STOFFEN IN HET MILIEU


Inleiding

De aarde is het woonhuis van alle levende wezens die we kennen, inclusief de mens, jij dus ook!
Hou je huis schoon! Verwaarloos het niet; onderhoud het goed; zorg er voor. Je bestaan hangt er van af.
Wij mensen hebben de capaciteiten en verantwoordelijkheden gekregen om dat te doen; we zijn geen redeloze dieren; we hebben verstand gekregen. Gezond Verstand! En dat moet gebaseerd zijn op kennis, kennis van het milieu.
Met dommepraat schieten we niets op.

In deze module kun je wat basiskennis opdoen van de stoffen die zich in ons milieu bevinden. We behandelen alleen maar wat stoffen die voorkomen in ons (leef)milieu en wat eigenschappen daarvan, inclusief enkele stoffen die er eigenlijk niet thuis horen.
Later, in een andere module, zullen we het hebben over allerlei reakties die in ons leefmilieu plaats vinden.

Voor de aardigheid volgen we een oude Griekse indeling van alle stoffen op aarde. Zij dachten dat die waren samengesteld uit vier elementen: aarde, water, lucht en vuur.
Alles wat vast is, stevig, bevat veel 'aarde'.
alles wat vloeibaar is, bevat veel water.
Alles wat ijl is, moet wel veel lucht bevatten.
En ja, wat je ook ziet is vuur, dat uit de stoffen komt. Brandbare stoffen moeten wel veel vuur bevatten.
grappig wel, al denkt de moderne wetenschap daar heel anders over.




Inhoudsopgave:

1. AARDE

1.1 De Samenstelling

1.2 Kunstmest

2. WATER

2.1 De Watercyclus

3. LUCHT

3.1 De Samenstelling

4. VUUR

5. Schoonmaakmiddelen







1. AARDE

De aardrijkskunde geeft antwoord op de vraag: waar komt de grond vandaan en de aardlagen? Hoe zijn die ontstaan? Wat zijn vulkanen? Waarom is er erosie? Waar komen olie en gassen vandaan en wat is krijt?


1.1 De Samenstelling van de aarde (de aardkorst)

De grond waarop wij leven is hoofdzakelijk samengesteld uit de volgende twee komponenten:
  1. Organisch materiaal (humus met allerhande voedingsstoffen)
  2. Anorganisch materiaal; de verschillende steensoorten (bijvoorbeeld zand; ze bevatten mineralen)
De pH-waarde kan variëren: steen van het type 'graniet' heeft een wat lagere pH (is ietsje zuur), terwijl de calciumcarbonaatlagen meer basisch zijn, dus met wat verhoogde pH-waarde.

De bovenste aardlaag, waar we ook de rivieren, zeeën en oceanen, bergen en levende wezens aantreffen, heeft de volgende samenstelling:

ELEMENTEN PERCENTAGES
Zuurstof
47
Silicium
28
Aluminium
8
IJzer
5
Calcium
3,5
Natrium
3
Kalium
2,5
Magnesium
2
Overige elementen
1


De zeer overheersende aanwezigheid van Zuurstof en Silicium in de grond is te danken aan de zandsoorten die grotendeels zijn opgebouwd uit SiO2 en de daarvan afgeleide verbindingen.

Opdracht 1
Wat voor grondsoort bevindt zich onder jou huis?


1.2 (Kunst)mest

De grond waarop wij wonen dient voor vanalles: we lopen erop, we bouwen er onze huizen op, maar vooral: heel veel eten wordt op die grond, in de land- en tuinbouw, gemaakt.

Normaal kunnen planten de groeistoffen en mineralen die ze nodig hebben uit de grond halen, maar de landbouw van de boeren gebruikt zoveel stoffen dat de grond al gauw uitgeput raakt, niet genoeg meer te bieden heeft aan de planten om goed te groeien.
We bemesten de grond dan met extra stoffen. Dat doen we met natuurlijke mest, maar heel vaak met kunstmest (bijvoorbeeld: kaliumfosfaat, ammoniumnitraat, ureum, mineralen met kalium-, magnesium-, natrium- , koper en ijzer-ionen).

Nitraat is belangrijk en bevat het element stikstof. 80 % van de lucht is stikstof, dus je zou zeggen: er is een overvloed aan stikstof. Een probleem is dat het stikstof in de lucht (N2) niet gemakkelijk reageert (omdat luchtstikstof heel erg stabiel is) en niet gemakkelijk in dat nitraat terecht komt.
Er zijn enkele planten die in staat zijn om direct uit de stikstof in de lucht nitraten te maken.

Het meeste stikstof halen planten uit (kunst)mest, zoals ureum en nitraten.

In de natuur hebben we een zogenaamde stikstofcyclus:


Kunstmest is er niet alleen voor nitraten natuurlijk.
De keuze van kunstmest hangt o.a. af van de gewenste pH in de grond.

Opdracht 2
Stikstof in de lucht reageert moeizaam met welk ander element of met welke verbinding dan ook. Daarom wordt stikstof ook wel een 'inerte' stof genoemd.
Het is dan ook heel bijzonder dat er planten bestaan die in staat zijn het N2-molekuul open te breken om vervolgens nitraat te vormen.
Dier en mens zijn niet in staat tot deze aktie.
Leg uit waarom stikstofmolekulen zo moeilijk reageren.



2. WATER

Het grootste deel van het water op aarde is zout water, dus zeewater. De oceanen en zeeën bezetten het grootste deel van onze planeet.
Het watermolekuul, H2O, is een klein, licht en behoorlijk polair molekuul en het is een belangrijke dipool. Dat het een dipoolmolekuul is hangt samen met het feit dat de twee H-atomen een hoek vormen met het O-atoom, terwijl de beide OH-bindingen polair zijn (groot verschil in E).
Dit dipoolkarakter is verantwoordelijk voor de belangrijke karakteristieke eigenschappen van water, zoald het kookpunt en smeltpunt.

Zeewater bevat ongeveer 35 milligram vaste stof per liter:
ELEMENT
HOEVEELHEID
mg/l
Chloor 19,2
Natriumionen 10,7
Magnesiumionen 1,3
Sulfiet-, Kalium-, Calcium- en Bromide-ionen ±1,8
Andere elementen ±1,4
TOTAAL: ±35 mg/liter


2.1 De watercyclus




Zouten verdampen niet. Dus regenwater, ook als dat van de (zoute) oceanen komt, neemt geen zout mee; het is "zoet" water en daarom geschikt als drinkwater voor mens, dier en plant. Maar bij het terugstromen van regenwater, via rivieren, naar de zeeën, neemt dat water toch weer van het land kleine hoeveelheden zouten mee en op die manier verzamelt de zee opnieuw en steeds meer zout.
Tot zover is dit normaal en gaat het zo al honderdduizenden jaren. Het wordt verontrustend als de rivieren niet alleen normale, natuurlijke zouten meespoelen naar zee, maar ook verontreinigende zouten, vervuilers, meestal veroorzaakt door de kunstmest. Nitraten, ammoniumzouten e.d. zijn zeer goed oplosbaar in water en moeilijk weg te filteren.
En er zijn, naast kunstmest, veel meer bronnen van vervuiling van het water: industriëel afval, verkeerde stoffen die via de lucht in het water komen, zoals zwaveldioxide, e.d.
Om dat allemaal schoon te maken gebruiken we vele methoden, waaronder neerslagvorming, filtratie, behandeling met chloor, e.d.

Opdracht 3
Bepaalde landbouwgronden krijgen zoveel van een bepaalde kunstmeststof, dat er een probleem ontstaan in het grondwater.
Wat zou dat probleem kunnen zijn?

Opdracht 4
De grond onder een autogarage kan flink veel minerale olie + derivaten bevatten.
Welk gevaar schuilt er in deze situatie?

Opdracht 5
Wat is de belangrijkste eigenschap van het watermolekuul dat verantwoordelijk is voor het vloeibaar zijn van water (terwijl je toch weet dat water een heel kleine en lichte molekuulmassa heeft)?

Antwoord



3. Lucht

We beperken ons hier tot de 'troposfeer', d.w.z. die laag van de atmosfeer die het dichts bij de aarde is met een dikte van ongeveer 15 km (hoogte).
De aardrijkskunde geeft hierover meer informatie.


3.1 De samenstelling van lucht

De normale samenstelling van schone en droge lucht (dus zonder rekening te houden met de vochtigheid en ook niet met vervuiling), in procenten:
STOF PERCENTAGE
Stikstof 78
Zuurstof 21
Argon 1
Koolstofdioxide 0,035 (aan het groeien naar 0,04
overige edelgassen 0,003

Je weet dat de lucht een zeker percentage water (luchtvochtigheid) kan bevatten. De luchtvochtigheid kan variëren van helemaal droog (0%) tot klam en broeierig (100%).

Opdracht 6
De komponenten van lucht - in het algemeen - zijn apolaire stoffen.
Is dat toevallig zo, of zou er een oorzaak, een reden voor zijn?

Opdracht 7
Het is mogelijk de komponenten van lucht van elkaar te scheiden in een proces van gefractioneerde destillatie. Dat is alleen mogelijk met vloeibare lucht en je doet dat bij zeer lage temperaturen.
Leg het proces uit.

Ozon en koolzuurgas horen in de atmosfeer thuis. Koolzuurgas is niet giftig, maar mag toch niet teveel toenemen (wat de laatste honderd jaar wel gebeurd is). Dat is riskant. En Ozon zit heel hoog in de atmosfeer (gelukkig, want ozon is giftig voor de mens). Het ozon heeft daarboven wel een belangrijke functie, nl het tegenhouden van ultraviolet zonlicht.

Stoffen die van nature niet in de lucht thuishoren zijn meestal luchtvervuilers, zoals (fijn)stof, koolmonoxide, zwaveldioxide, de diverse stikstofoxides, vaak afkomstif van verbranding.

Opdracht 8
Beschrijf een natuurkundige methode om de lucht te zuiveren.

De laatste honderd jaar is de hoeveelheid CO2 in de lucht toegenomen van minder dan 0,03% tot meer dan 0,03%, wat nooit zo hoog was sinds er mensen leven op aarde.
Als de mens zo doorgaat CO2 te produceren, zal al gauw de CO2 hoeveelheid verdubbelen. Dat betekent dat veel meer zonnewarmte door de aarde geabsorbeerd wordt (dus niet meer teruggekaatst naar de ruimte). De aarde warmt op, de zeeën worden voller, zetten uit, laagland stroomt over, het klimaat verandert.

Opdracht 9
Beschrijf mogelijke verschijnselen die samengaan met klimaatverandering.



4 Vuur

Al in de oudheid ontwikkelden de Grieken (Aristoteles de wijsgeer) een theorie dat alle materie opgebouwd zou zijn uit (vier) elementen: dat zijn
aarde, water, lucht en vuur.

Let wel: toen hadden ze een heel ander begrip van "element" dan onze moderne wetenschap. Maar toch zagen ook zij toen de materie als samengesteld uit die vier elementen. Goed brandbare stof, zoals hout, bevat veel van het element vuur; kijk maar wat er uit komt als je het verbrandt!
Vaste stoffen zullen natuurlijk een groot gehalte hebben aan 'aarde', vloeistoffen bevatten veel van het element 'water', een stof die gaat borrelen bevatte dus veel van het element 'lucht', enzovoort.
Het was de wetenschappelijke manier van denken in de oudheid.

Opdracht 10
Maar weet jij wat vuur is?
Is vuur een stof? Leg je antwoord uit.

Nu weten we dat vuur warmte-energie is die ontstaat tijdens een exotherm chemisch proces, dat op één kleine plek geconcentreerd plaats vindt. Vuur is een soort hoge concentratie aan hitte.
Op zich kun je vuur (dus die energie) niet eens zien met je ogen, maar meestal zitten er in dat vuur kleine deeltjes die door de hitte gaan gloeien, vaak met een wat gelige kleur,soms ook blauwig.

Andere stoffen die bij deze energie betrokken zijn (in het vuur worden gehouden) kunnen - als ze niet zelf ook gaan branden - 'aangeslagen' worden: elektronen van die stof verkrijgen tijdelijk extra energie en geven die energie direct daarop weer af, soms in de vorm van zichtbare lichtstraling, zoals blauw, groen, violet, geel, e.d., afhankelijk van het karakter van de aanwezige atomen. (zie module 01)

In de negentiende eeuw ontstond in Europa een speciale theorie over vuur. Men voerde een nieuw begrip in: "flogiston".
Flogiston zou een zeer vluchtige stof zijn die ontsnapt uit een brandende stof. (Doet toch een beetje denken aan de Grieken!)


We komen hier later nog op terug.

Maar hieronder staat de chemische reactie die werkelijk plaats vindt. Het blijkt dat er niet iets uitkomt bij verbranding, maar dat er juist iets bijkomt.
Hierover later veel meer.



Later werd deze theorie verworpen, want via redeneren en praktisch onderzoek kon het bestaan van de flogiston niet bewezen worden.

Opdracht 11
In die proeven hebben ze het gewicht bepaald van stoffen voor en na hun verbranding.
De gedane waarnemingen, observaties, bevestigen absoluut niet het bestaan van zoiets als 'flogiston'; integendeel.
Probeer de redenering van dat bewijs te geven.
Antwoord


5. Schoonmaakmiddelen

Schoonmaken betekent meestal: bepaalde stoffen verwijderen die op die plek niet thuishoren.
We doen de afwas, we poetsen tanden, we wassen onze haren, we maken de ramen schoon, enzovoort.

Hoe zit dat met het verwijderen van vies materiaal?

We hebben daarvoor heel wat methoden, waarvan de drie volgende wel de belangrijkste zijn:
  1. Natuurkundig
    Vegen en schuren, zoals bij tanden poetsen. Tandpasta bevat een hoeveelheid calciumcarbonaat, een vaste korrelige stof waarmee je tandaanslag kunt wegpoetsen.
    Troebel water kun je filtreren; ook heel natuurkundig.
    Ook tamelijk natuurkundig is het gebruik van bepaalde oplosmiddelen: aceton is een voorbeeld. Je kunt daarin nagellak oplossen, dus verwijderen. Zo'n proces van oplossen wordt soms als scheikundig beschouwd.
  2. Scheikundig
    Dan worden scheikundige reakties toegepast om een stof schoon te maken. De scheikundige reaktie behandelen we pas later, maar hier alvast een voorbeeld:
    Pannen waarin regelmatig water wordt gekookt (hetzelfde gebeurt ook in wasmachines) vertonen na verloop van tijd een 'aanslag', een laagje calciumcarbonaat (calciet). Moeilijk te verwijderen door schuren, want dan beschadig je de pan of het verwarmingselement.
    In dit geval kun je gebruik maken van een - niet al te sterk - zuur, zoals azijn, dat reageert met het calciet; het produceert calciumacetaat wat oplosbaar is in water, dus verdwijnt zo de aanslag.

    Nog een voorbeeld:
    Chloor kun je gebruiken om water te reinigen. Het chloor is een oxidator die reageert met te oxideren vuile stoffen, zoals bacteriën.
  3. fysisch-chemisch
    Gebruik van oplosmiddelen is eigenlijk al niet meer helemaal chemisch, maar al een beetje fysisch-chemisch.
    Het gebruik van zeep is ook een mengvorm van scheikundige en natuurkundige reiniging. Het reageert in zekere zin, maar het 'schuurt' ook.

Opdracht 12
  1. Aceton is een apolaire vloeistof die bijvoorbeeld nagellak kan verwijderen (remover). Normale nagels bevatten een natuurlijke hoeveelheid vet.
    Welk probleem heeft iemand die vaak remover gebruikt?
  2. Bedenk en beschrijf een methode om vetvlekken uit kleren te halen.
  3. Wat moet je doen als je jodiumvlekken op je huid hebt?
  4. Je handen plakken van de suiker. Heb je zeep nodig om dat af te wassen?
  5. Sommige mensen stinken uit de mond; hoe kun je dat voorkomen?