1. Behoudswetten en kringlopen

Samenvatting voor scheikunde - Behoudswetten en kringlopen 

Behoudswetten

Bij een chemische reactie zijn er beginstoffen en reactieproducten, dus we stoppen er wat in en er komt iets anders uit. Daarbij is het echter belangrijk om te begrijpen dat in die chemische reactie geen elementen, massa, energie, of lading verloren gaat. Vóór de reactie is het totaal hiervan altijd hetzelfde als na de reactie. Dit beschrijven we met volgende wetten. 

Wet van elementbehoud

Ten eerste de wet van elementbehoud. Vóór de reactie zie je altijd dezelfde elementen als na de reactie. Er worden misschien andere moleculen gevormd, maar de elementen blijven behouden. Neem bijvoorbeeld de simpele zuur-base reactie van HCl in water naar Cl- en H3O+. Er is duidelijk een verschuiving geweest, maar er zijn geen elementen verloren gegaan. Dit is altijd het geval, ook bij hele complexe reacties. 

Wet van massabehoud

Daarnaast is er de wet van massabehoud. Dit gaat over hetzelfde principe, maar dan voor de massa. Vóór de reactie is de totale massa van de betrokken stoffen hetzelfde als erna. Dit is natuurlijk een logisch gevolg van het elementbehoud, aangezien het gewicht van de elementen zelf niet verandert door een reactie. Afgerond is het gewicht van een chlooratoom 35u, een waterstofatoom 1u en een zuurstofatoom 16u. 

Aan de rechterkant van de pijl zal dit hetzelfde zijn, en omdat het dezelfde atomen zijn, is de totale massa ook hetzelfde. In een gesloten systeem zal dit dus altijd het geval zijn. Echter kunnen er in een systeem natuurlijk stoffen toegevoerd en afgevoerd worden. In de massabalans kan er dan bijgehouden worden welke stoffen er in het systeem aanwezig zijn, welke nieuw toegevoegd worden en welke er afgevoerd worden. Is er meer toevoer dan afvoer? Dan vindt er ophoping plaats. Is er meer afvoer dan toevoer? Dan loopt het systeem leeg. 

Wet van energiebehoud

Ten derde is er de wet van energiebehoud. Dit is opnieuw hetzelfde principe: er gaat geen energie verloren gedurende de reactie. Echter is dit misschien wel wat moeilijker om voor je te zien, omdat we nu niet gewoon de getekende atomen en bijbehorende massa vóór en na de reactie kunnen tellen. Energie gaat namelijk niet verloren, maar kan wel van vorm veranderen. 

Zo kan de chemische energie die zit opgeslagen in de bindingen van het molecuul vrijkomen in de vorm van warmte of licht. Vóór de reactie is er dan dus opgeslagen chemische energie en door de reactie komt er warmte of licht vrij. De energie is dus van vorm veranderd, maar de hoeveelheid energie zal hetzelfde blijven in een gesloten systeem. 

Op dezelfde manier als bij massa, kan er ook energie in en uit een systeem stromen. In de energiebalans kan dit dan bijgehouden worden. Zo kunnen we in beeld krijgen welke energie in het systeem zit, of het omgezet wordt in een andere vorm van energie, en of er invoer of uitvoer van energie is. 

Wet van ladingbehoud

Ten slotte hebben we nog de wet van ladingbehoud. Dit houdt simpelweg in dat er geen lading verloren gaat. De verdeling van de lading verandert misschien, maar het totaal houdt dezelfde lading. Zo zien we in ons voorbeeld vóór de reactie twee ongeladen deeltjes, en na de reactie een negatief en een positief geladen deeltje, in totaal dus dezelfde lading. Als er lading in en uit een systeem stroomt, dan kunnen we dat bijhouden met een ladingsbalans. 

Kringlopen

Elementen gaan dus nooit verloren, ook niet in de natuur. Echter kunnen ze wel voortdurend in verschillende vormen omgezet worden. Als hier een vast patroon in te herkennen is, dan spreken we van een elementkringloop, het element loopt dus door een kringloop heen. Goede voorbeelden hiervan zijn de koolstofkringloop en de stikstofkringloop. 

Koolstofkringloop

Met de koolstofkringloop beschrijven we vanzelfsprekend de kringloop van het element koolstof op aarde. Uiteraard kan de koolstof veel verschillende wegen afleggen, en is de realiteit een stuk complexer, maar laten we even kijken naar een hele simpele weergave van de kringloop. 

Koolstof zit in de lucht in de vorm van CO2. Het kan dan opgenomen worden door planten. Die zetten namelijk, met behulp van lichtenergie van de zon door middel van fotosynthese, CO2 om in water en glucose, ook wel C6H12O6. De glucose wordt dan door de planten doorgaans weer omgezet in andere stoffen. Vervolgens gaan de planten dood, bijvoorbeeld omdat ze gegeten worden door dieren. 

In de dieren worden de organische stoffen van de planten omgezet tot dierlijke organische stoffen. Wanneer het dier dood gaat, worden ze weer voedsel voor schimmels en bacteriën. Bij de langzame verbranding van dit voedsel geven de schimmels en bacteriën dan weer CO2 af als afvalstof, wat dan weer in de lucht terechtkomt, en dan kunnen we weer opnieuw beginnen!

Stikstofkringloop

Bij de stikstofkringloop gaat het dan om het element stikstof. Stikstof komt onder andere voor in aminozuren, eiwitten, DNA en in de lucht. Een hele simpele omschrijving van de stikstofkringloop is als volgt. Planten halen met hun wortels stoffen uit de grond waar stikstof in zit, waarmee ze eiwitten en aminozuren maken in een proces dat we stikstofassimilatie noemen. 

De plant wordt dan opgegeten door een dier, en als dit dier dood gaat, dan breken bacteriën deze eiwitten weer af tot stoffen die in de bodem terechtkomen en weer opgenomen kunnen worden door planten. En dan kunnen we weer opnieuw beginnen. 

Waterkringloop

Er kunnen ook kringlopen zijn waar we een stof (bestaande uit meerdere elementen) volgen, die dus in tact blijft gedurende de kringloop. Een goed voorbeeld hiervan is de waterkringloop. Ook water kan natuurlijk op veel verschillende manieren de rondte gaan. Water uit de zee kan verdampen door de zon, opstijgen en vervolgens wolken vormen, die zich verplaatsen door luchtstromingen. 

Het kan dan weer naar beneden vallen in de vorm van regen. Zo kan het via rivieren weer terugstromen naar de zee, opgenomen worden door planten, of gebruikt worden door mensen, waarna het weer kan verdampen, enzovoort.. Hoe dan ook, het water blijft water, H2O, en kan als stof de kringloop doorlopen. 

Recyclen

Als mens proberen we soms ook om een kringloop te creëren. Denk aan het woord recyclen, re-cycle (cycle betekent kringloop). Bij recycling proberen we grondstoffen opnieuw te gebruiken. Vaak is het namelijk zo dat we dingen produceren, gebruiken, en weggooien. De grondstoffen die we gebruiken hebben zo maar een ‘kort leven’ als het ware.

Met het cradle to cradle principe probeert men dit tegen te gaan. Cradle betekent wieg, dus cradle to cradle betekent van wieg naar wieg, in plaats van van wieg naar het graf. Dit is dus een verwijzing naar het ‘in leven houden’ van de grondstoffen. Hierbij wordt bij het ontwerp en de productie al rekening gehouden met de herbruikbaarheid van het product, en de afbreekbaarheid van onderdelen die niet herbruikbaar zijn, om zo een duurzame levenscyclus te creëren.