetzelfde begin- en eindpunt. Rangschik de gevraagde grootheden van klein naar groot. We verwaarlozen de wrijving.

1 blauwe piste

2 rode piste

3 zwarte piste

4 groene piste

• de potentiële zwaarte-energie van de snowboarder bovenaan:

• de kinetische energie op halve hoogte:

• de eindsnelheid van de snowboarder:

• de tijd die de snowboarder nodig heeft om de helling af te glijden

Astrid (m = 45,0 kg) glijdt van een 10,0 m hoge glijbaan.

Op halve hoogte heeft ze een snelheid van 35,6 km h

Bereken haar snelheid onderaan de glijbaan. Verwaarloos de wrijving.

Nia krijgt een duwtje en schommelt met een maximale snelheid van 5,4 m s .

a Geef twee voorwaarden opdat je Nia kunt beschouwen als een geïsoleerd systeem.

b Noteer de energieomzettingen in symbolen onder de afbeelding.

c Bereken …

• de hoogte waarop Nia losgelaten is;

• de snelheid die Nia heeft op 0,50 m hoogte.

Duid de gegevens aan op de afbeelding.

Iggy heeft zich afgestoten voor een sprong met powerskips.

Door de veer (k = 1,0 kN cm) 13 cm in te drukken, bereikt hij een hoogte van 1,7 m.

Verwaarloos de luchtweerstand.

a Noteer de energieomzetting tussen de lancering en het hoogste punt in symbolen naast de afbeelding.

b Bereken …

• de potentiële elastische energie in het begin;

• de massa van Iggy.

Je laat vier stuiterballen botsen op de grond. Ze kaatsen terug, zoals weergegeven op de afbeelding.

Rangschik de gevraagde grootheden van klein naar groot.

• totale energie:

• nuttige energie:

• energiedissipatie:

• rendement:

Een appel valt van de boom en heeft bij het neerkomen 10 J kinetische energie.

Hoeveel potentiële zwaarte-energie bezat de appel aan de boom? Duid aan.

precies 10 J

meer dan 10 J

minder dan 10 J

onmogelijk te zeggen met deze gegevens

` Verder oefenen? Ga naar

Hoe kan energie gebruikt worden?

©VANIN

LEERDOELEN

Je kunt al:

M het behoud van energie toepassen;

M het rendement berekenen.

Je leert nu:

M de begrippen ‘energieproductie’ en ‘energieverbruik’ omschrijven;

M het vermogen en de verbruikte energie berekenen;

M hoe je duurzaam kunt omgaan met energie.

Om wagentjes omhoog te hijsen, bootjes te laten varen op woeste rivieren of lasershows te organiseren … Overal in het pretpark is er energie nodig. Ook wanneer de honderden medewerkers de attracties aanleggen en aansturen, verbruiken zij energie. Maar om hoeveel energie gaat het eigenlijk? Wat zijn de invloedsfactoren? Hoe produceert men die energie en slaat men ze op?

En hoe kan dat duurzaam gebeuren?

In dit hoofdstuk bestudeer je wat energieproductie betekent, en welke factoren het energieverbruik bepalen.

1 Wat betekenen energieproductie en -verbruik?

OPDRACHT 10

Bestudeer het verschil tussen energieproducenten en energieverbruikers.

1 Stellen de afbeeldingen energieproducenten of energieverbruikers van het pretpark voor?

Noteer onder elke afbeelding ‘producent’ of ‘verbruiker’.

S Afb. 127 Op de parking wekken zonnepanelen elektrische energie op.

S Afb. 128 In het restaurant kun je voedsel kopen om je honger te stillen.

S Afb. 129 De attracties worden elektrisch aangestuurd.

S Afb. 130 Bezoekers wandelen door het pretpark.

2 Omschrijf de begrippen ‘energieproducent’ en ‘energieverbruiker’ met behulp van deze wetenschappelijke begrippen:

arbeid – omgeving – systeem

• Een energieproducent is

©VANIN

• Een energieverbruiker is

. Volgens de wet van behoud van energie kan energie niet gemaakt en niet vernietigd worden. Energie wordt omgezet binnen een systeem of overgedragen van de omgeving naar het systeem (of omgekeerd).

Energieproductie betekent dat energie omgezet wordt naar een energievorm die geschikt is voor gebruik. De energieproducent is de omgeving. Die levert energie aan het systeem. De energieproducent wordt vaak de energiebron genoemd.

Energieverbruik betekent dat energie omgezet wordt. De energieverbruiker is het systeem dat de energie gebruikt.

Mensen zijn energieverbruikers. Om onze organen te laten functioneren, om te bewegen en om te denken, hebben we energie nodig. Die energie nemen we op uit voedsel. Er wordt chemische energie uit de omgeving ‘voeding’ overgedragen aan het systeem ‘mens’.

energieproducent omgeving energieverbruiker

chemische energie systeem

orgaanfuncties, lichaamstemperatuur, bewegen, denken

S Afb. 131 Mensen verbruiken chemische energie om te functioneren.

Een attractie op een pretpark is een energieverbruiker Elektrische energie wordt omgezet naar mechanische energie.

energieproducent omgeving

S Afb. 132

energieverbruiker

elektrische energie mechanische energie systeem

Toestellen verbruiken elektrische energie om te functioneren.

Elektrische energie komt in de natuur niet voor in een bruikbare vorm. Ze wordt op verschillende manieren geproduceerd uit energiebronnen die wel in de natuur voorkomen. Bij de energieproductie vinden er een of meerdere energieomzettingen plaats. Hoe minder tussenstappen er nodig zijn, hoe minder energie er gedissipeerd wordt en hoe hoger het rendement zal zijn.

zon wind water geothermisch biomassa kernenergie gas energiebron

GENERATOR

©VANIN

omzetting naar elektrische energie

omzetting naar warme

omzetting naar bewegingsenergie

W Afb. 133

Verschillende manieren om elektrische energie te produceren

Energie wordt omgezet binnen een systeem of overgedragen tussen de omgeving en het systeem:

• De energieproducent is de omgeving. Die levert energie aan het systeem.

• De energieverbruiker is het systeem. Dat gebruikt de energie om arbeid te verrichten.

` Maak oefening 1 op p. 195.

2 Wat is het vermogen van een energieomzetting?

Het vermogen is de hoeveelheid energie die er in een bepaald tijdsinterval wordt omgezet.

We definiëren de grootheid vermogen met het symbool P (afgeleid van het Engelse Power) als volgt: P = |ΔE| Δt

Vermogen is een scalaire grootheid en is altijd positief.

Het vermogen is dus ook gelijk aan het tempo waarin energie wordt omgezet.

Uit die definitie kun je de eenheid afleiden:

[P] = [ΔE] [∆t] = J s

We definiëren een nieuwe eenheid: de watt (met het symbool W). Die eenheid is vernoemd naar de Schotse ingenieur James Watt.

1 watt = 1 joule 1 seconde of 1 W = 1 J s

Grootheid met symbool SI-eenheid met symbool

vermogen P = |ΔE| Δt watt W (= J s )

De watt is een kleine eenheid: als je 1 kilogram in 1 seconde 0,1 meter verplaatst, produceer je een vermogen van 1 watt. Vaak gebruikt men de grotere hulpeenheden kilowatt en megawatt.

1 kW = 1 ∙ 103 W

1 MW = 1 ∙ 106 W

S Afb. 134

Je kunt het vermogen van een microgolfoven aanpassen.

VOORBEELD VERMOGEN VAN EEN BOUWVAKKER EN EEN TORENKRAAN

We bekijken een bouwwerf op een pretpark. Als er 800 kg stenen naar boven (ℎ = 6,50 m) moeten worden gebracht, is er verandering van potentiële zwaarte-energie:

∆E = Epot, z, eind – Epot, z, begin = m ∙ g ∙ ℎ – 0 = 800 kg ∙ 9,81 N kg ∙ 6,50 m = 5,10 · 104 J (= 51,0 kJ)

De torenkraan gebruikt elektrische energie om de stenen omhoog te heffen en heeft daarvoor 35,0 s nodig. Het vermogen van de torenkraan is:

Pkraan = |ΔE| Δtkraan = 5,10 · 104 J 35,0 s = 1,46 · 103 W (= 1,46 kW)

ℎ = 6,50 m m = 800 kg m = 25,0 kg

S Afb. 135 Een bouwvakker en een torenkraan brengen een pak cement omhoog.

De bouwvakker gebruikt chemische energie om de stenen omhoog te heffen en heeft daarvoor 18,00 min nodig. Hij draagt daarvoor 32 keer een pak van 25,0 kg naar boven. Het vermogen van de bouwvakker is:

Pbouwvakker = |ΔE| Δtbouwvakker = 5,10 · 104 J 18,00 min = 5,10 · 104 J 1 080 s = 47,2 W

De eenheid kilowattuur (kWh) is de energie van een voorwerp dat gedurende 1 uur 1 000 joule per seconde produceert of verbruikt. De eenheid kWh wordt gebruikt voor elektrische toestellen omdat de elektrische energie daar heel groot is. De omzettingsfactor naar joule vind je door een omzetting naar de SI-eenheden te doen:

E = 1 kWh = 1 000 W ∙ 1 h = 1 000 J s ∙ 3 600 s = 3 600 000 J = 3,6 ∙ 106 J (= 3,6 MJ)

De grootheid vermogen is het tempo waarin energie wordt omgezet: P = |ΔE| Δt

Vermogen is een scalaire grootheid en is altijd positief

Grootheid met symbool SI-eenheid met symbool

vermogen P = |ΔE| Δt watt W (= J s )

Veelgebruikte hulpeenheden zijn kilowatt (1 kW = 1 ∙ 103 W) en megawatt (1 MW = 1 ∙ 106 W).

De eenheid kilowattuur (kWh) is de energie van een voorwerp dat gedurende 1 uur 1 000 joule per seconde produceert of verbruikt.

Je kunt dat ook uitdrukken in J:

E = 1 kWh = 1 000 W ∙ 1 h = 1 000 J s ∙ 3 600 s = 3 600 000 J = 3,6 ∙ 106 J (= 3,6 MJ)

` Maak oefening 2 t/m 5 op p. 195-196.

OPDRACHT 11

Los het vraagstuk op.

De stoeltjes van de zweefmolen versnellen in een halve minuut van stilstand tot 35 km h . De maximale massa (als alle stoeltjes bezet zijn) is 3,2 ton.

1 Noteer de energieomzetting.

2 Bereken de maximale kinetische energie en het vermogen van de motor.

VERDIEPING

Bekijk op wat duurzaam omgaan met energie betekent.

KERNBEGRIPPEN

energie

energieproducent energieverbruiker

grootheid vermogen

NOTITIES

Energie wordt binnen een of tussen de omgeving en het systeem:

• De energieproducent is de omgeving. Die

©VANIN

grootheid energie eenheid joule hulpeenheid kWh

Mijn notities

• De energieverbruiker is het systeem. Dat gebruikt de energie.

De vermogen is het tempo waarin energie wordt omgezet:

P =

Vermogen is een grootheid en is altijd .

Grootheid met symbool SI-eenheid met symbool (= )

Veelgebruikte hulpeenheden zijn (1 kW = ) en (1 MW = ).

De kWh is een alternatieve van

1 Begripskennis

• Ik kan de begrippen ‘energieproductie’ en ‘energieverbruik’ omschrijven.

• Ik kan voorbeelden geven van energieproducenten en energieverbruikers.

• Ik kan de energieoverdracht tussen een energieproducent en een energieverbruiker toepassen

• Ik kan het begrip ‘vermogen’ omschrijven

• Ik kan het vermogen berekenen.

• Ik kan het begrip ‘duurzaam omgaan met energie’ omschrijven

• Ik kan de begrippen ‘energie’, ‘rendement’ en ‘vermogen’ toepassen in de context van duurzaam omgaan met energie.

• Ik kan het energieverbruik in realistische toepassingen berekenen

2 Onderzoeksvaardigheden

• Ik kan een onderzoek uitwerken

• Ik kan een onderzoek uitvoeren.

• Ik kan wetenschappelijke inzichten toepassen in een maatschappelijke context.

• Ik kan formules omvormen naar de gevraagde grootheid.

• Ik kan nauwkeurig berekeningen uitvoeren.

` Je kunt deze checklist ook op invullen.

JANOG OEFENEN

Een gezonde levensstijl betekent dat er een evenwicht is tussen de opgenomen energie uit voeding en het energieverbruik via beweging.

a Hoelang moet je elke activiteit uitvoeren om een reep chocolade van 80 g ( 2 256 kJ 100 g ) te verbruiken?

Noteer in de tabel.

Activiteit Energieverbruik (MJ h ) Tijd nodig om chocoladereep te verbruiken t (h) t (min)

b Wat gebeurt er als je de activiteit minder lang uitoefent? Duid aan.

De overtollige energie wordt niet meer opgenomen.

De overtollige energie wordt opgeslagen als vet.

De overtollige energie wordt overgedragen aan de omgeving via de ontlasting.

Tijdens het hoogspringen bereikt Nafi Thiam (m = 69 kg) een hoogte van 1,96 m in 0,70 s.

a Noteer de energieomzetting van Thiam. van Thiam → van Thiam

b Bereken haar vermogen.

Bestudeer de verschillende systemen die arbeid verrichten. Verbind elk systeem met het overeenkomstige vermogen. Gebruik het internet als je twijfelt.

Systeem P

hartspier

piekvermogen topsprinter

auto die vertrekt

vliegtuig dat vertrekt

5 W spaceshuttle die vertrekt

15 W smartphone

Bestudeer de uitspraken. Wie heeft gelijk?

A B C

Het rendement stijgt als we een geschikte pot en een geschikt deksel gebruiken.

Het rendement hangt af van het vermogen van het kookvuur.

Een marathonloper heeft een gemiddeld vermogen van 284 W. Tijdens zijn loop van 4,0 uur verbruikt hij 4,24 kWh energie.

1,3 kW

C

Het rendement van het kookvuur is 100 %, want de geproduceerde energie is warmte.

a Vervolledig de energieomzetting. chemische energie van → energie + energie (bloedsomloop, ademhaling …) + van de loper

b Bereken het rendement.

` Verder oefenen? Ga naar .

Vermogen

©VANIN

Energie

Grootheid met symbool

SI-eenheid met symbool vermogen P watt W (= J s )

De grootheid vermogen is het tempo waarin energie wordt omgezet : P = |Δ E | Δ t

Vermogen is een scalaire grootheid en is altijd positief.

Veelgebruikte hulpeenheden zijn kilowatt

(1 kW = 1 ∙ 10 3  W) en megawatt (1 MW = 1 ∙ 10 6  W).

De kWh (kilowattuur) is een alternatieve eenheid van energie . Duurzaam omgaan met energie

• Energie duurzaam verbruik en door: —de energiev erbruiker zo kort mogelijk te gebruiken (kort tijdsverloop);

—de energie zo nuttig mogelijk t e gebruiken (klein vermogen en groot rendement).

• Energie duurzaam produc eren door: —de beschikbare energie zo nuttig mog elijk te gebruiken (groot rendement); —de afvalstoff en zo beperkt mogelijk te houden.

Grootheid met symboolEenheden met symbool energie E joule kilocalorie kilowattuur J kcal kWh

Verschillende energievormen

• Mechanische energie: —kinetische energie: energie door snelheid

E kin = 1 2 · m · v ² —potentiële zwaar te-energie: energie door plaats in het zwaartekrachtveld

E pot, z = m · g · ℎ —potentiële elastische energie: energie door een uitger ekte of ingedrukte veer

E pot, e = 1 2 · k · (∆ l )²

• Niet-mechanische energie: stralingsenergie, chemische energie, thermische energie (warmt e), vervormingsenergie, kernenergie, elektrische energie

Wet van behoud van energie

Energie kan niet gemaakt en niet vernietigd worden.

Energie wordt:

• omgezet naar een and ere vorm binnen het systeem (= voorwerp of aantal voorwerpen);

• overg edragen naar een ander systeem of naar de omgeving (= alles buiten het systeem).

Geïsoleerd systeem: E mech, 1 = E mech, 2

Open systeem: E mech, 1 = E mech, 2 + Q en = E mech, 2 E mech, 1

De wet van behoud van energie

Een fietser kan energie omzetten, krijgen en afgeven, maar niet maken of vernietigen.

De fietser bezit potentiële zwaarteenergie (= energieproducent). Hij laat zich door de zwaartekracht naar beneden rollen. Hij krijgt kinetische energie: E tot, begin = E tot, eind E pot, z, begin = E kin, eind

Een deel van de energie wordt door wrijving omgezet naar warmte (= energiedissipatie).

©VANIN

Door de berg op te rijden, krijgt de fietser potentiële zwaarte-energie: door de hoogte in het zwaartekrachtveld kan hij beweging veroorzaken.

De fietser bezit chemische energie uit voeding (= energieproducent). Tijdens het fietsen verbruikt hij de energie door arbeid te verrichten:

• Hij krijgt kinetische energie (= energie door d e snelheid).

• Een deel van de energie w ordt door wrijving omgezet naar warmte (= energiedissipatie).

Het rendement van de energieomzetting is: = E nuttig E tot Het vermogen wordt bepaald door de tijd die de fietser nodig heeft: P = |Δ E | Δ t

Notities

Notities