Lucht is een mengsel, geen verbinding
Een mengsel bestaat uit twee of meer stoffen die door elkaar zitten, maar niet door een chemische reactie aan elkaar zijn gebonden. Lucht is een mengsel. Hoe weten we dat?
- De hoeveelheid van elk gas kan veranderen. In een volle kamer zit meer koolstofdioxide in de lucht. Boven zee zit meer waterdamp in de lucht. Een verbinding heeft altijd een vaste samenstelling.
- Elk gas behoudt zijn eigen eigenschappen. Zuurstof in lucht helpt nog steeds bij verbranding. Stikstof in lucht doet dat nog steeds niet.
- De gassen kunnen met natuurkundige methoden worden gescheiden. Als lucht tot ongeveer −200 °C wordt afgekoeld, wordt ze vloeibaar. Warm je haar langzaam op, dan kookt elk gas bij zijn eigen temperatuur weg (gefractioneerde destillatie). Stikstof kookt bij −196 °C, argon bij −186 °C, zuurstof bij −183 °C.
- Gassen mengen tot lucht geeft geen warmte of licht af, anders dan bij het maken van een verbinding.
Welke gassen zitten er in lucht?
In droge, schone lucht (naar volume):
| Gas | Percentage | Belangrijkste taak |
|---|---|---|
| Stikstof, N₂ | ongeveer 78% | Verdunt zuurstof; planten krijgen het via bacteriën in de grond; gebruikt voor kunstmest |
| Zuurstof, O₂ | ongeveer 21% | Ademhaling (respiratie) en verbranding (combustie) |
| Argon, Ar | ongeveer 0,93% | Niet-reagerend edelgas |
| Koolstofdioxide, CO₂ | ongeveer 0,04% | Planten gebruiken het voor fotosynthese; houdt warmte vast |
| Neon, helium, krypton, xenon | kleine sporen | Edelgassen |
Waterdamp staat niet in de tabel omdat de hoeveelheid wisselt: van bijna 0% in een woestijn tot ongeveer 4% in een vochtig regenwoud. Lucht bevat ook stof, pollen en micro-organismen.
Edelgassen: eigenschappen en toepassingen
Helium, neon, argon, krypton en xenon zijn de edelgassen (groep 18). Hun atomen hebben een volle buitenste schil, dus ze reageren bijna nooit. Ze hebben geen kleur en geen geur.
- Argon: vult gloeilampen en beschermt heet metaal tijdens het lassen, zodat het metaal niet verbrandt.
- Helium: heel licht en brandt niet, dus gebruikt in weerballonnen en feestballonnen.
- Neon: gloeit rood-oranje in lichtreclames als er elektriciteit doorheen gaat.
- Krypton en xenon: felle lampen, zoals autokoplampen en vuurtorenlampen.
De zuurstof in lucht meten
Idee: sluit een bekend volume lucht op. Verbruik alleen de zuurstof. Kijk hoeveel het volume krimpt.
Methode 1: roestend ijzer
Duw vochtige staalwol tegen de bovenkant van een maatbuis. Zet de buis ondersteboven in water. Na een paar dagen is het ijzer geroest. Roesten verbruikt zuurstof, dus er stijgt water in de buis om de plaats in te nemen. Het stopt bij ongeveer 1/5 (21%) van het luchtvolume.
Methode 2: brandend fosfor (stolp)
Rood fosfor wordt verbrand in een stolp die in water staat. Het reageert met zuurstof tot een wit vast oxide, dat oplost. Als de stolp afkoelt, stijgt het water ongeveer 1/5 omhoog.
Methode 3: verhit koper en twee spuiten
100 cm³ lucht wordt heen en weer geduwd over heet koper tussen twee gasspuiten. Het koper wordt zwart (koperoxide) doordat het de zuurstof opneemt. Na afkoelen is er ongeveer 79 cm³ over, dus ongeveer 21 cm³ was zuurstof.
Percentage zuurstof = (verbruikt volume ÷ beginvolume) × 100. Het gas dat overblijft laat niets branden: een brandend houtsplinter dooft erin. Dat laat zien dat het vooral stikstof is.
Luchtvervuiling: bronnen, gevolgen en bescherming
Een vervuilende stof is een stof in de lucht die levende wezens of gebouwen schaadt.
| Vervuilende stof | Belangrijkste bron | Gevolg |
|---|---|---|
| Fijnstof (PM2,5, PM10, roet) | Dieselmotoren, verbranden van oogstafval, stof | Dringt diep in de longen door; astma, hartziekte; smog |
| Koolstofmonoxide (CO) | Brandstof verbranden met te weinig lucht; uitlaatgassen | Giftig: het bloed kan geen zuurstof meer vervoeren |
| Zwaveldioxide (SO₂) | Verbranden van kolen en olie met zwavel | Zure regen; ademhalingsproblemen; tast marmer aan |
| Stikstofoxiden (NO, NO₂) | Hete automotoren; elektriciteitscentrales | Zure regen; smog |
| Extra CO₂, methaan | Verbranden van fossiele brandstoffen; landbouw | Houden warmte vast: opwarming van de aarde |
De lucht beschermen
- Gebruik openbaar vervoer, fiets of loop; stap over op elektrische voertuigen en voertuigen op aardgas (CNG).
- Katalysatoren in auto's veranderen CO en NO in CO₂ en N₂.
- Gaswassers halen SO₂ uit de rook van elektriciteitscentrales; gebruik brandstof met weinig zwavel.
- Verbrand geen afval of oogstresten; plant bomen; kijk naar de luchtkwaliteitsindex (AQI) en draag een masker op slechte dagen.
Probeer het thuis
Duw een kleine bal vochtige staalwol (het soort waarmee je pannen schrobt) op de bodem van een hoog glas. Zet het glas ondersteboven in een bord water. Markeer de waterstand met plakband. Kijk na 3 dagen. Het water is ongeveer een vijfde van de luchtruimte omhoog gestegen. Je hebt zojuist de zuurstof in lucht gemeten! (Vraag een volwassene om te helpen; er is geen vuur nodig.)
Belangrijke formules en begrippen
- Lucht naar volume: N₂ ≈ 78%, O₂ ≈ 21%, Ar ≈ 0.93%, CO₂ ≈ 0.04%
- Percentage zuurstof = (volume verbruikte zuurstof ÷ beginvolume lucht) × 100
- Volume van een gas in lucht = totaal volume × (percentage ÷ 100)
- Mengsel: delen niet chemisch gebonden; verhoudingen kunnen veranderen; scheiden met natuurkundige methoden
- Edelgassen (groep 18): He, Ne, Ar, Kr, Xe – volle buitenste schil, heel onreactief
Uitgewerkte voorbeelden
1. Een klaslokaal bevat 200 m³ lucht. Hoeveel daarvan is ongeveer zuurstof?
Zuurstof ≈ 21% van 200 m³ = 0.21 × 200 = 42 m³.
2. Bij de koperproef krimpt 100 cm³ lucht tot 79 cm³. Bereken het percentage zuurstof.
Verbruikte zuurstof = 100 − 79 = 21 cm³. Percentage = 21 ÷ 100 × 100 = 21%.
3. Een buis bevat 50 cm³ lucht. Nadat de staalwol is geroest, is er 40 cm³ gas over. Hoeveel procent van de lucht was zuurstof? Is dat dicht bij de echte waarde?
Verbruikt = 50 − 40 = 10 cm³. Percentage = 10 ÷ 50 × 100 = 20%. Ja, dicht bij 21% (kleine fouten komen door het aflezen van de schaal of doordat het ijzer niet alle zuurstof opnam).
4. Waarom gebruikt men argon in gloeilampen en niet zuurstof?
Zuurstof zou de hete gloeidraad laten branden en breken. Argon is een edelgas: het reageert niet, dus de gloeidraad gaat langer mee.
Veelgemaakte fouten
- Zeggen dat lucht vooral uit zuurstof bestaat. Lucht is vooral stikstof (78%); zuurstof is maar ongeveer 21%.
- Lucht een verbinding noemen. Het is een mengsel: de samenstelling kan veranderen en de gassen kunnen natuurkundig worden gescheiden.
- Denken dat koolstofdioxide een groot deel van lucht is. Het is maar ongeveer 0,04%, ook al is het erg belangrijk voor het klimaat.
- Het eindvolume gebruiken in plaats van het verbruikte volume: % zuurstof = (begin − eind) ÷ begin × 100.