Inhoudsopgave 1.
INLEIDING.................................................................................................................................................. 1 1.1.
2.
STRUCTUURMODEL VAN DE MATERIE ........................................................................................... 3 2.1.
Soorten mengsels ....................................................................................................................................... 3
2.1.2.
Scheiden van mengsels ............................................................................................................................ 4
2.2.
ZUIVERE STOFFEN – MOLECULEN – ATOMEN ................................................................................................6
2.3.
CHEMISCH TEKENSCHRIFT ...............................................................................................................................7
2.3.1.
Formules van enkelvoudige stoffen .................................................................................................11
2.3.1.
Formules van samengestelde stoffen .............................................................................................. 12
OEFENINGEN.................................................................................................................................................... 13
ATOOMBOUW ....................................................................................................................................... 15 3.1.
HISTORIEK ....................................................................................................................................................... 15
3.2.
SAMENSTELLING EN SYMBOLISCHE VOORSTELLING VAN EEN ATOOM ................................................... 16
3.3.
GEMIDDELDE RELATIEVE ATOOMMASSA .................................................................................................... 18
3.4.
ELEKTRONEN ................................................................................................................................................... 20
3.4.1.
Eigenschappen van de elektronen....................................................................................................20
3.4.2.
Elektronenconfiguratie van atomen in de grondtoestand ...................................................25
3.4.1.
Elektronenconfiguratie van atomen in de geëxiteerde toestand ......................................28
3.5.
PERIODIEK SYSTEEM VAN DE ELEMENTEN ................................................................................................. 30
3.6.
EIGENSCHAPPEN VAN DE ELEMENTEN ........................................................................................................ 32
3.6.1.
Afmetingen van atomen en ionen .....................................................................................................32
3.6.2.
Metaal- en niet-metaalkarakter .......................................................................................................34
3.6.3.
Oxidatiegetallen........................................................................................................................................35
3.7. 4.
MATERIE ALS MENGSEL VAN ZUIVERE STOFFEN...........................................................................................3
2.1.1.
2.4. 3.
OEFENINGEN.......................................................................................................................................................2
OEFENINGEN.................................................................................................................................................... 36
CHEMISCHE BINDING ......................................................................................................................... 39 4.1.
LEWIS THEORIE ............................................................................................................................................... 40
4.1.1.
Ionbinding ...................................................................................................................................................41
4.1.2.
Atoombinding of covalente binding ................................................................................................ 44
4.2.
LEWISFORMULES ............................................................................................................................................ 47
4.2.1.
Opstellen van Lewisformules ..............................................................................................................47
4.2.2.
Formele lading ..........................................................................................................................................48 1
4.2.3.
5.
4.3.
RUIMTELIJKE STRUCTUUR VAN MOLECULEN; VSEPR-MODEL ............................................................... 50
4.4.
VALENTIEBINDINGSTHEORIE ........................................................................................................................ 53
4.4.1.
sp3-hybridisatie .........................................................................................................................................54
4.4.2.
sp2-hybridisatie .........................................................................................................................................55
4.4.3.
sp-hybridisatie ...........................................................................................................................................56
4.4.4.
sigma- en pi-binding ............................................................................................................................... 57
4.5.
METAALBINDING ............................................................................................................................................ 60
4.6.
OEFENINGEN.................................................................................................................................................... 61
INTERMOLECULAIRE KRACHTEN .................................................................................................. 64 5.1.
POLAIRE ATOOMBINDIGEN ............................................................................................................................ 64
5.2.
POLAIRE EN APOLAIRE MOLECULEN ............................................................................................................ 66
5.3.
BELANGRIJKSTE SOORTEN INTERMOLECULAIRE KRACHTEN ................................................................... 67
5.3.1.
Geïnduceerde dipool–geïnduceerde dipoolinteracties ........................................................... 67
5.3.2.
Dipool–geïnduceerde dipoolinteracties......................................................................................... 69
5.3.3.
Dipool-dipoolinteracties .......................................................................................................................70
5.3.4.
Waterstofbrugkrachten ........................................................................................................................71
5.3.5.
Ion-dipoolinteracties .............................................................................................................................. 72
5.3.6.
Ion-ioninteracties.....................................................................................................................................72
5.4. 6.
Mesomerie of resonantie ......................................................................................................................48
OEFENINGEN.................................................................................................................................................... 75
ANORGANISCHE VERBINDINGSKLASSEN .................................................................................... 78 6.1.
ANORGANISCHE ZUREN .................................................................................................................................. 79
6.1.1.
Zuurfunctie..................................................................................................................................................79
6.1.2.
Indeling ......................................................................................................................................................... 79
6.1.3.
Naamgeving ...............................................................................................................................................80
6.1.4.
Eigenschappen ..........................................................................................................................................82
6.2.
BASEN ............................................................................................................................................................... 83
6.2.1.
Basefunctie ..................................................................................................................................................83
6.2.2.
Indeling ......................................................................................................................................................... 83
6.2.3.
Naamgeving ...............................................................................................................................................84
6.2.4.
Eigenschappen ..........................................................................................................................................84
6.3.
OXIDEN ............................................................................................................................................................. 85
6.3.1.
Oxidefunctie ................................................................................................................................................85
6.3.2.
Indeling op basis van de samenstelling ......................................................................................... 85 2
6.3.3.
Naamgeving ...............................................................................................................................................85
6.3.4.
Eigenschappen ..........................................................................................................................................86
6.4.
6.4.1.
Zoutfunctie ..................................................................................................................................................87
6.4.2.
Indeling ......................................................................................................................................................... 87
6.4.3.
Naamgeving ...............................................................................................................................................87
6.4.4.
Eigenschappen ..........................................................................................................................................88
6.5. 7.
OEFENIGEN ...................................................................................................................................................... 89
CHEMISCHE REACTIE ......................................................................................................................... 91 7.1.
FYSISCHE EN CHEMISCHE PROCESSEN ......................................................................................................... 91
7.2.
NATUURWETTEN VAN EEN REACTIE............................................................................................................ 92
7.3.
REDOXREACTIES ............................................................................................................................................. 93
7.3.1.
Regels voor het berekenen van het oxidatiegetal .....................................................................94
7.3.2.
Opstellen redoxvergelijking met behulp van de oxidatiegetalmethode ......................... 94
7.3.3.
Opstellen redoxvergelijking met behulp van de deelreactiemethode.............................. 95
7.4. 8.
ZOUTEN ............................................................................................................................................................ 87
OEFENINGEN.................................................................................................................................................... 97
STOICHIOMETRISCHE BEREKENINGEN ..................................................................................... 100 8.1.
ZUIVERE STOFFEN ........................................................................................................................................ 100
8.1.1.
Hoeveelheid stof, n ................................................................................................................................ 100
8.1.2.
Massadichtheid van een stof ............................................................................................................ 101
8.1.3. .................................................................................................................................................................................. 101 8.1.4. 8.2.
STOICHIOMETRIE ......................................................................................................................................... 102
8.3.
MENGSELS ..................................................................................................................................................... 106
8.3.1.
% ................................................................................................................................................................... 106
8.3.2.
0/00,
8.4.
ppm en ppb ..................................................................................................................................... 107
OPLOSSINGEN ............................................................................................................................................... 108
8.4.1.
Molaire concentratie of molariteit ............................................................................................... 110
8.4.2.
Massaconcentratie ............................................................................................................................... 110
8.4.3.
Massadichtheid van een oplossing ................................................................................................ 110
8.4.4.
Verdunningsregel .................................................................................................................................. 111
8.5. 9.
Algemene gaswet .................................................................................................................................. 101
OEFENINGEN ................................................................................................................................................. 113
REACTIESNELHEID ............................................................................................................................ 118 9.1.
BOTSINGSMODEL ......................................................................................................................................... 118 3
9.2.
REACTIESNELHEID....................................................................................................................................... 122
9.3.
SNELHEIDSVERGELIJKING ........................................................................................................................... 126
9.4.
OEFENINGEN................................................................................................................................................. 128
10.
THERMODYNAMICA ..................................................................................................................... 130
10.1.
BASISBEGRIPPEN ......................................................................................................................................... 130
10.2.
ENERGIE EN ENTHALPIE ............................................................................................................................. 133
10.2.1.
Energieverandering in een systeem ............................................................................................. 133
10.2.2.
Wet van Hess ........................................................................................................................................... 138
10.3.
ENTROPIE ...................................................................................................................................................... 139
10.4.
VRIJE ENERGIE .............................................................................................................................................. 140
11.
CHEMISCH EVENWICHT ..............................................................................................................146
11.1.
DYNAMISCH EVENWICHT ............................................................................................................................ 146
11.1.1.
Vrije energie- en concentratieveranderingen.......................................................................... 146
11.1.2.
Aanwezigheid van een katalysator............................................................................................... 149
11.2.
OMZETTINGSGRAAD EN RENDEMENT ....................................................................................................... 150
11.3.
REACTIEQUOTIËNT EN EVENWICHTSCONSTANTE .................................................................................. 151
11.4.
OPLOSBAARHEID EN OPLOSBAARHEIDSPRODUCT .................................................................................. 153
11.5.
VERSTORING VAN EEN DYNAMISCH EVENWICHT.................................................................................... 154
11.5.1.
Concentratieverandering van één van de aanwezige stoffen .......................................... 154
11.5.2.
Concentratieverandering van alle aanwezige stoffen ......................................................... 155
11.5.3.
Temperatuursverandering ............................................................................................................... 156
11.6.
OEFENINGEN................................................................................................................................................. 157
BIJLAGE 1: VOORVOEGSELS VAN EENHEDEN ........................................................................................................... 160 BIJLAGE 2: GRIEKSE TELWOORDEN .......................................................................................................................... 160 BIJLAGE 3: BEWERKINGEN MET LOGARITMEN ....................................................................................................... 160 BIJLAGE 4: WOORDENLIJST ........................................................................................................................................ 161 BIJLAGE 5:PERIODIEK SYSTEEM DER ELEMENTEN ................................................................................................. 163
4
1. Inleiding Om objectief verschijnselen te verklaren is er een natuurwetenschappelijke methode ontwikkelt. Deze natuurwetenschappelijke methode is in figuur 1 schematisch weergegeven. Observeren: natuurlijk of experimenteel Theorie aanvaard; tot latere observaties of
Hypothese: voorlopige
Theorie of model:
verklaring
versterkt de hypothese en laat voorspellingen
experimenten aantonen dat ze ontoereikend is.
toe Experimenten opzetten
Experimenten opzetten
om de hypothese te
om de voorspelling van
testen.
de theorie te testen.
Hypothese herzien indien
Theorie wijzigen indien
experimenten aantonen
experimenten aantonen
dat ze ontoereikend is.
dat ze ontoereikend is.
Figuur 1: Schematische voorstelling van de natuurwetenschappelijke methode.
De methode start steeds met het objectief observeren van een natuurverschijnsel, zonder vooroordelen. Vanuit de observaties stelt men een hypothese voor. Een hypothese is een voorlopige verklaring van een natuurverschijnsel. Vervolgens worden experimenten opgezet om deze hypothese te testen. In deze experimenten laat men verschijnselen plaatsvinden in gecontroleerde omstandigheden. In eerste instantie zal men slechts één factor per keer wijzigen. Zo kan men de invloed van deze factor nagaan. Hieruit worden zo mogelijk wetten afgeleid. Natuurwetten zijn vastgestelde wetmatigheden in bepaalde verschijnselen, die als universeel en onveranderlijk worden beschouwd. Een wet verschilt van een hypothese en een theorie omdat het een analytische stelling is, vastgelegd in een wiskundige vergelijking. Voorbeelden: wet van behoud van massa, wet van behoud van energie, … Indien de hypothese de experimentele testen overleeft, wordt ze een theorie of model. Globaal genomen kan een theorie of model gebruikt worden om natuurwetten te verklaren en voorspellingen omtend natuurfenomenen te doen. Voorbeeld: atoommodel 1
Deze lessen algemene chemie willen jullie wetenschappelijk denkvermogen verder helpen ontwikkelen. Ze vormen een belangrijke basis voor je verdere studieloopbaan binnen de opleiding. In de ECTS fiche vinden jullie deze volgtijdelijkheden en competenties terug.
1.1. Oefeningen 1.
Is het Nederlandstalig spreekwoord “Een uitzondering maakt de regel nog niet ongeloofwaardig” een goede verklaring voor de natuurwetenschappelijke methode?
2.
In een oplossing reageren de stoffen A en B met elkaar volgens de reactie A + B → AB. De reactiesnelheid werd voor verschillende concentraties van A en B gemeten bij verschillende temperaturen. De resultaten vindt men in de tabel. experiment
concentratie
concentratie
temperatuur
reactiesnelheid
stof A (M)
stof B (M)
(°C)
(M/s)
1
0,10
0,10
20
0,001
2
0,10
0,20
20
0,002
3
0,10
0,20
30
0,020
4
0,20
0,20
30
0,040
a. Welke experimenten moet je met elkaar vergelijken om de invloed van de concentratie van stof A af te leiden? 0 experiment 1 en 3
0 experiment 1 en 2
0 experiment 2 en 3
0 experiment 3 en 4
b. Welke experimenten moet je met elkaar vergelijken om de invloed van de concentratie van stof B af te leiden? 0 experiment 1 en 3
0 experiment 1 en 2
0 experiment 2 en 3
0 experiment 3 en 4
c. Welke experimenten moet je met elkaar vergelijken om de invloed van de temperatuur af te leiden? 0 experiment 2 en 3
0 experiment 1 en 2
0 experiment 1 en 3
0 experiment 3 en 4
2
2. Structuurmodel van de materie 2.1. Materie als mengsel van zuivere stoffen Materie is de verzamelnaam voor alles wat massa heeft.
Een stof wordt gekenmerkt door een aantal fysische constanten zoals smeltpunt, kookpunt, vlampunt, massadichtheid, brekingsindex, ... Deze bepalen de stofeigenschappen. De studie hiervan gebeurt vooral in de fysica. Wanneer een chemicus het woord stof gebruikt, slaat dit steeds op een zuivere stof. Voorbeeld: De zuivere stof water kookt bij een temperatuur van 100 °C als de druk 1013 hPa bedraagt. Deze temperatuur blijft tijdens het koken constant. De kooktemperatuur is een voorbeeld van een stofeigenschap, het is een fysische constante.
Stoffen komen zelden alleen voor. Ze zijn meestal gemengd met andere stoffen. Men spreekt van een mengsel, dat bestaat uit verschillende componenten. Voorbeeld: Zeewater is geen zuivere stof. Wanneer men zeewater verhit, verdampt het water en er blijft een witte zoutafzetting achter. De kooktemperatuur is afhankelijk van de samenstelling. Hoe meer zout aanwezig is, hoe hoger de kooktemperatuur.
2.1.1. Soorten mengsels De indeling van mengsels gebeurt eerst op basis van de grootte van de componenten. Homogene mengsels of oplossingen zijn mengsels waarin men de verschillende componenten niet meer van elkaar kan onderscheiden. De diameter is kleiner dan 10-9 m. Het zijn mengsels waarbij de componenten op een gelijkvormige wijze verdeeld zijn. Hierdoor zijn de eigengschappen in het gehele mengsel gelijk. Bij oplossingen noemt men de component die in de grootste hoeveelheid aanwezig is het oplosmiddel of solvent, terwijl de andere componenten als opgeloste stoffen worden aangeduid. Colloïdale mengsels vormen de overgang tussen homogene en heterogene mengsels: de deeltjesgrootte van minstens één component ligt tussen 10-7 m en 10-9 m. Voorbeeld: Melk bevat vetdruppeltjes in water. Heterogene mengsels zijn mengsels waarin men ten minste één van de componenten kan onderscheiden. De diameter is dan groter dan 10-7 m. Om deze te onderscheiden kunnen hulpmiddelen nodig zijn zoals een loep of microscoop.
3
Op basis van de aggregatietoestand worden de heterogene mengsels verder ingedeeld.
grove mengsels: de verschillende componenten zijn vast;
suspensies: fijne vaste stof verdeeld in een vloeistof;
emulsies: fijne vloeistofdruppels verdeeld in een andere vloeistof;
nevel: fijne vloeistofdruppels verdeeld in een gas;
rook: fijne vaste stof verdeeld in een gas;
schuim: een gas verdeeld in een vloeistof.
De meeste van deze heterogene mengsels zullen spontaan ontmengen. Voorbeeld: Men kan olie en water door schudden zeer intens mengen. Er ontstaat een emulsie. Laat men dit mengsel een tijdje staan, dan zal de olielaag zich terug van het water afzonderen en bovendrijven.
2.1.2. Scheiden van mengsels Om samenstelling, bouw en eigenschappen van een stof te kunnen bestuderen heeft de chemicus deze stof zo zuiver mogelijk nodig. Daarom moet men een aantal scheidingstechnieken kennen en kunnen toepassen. Een scheidingstechniek is een fysisch proces om één of meerdere componenten uit een mengsel af te zonderen. De gekozen scheidingstechniek hangt af van het soort mengsel. Enkele scheidingstechnieken:
Manueel scheiden: Eén van de componenten wordt manueel uit het mengsel gehaald.
Zeven: Bij een zeef met een bepaalde maaswijdte zullen deeltjes met een grotere diameter dan de maaswijdte op de zeef achterblijven. Wat door de zeef valt is kleiner dan de openingen in de zeef.
Filtreren: Bij een filter met een bepaalde poriëngrootte zullen de deeltjes in de vloeistof die groter zijn dan de poriën op de filter achterblijven. Men noemt dit het residu. De vloeistof en de deeltjes die kleiner zijn dan de poriën gaan door de filter heen en worden het filtraat genoemd.
Decanteren: Decanteren wordt gebruikt om twee of meerdere niet mengbare stoffen te scheiden op basis van een verschil in massadichtheid. Men kan manueel decanteren. Voorbeeld: Decanteren van rode wijn. De tweede methode is met behulp van een scheitrechter. De emulsie wordt in een 4
scheitrechter gegoten en men wacht tot de verschillende lagen visueel zichtbaar zijn. De stof met de grootste massadichtheid wordt vervolgens onderaan via het kraantje verwijderd. De stof met de kleinste massadichtheid wordt langs boven uit de scheitrechter gegoten.
Centrifugeren: Een centrifuge is een apparaat dat snel ronddraait, waardoor de inhoud wordt onderworpen aan een middelpuntvliedende kracht. Bestanddelen met een verschillende massadichtheid, zullen zich onder invloed van de sterke middelpuntvliedende kracht scheiden. Stoffen met de grootste massadichtheid komen aan de buitenkant te zitten, deze met de kleinste massadichtheid zitten het dichtst bij de rotatieas. Meestal wordt nadien een decantatie uitgevoerd.
Extraheren: Een extractievloeistof wordt aan het mengsel toegevoegd. Deze onttrekt de bestanddelen uit een mengsel die goed oplossen in deze extractievloeistof. Meestal wordt er nadien een filtratie of decantatie uitgevoerd.
Adsorberen: Een vast adsorptiemiddel wordt aan het mengsel toegevoegd. Deze onttrekt de bestanddelen uit een mengsel die een grote affiniteit hebben voor dit adsorptiemiddel. Meestal wordt nadien een filtratie uitgevoerd.
Destilleren: Bij het verhitten van een mengsel zal de vloeistof met het laagste kookpunt eerst verdampen. Wanneer deze vloeistof nadien gecondenseerd wordt, heeft men ze afgezonderd van het mengsel. Men noemt deze vloeistof het destillaat. De stof(fen) met een hogere kooktemperatuur die niet afgezonderd worden, vormen het residu.
5
2.2. Zuivere stoffen – moleculen – atomen Uit processen zoals deelbaarheid, oplosbaarheid, veranderen van aggregatietoestand ,... kan men afleiden dat materie deelbaar is. Een zuivere stof bevat slechts één soort moleculen of roosterstucturen. Een mengsel bevat meerdere soorten moleculen of roosterstructuren. Experimentele gegevens tonen aan dat in een molecule en in een roosterstructuur elementen in een welbepaalde aantalverhouding door een chemische binding bij elkaar gehouden worden. Hierdoor verliezen de elementen hun individuele eigenschappen. De zuivere stoffen zijn onder te verdelen in enkelvoudige en samengestelde stoffen.
Een samengestelde stof is opgebouwd uit verschillende elementen. Voorbeeld: Water bestaat uit waterstof- en zuurstofatomen.
Een enkelvoudige stof is opgebouwd uit dezelfde elementen. Voorbeeld: Zuurstofgas bestaat enkel uit zuurstofatomen.
Het aantal enkelvoudige stoffen is beperkt; minder dan 200. Voorbeeld 1: De enkelvoudige stoffen grafiet en diamant zijn enkel opgebouwd uit koolstofatomen. Het verschil tussen beide stoffen komt van de wijze waarop de koolstofatomen in roosterstructuren aan elkaar gebonden zijn.
Figuur 2: Voorstelling van diamant en grafiet; beide roosterstructuren zijn uitsluitend opgebouwd uit koostofatomen. Diamant (links): elk koolstofatoom is tetraëdisch met vier andere koolstofatomen verbonden; grafiet (rechts): gelaagde structuur met zeshoekige ringen van koolstofatomen.
Voorbeeld 2: De enkelvoudige stoffen zuurstofgas en ozon zijn enkel opgebouwd uit zuurstofatomen. Het verschil tussen beide stoffen komt van het aantal zuurstofatomen dat aan elkaar gebonden is.
Figuur 3: De moleculen zuurstofgas (links) en ozon (rechts) zijn beiden uitsluitend uit zuurstofatomen opgebouwd, respectievelijk twee en drie.
6
Het aantal atoomsoorten, ook elementen genoemd, is dus nog beperkter dan het aantal enkelvoudige stoffen. Momenteel zijn er iets meer dan honderd chemische elementen bekend. 92 natuurlijke elementen vormen de atomaire bouwsteentjes van enkele miljoenen samengestelde stoffen die op onze aarde en in de materie van het heelal voorkomen. De overige elementen heeft men sinds de ontwikkeling van de kernfysica en de kernchemie in laboratoria kunnen maken. Deze elementen worden daarom kunstmatige elementen genoemd. Dat alle materie in de natuur opgebouwd is uit atomen van slechts 92 elementen betekent een enorme vereenvoudiging van het structuurmodel van de materie.
Net zoals men met de 26 lettertekens van ons alfabet vele verschillende woorden kan vormen, worden met de 92 natuurlijke elementen vele verschillende stoffen gevormd. Net zoals het aantal en de volgorde van de letters bepalend zijn voor de betekenis van een woord, zijn het aantal en de volgorde van de elementen bepalend voor de eigenschappen van de stof. In beide gevallen zijn niet alle willekeurige combinatie mogelijk.
2.3. Chemisch tekenschrift Aan elk element wordt een symbool toegekend. Door een gepaste combinatie van deze symbolen kan elke zuivere stof op een relatief eenvoudige en internationaal begrijpelijke wijze voorgesteld worden. Het symbool van een element bestaat uit één en soms twee letters. De eerst letter van het symbool is de eerst letter van de Latijnse of verlatijnste naam van het element; de tweede letter is een letter uit die naam. De eerste letter van het symbool is steeds een hoofdletter; de tweede is steeds een kleine letter. Tabel I bevat de symbolen en de namen van een honderdtal van de tot nu bekende elementen. De belangrijkste staan vet gedrukt en moeten gekend zijn.
7
Tabel I: Symbolen van de chemische elementen.
Ac
actinium
Ge
germanium
Pm
promethium
Ag
zilver
H
waterstof
Po
polonium
Al
aluminium
Pr
praseodymium
Am
americium
He
helium
Pt
platina
Ar
argon
Hf
hafnium
Pu
plutonium
As
arseen
Hg
kwik
Ra
radium
At
astaat
Ho
holmium
Rb
rubidium
Au
goud
Hs
hassium
Re
renium
B
boor
I
jood
Rh
rhodium
Ba
barium
In
indium
Rn
radon
Be
beryllium
Ir
iridium
Ru
ruthenium
Bi
bismut
K
kalium
S
zwavel
Bk
berkelium
Kr
krypton
Sb
antimoon
Br
broom
La
lanthaan
Sc
scandium
C
koolstof
Li
lithium
Se
seleen
Ca
calcium
Lr
lawrencium
Si
silicium
Cd
cadmium
Lu
lutetium
Sm
samarium
Ce
cerium
Md
mendelevium
Sn
tin
Cf
californium
Mg
magnesium
Sr
strontium
Cl
chloor
Mn
mangaan
Ta
tantaal
Cm
curium
Mo
molybdeen
Tb
terbium
Co
kobalt
N
stikstof
Tc
technetium
Cr
chroom
Na
natrium
Te
telluur
Cs
cesium
Nb
niobium
Th
thorium
Cu
Koper
Nd
neodymium
Ti
titaan
Dy
dysprosium
Ne
neon
Tl
thallium
Er
erbium
Ni
nikkel
Tm
thulium 8
Es
einsteinium
No
nobelium
U
uraan
Eu
europium
Np
neptunium
V
vanadium
F
fluor
O
zuurstof
W
wolfraam
Fe
ijzer
Os
osmium
Xe
xenon
Fm
fermium
P
fosfor
Y
yttrium
Fr
francium
Pa
protactinium
Yb
ytterbium
Ga
gallium
Pb
lood
Zn
zink
Gd
gadolinium
Pd
palladium
Zr
zirkonium
Een symbool van een element stelt niet alleen dat element voor, maar ook één atoom van dat element.
Voorbeeld: Figuur 4 geeft het procentueel voorkomen weer van de tien belangrijkste elementen in de aardkorst en in het menselijk lichaam. De elementen worden weergegeven met hun symbool.
Figuur 4: De tien meest voorkomende elementen in de aardkorst (links) en in het menselijk lichaam (rechts).
Aangezien de meeste stoffen combinaties van elementen zijn, kunnen combinaties van symbolen ook een zuivere stof voorstellen. De brutoformule geeft het aantal elementen van elke soort in de zuivere stof weer.
9
De ruimtelijke schikking van de elementen maakt het echter niet altijd mogelijk de grenzen duidelijk af te bakenen. Er zijn twee mogelijkheden:
Men spreekt over moleculen wanneer in elke aggregatietoestand van de stof afzonderlijke, duidelijk afgebakende stofeenheden voorkomen. Voorbeeld: Een watermolecule is steeds opgebouwd uit twee waterstofatomen en één zuurstofatoom. De brutoformule van water wordt geschreven als H2O. In elke aggregatietoestand van water vinden we deze combinatie van twee waterstofatomen en één zuurstofatoom terug. H→ O→
Figuur 5: In elke aggregatietoestand bevatten watermoleculen twee waterstof- en één zuurstofatoom.
De elementen zijn ruimtelijk zo geschikt dat er geen duidelijk begrensde combinaties voorkomen. Ze zijn geordend in een roosterstructuur. In deze gevallen heeft de brutoformule de betekenis van een verhoudingsformule. In de verhoudingsformule schrijft men steeds de kleinst mogelijk gehele getallen die de verhouding van de elementen in de roosterstructuur weergeeft. Voorbeeld:De stof natriumchloride is opgebouwd uit deeltjes van de elementen natrium en chloor. De verhouding van het aantal van beide deeltjes is 1/1. Er komen in een hoeveelheid natriumchloride evenveel deeltjes van het elementen natrium als van het element chloor voor. De brutoformule van natriumchloride is daarom NaCl. Dit is dus een verhoudingsformule. Noch in de vaste toestand, noch in de vloeibare toestand komen afzonderlijke NaCl-eenheden voor.
Figuur 6: In de roosterstructuur natriumchloride zijn er evenveel natrium- als choride-ionen aanwezig.
10
2.3.1. Formules van enkelvoudige stoffen Enkelvoudige stoffen zijn opgebouwd uit één of meer atomen van slechts één atoomsoort.
Enkelvoudige stoffen, opgebouwd uit afzonderlijke atomen, atoomroosters of metaalroosters, worden voorgesteld door het symbool: X. naam van de stof = naam van het element.
Voorbeelden: afzonderlijke atomen:
He: helium,
Ne: neon,
metaalroosters:
Fe: ijzer,
Na: natrium,
atoomroosters:
C: grafiet en diamant
Enkelvoudige stoffen, opgebouwd uit moleculen, worden voorgesteld door een formule: Xn. Hierin is X het symbool van het element en n een index. De index is een getal dat het aantal atomen in één molecule of eenheid van roosterstuctuur aangeeft. Indien n = 1 wordt geen index geschreven. naam van de stof = Grieks telwoord + naam element
Tabel II geeft de te kennen Griekse telwoorden weer. Tabel II: Griekse telwoorden
1
mono
2
di
3
tri
4
tetra
5
penta
6
hexa
7
hepta
8
octa
9
nona
10 deca
Voorbeelden: formule
systematische naam
triviale naam
O2
dizuurstof
zuurstofgas
O3
trizuurstof
ozon
H2
diwaterstof
waterstofgas
N2
distikstof
stikstofgas
Cl2
dichloor
chloorgas
P4
tetrafosfor
gele fosfor
S8
octazwavel
zwavel
11
2.3.1. Formules van samengestelde stoffen Samengestelde stoffen, opgebouwd uit moleculen of roosterstructuren, worden voorgesteld door een formule: XnYm... Hierin zijn X, Y, ... de symbolen van de elementen en n, m, ... de indices. Elke index hoort slechts bij het symbool dat het voorafgaat, tenzij er haakjes gebruikt worden. Voorbeeld 1: Het molecule water is opgebouwd twee waterstofatomen en één zuurstofatoom. H2O bevat 2 H- en 1 O-atoom. Het getal 2 is een index dat weergeeft dat er 2 waterstofatomen voorkomen. De index 1 schrijft men niet; doordat het symbool van het zuurstofatoom geschreven wordt, is er een zuurstofatoom aanwezig. Voorbeeld 2: In de roosterstructuur calciumfosfaat komen de atoomsoorten calcium, fosfor en zuurstof voor in de verhouding 3/2/8. Ca3(PO4)2 bevat elementen in volgende verhouding: 3 Ca, 2 P en 8 O (8 = 4 x 2). Op de naamgeving van deze stoffen komen we in hoofdstuk 6 uitvoerig terug.
De brutoformule van een zuivere stof geeft alleen informatie over de aard en de aantal verhouding van de erin voorkomende elementen. De onderlinge schikking van de elementen is er meestal niet uit af te leiden. Verschillende zuivere stoffen kunnen daardoor met dezelfde brutoformule worden voorgesteld. Voorbeeld 1: C is de formule van diamant, maar eveneens van grafiet. Voorbeeld 2: C2H6O is de brutoformule van ethanol maar eveneens van dimethylether.
Door het groeperen van elementen worden bepaalde structuuraspecten en daarmee samenhangende eigenschappen van de stof benadrukt. Voorbeeld: Men schrijft Ca(OH)2 in plaats van CaH2O2 om aan te benadukken dat er OH-ionen aanwezig zijn.
Een coëfficiënt of voorgetal is een getal dat het aantal atomen, moleculen of roosterstructuren weergeeft. Voorbeeld: Drie moleculen water schrijft men als 3 H2O. Het getal 3 is de coëfficiënt die aangeeft dat er 3 moleculen aanwezig zijn.
12
2.4. Oefeningen 1.
Zijn onderstaande uitspraken van toepassing op erlenmeyer 1 en/of 2? 1
2
a) in de erlenmeyer bevindt zich een zuivere stof; b) in de erlenmeyer bevindt zich een homogeen mengsel; c) in de erlenmeyer bevindt zich een samengestelde stof; d) in de erlenmeyer zijn 5 moleculen aanwezig; e) in de erlenmeyer zijn 10 atomen aanwezig. 2.
Onderlijn de mengsels: zeewater – aluminiumfolie – bruine suiker – tafelazijn
3.
Zijn onderstaande uitspraken juist of fout? a) Water (H2O) is een chemisch element. b) Dizuurstof is een enkelvoudige stof. c) Lucht (~80 % N2 + ~20 % O2) is een samengestelde stof. d) Natriumchloride (NaCl) is een samengestelde stof.
4.
Schrap wat niet van toepassing is:
a) dit proces kan weergegeven worden als: 6 H2O → 6 H2 + 3 O2 6 H2O → 2 O3 + 2 H6 6 H2O → 3 O2 + 6 H2 H12O6 → H12 + O6 b) in de tekening zijn 6 atomen - moleculen diwaterstof getekend. c) uit het eerste deel van de tekening kunnen we afleiden dat water bestaat uit 2 atomen – atoomsoorten d) uit het eerste deel van de tekening kunnen we afleiden dat water bestaat uit 3 atomen – atoomsoorten 13
5.
Noteer de symbolische voorstelling van a) één atoom neon; b) twee moleculen tetrafosfor; c) één molecule koolstofdioxide. Koolstofdioxide bestaat uit één koolstof- en twee zuurstofatomen; d) de enkelvoudige stof magnesium; e) vijf moleculen dichloor; f)
drie moleculen waterstofchloride. Een molecule waterstofchloride bestaat een één waterstof- en één chlooratoom.
6.
Juist of fout: a) De brutoformule van het mengsel water en natriumchloride is H2ONaCl.
b) De stoffen aceton (CH3-CO-CH3) en propanal (CH3-CH2-CHO) hebben dezelfde brutoformule.
14
3. Atoombouw 3.1. Historiek Omdat atomen niet rechtstreeks waarneembaar zijn, maakt men gebruik van atoommodellen, die aangepast en verfijnd worden zoals schematisch weergegeven in figuur 7.
Figuur 7: Schematische voorstelling van de verfijning van een atoommodel.
Enkele belangrijke ontdekkingen:
1808
•Dalton •atomen
1897
•Thomson •elektronen
1911
•Rutherford •atoomkern
1913
•Bohr •schillen •Rutherford
1914 •protonen •Chadwick
1932 •neutronen •Schrödinger
1933 •orbitalen •Gell-Mann
1964 •quarks •Higgs
2012 •higgsdeeltjes
In deze syllabus wordt niet gewerkt met het meest verfijnde model. Er is gekozen voor een eenvoudiger model dat toch volstaat om een verklaring te geven voor de experimentele observaties uitgevoerd tijdens de practica. 15
3.2. Samenstelling en symbolische voorstelling van een atoom Atomen zijn opgebouwd uit drie soorten elementaire deeltjes: protonen, neutronen en elektronen. De atoomkern bestaat uit positief geladen protonen en neutrale neutronen. Een proton en een neutron verschillen heel weinig in massa. Deze deeltjes in de atoomkern noemt men ook nucleonen. Rond de atoomkern komen negatief geladen elektronen voor zoals schematisch weergegeven in figuur 8. De massa van een elektron is verwaarloosbaar klein ten opzichte van de massa van een proton of neutron. De massa van het atoom is dus nagenoeg volledig geconcentreerd in de atoomkern.
Figuur 8: Schematische voorstelling van de samenstelling een atoom.
De te kennen karakteristieken van dez1e elementaire deeltjes worden in tabel III in vet weergegeven. Tabel III: Karakteristieken van de elementaire deeltjes.
atoomkern ∅ = 10-15 m
elektronenwolk
∅=
elementair deeltje
afkorting
massa
relatieve massa
lading
relatieve lading
proton
p+
1,673.10-27 kg
1,0
+ 1,602.10-19 C
+1
neutron
n0
1,675.10-27 kg
1,0
0
0
elektron
e-
9,110.10-31 kg
0,0
- 1,602.10-19 C
-1
10-10 m
Het aantal protonen is kenmerkend voor elk element. Het is ook een maat voor de hoeveelheid lading in de atoomkern. Het wordt weergegeven met het atoomnummer Z. Men schrijft het atoomnummer met een arabisch cijfer links onderaan het symbool van het element. 16
Voorbeeld: Het element lithium stelt men voor als 3Li. Het element lithium heeft steeds drie protonen in de atoomkern. De relatieve lading van de atoomkern bedraagt +3.
Het aantal neutronen bepaalt de stabiliteit van de atoomkern. Men kan het aantal neutronen berekenen door verschil te maken tussen het massagetal en het atoomnummer van een element. Het massagetal A geeft het aantal nucleonen weer. Men schrijft het massagetal met een arabisch cijfer links bovenaan het symbool van het element. Voorbeeld: Een lithiumatoom is slechts stabiel wanneer er naast de drie protonen in de atoomkern ook drie of vier neutronen voorkomen. In 73Li komen drie protonen en vier (73 = 4) neutronen voor in de atoomkern. Isotopen van een bepaald element hebben een zelfde atoomnummer maar een verschillend massagetal. Ze bestaan uit eenzelfde aantal protonen en elektronen, maar een verschillend aantal neutronen. Chemisch gezien zijn isotopen niet van elkaar te onderscheiden. Voorbeeld: 63Li en 37Li zijn isotopen van elkaar. Beiden bevatten 3 protonen en 3 elektronen. 63Li bevat daarnaast ook 3 neutronen terwijl 73Li 4 neutronen bevat.
Het aantal elektronen bepaalt de lading van een element. Wanneer er evenveel elektronen als protonen aanwezig zijn, is het element neutraal. Men spreekt over een atoom. Indien het aantal elektronen groter is dan het aantal protonen ontstaat er een negatief ion of anion. Indien het aantal elektronen kleiner is dan het aantal protonen ontstaat er een positief ion of kation. De lading van een ion berekent men door het aantal protonen te verminderen met het aantal elektronen. De lading van een ion schrijft men rechts bovenaan het symbool van het element. Het bestaat uit een een arabisch cijfer gevolgd door een plus- of minteken. Het cijfer “1” schrijft men meestal niet. Voorbeeld 1: Een lithiumion, 3Li+, bevat twee elektronen in de elektronenwolk, drie protonen en een aantal neutronen in de atoomkern. Voorbeeld 2: Een zwavelion,
16S
2-
, bevat achttien elektronen in de elektronenwolk en
zestien protonen en een aantal neutronen in de atoomkern.
17
3.3. Gemiddelde relatieve atoommassa De gemiddelde absolute atoommassa van een atoom is de werkelijke gemiddelde massa van het atoom uitgedrukt in kilogram. Aangezien er verschillende isotopen van een element bestaan, spreekt men over een gemiddelde waarde. Voorbeeld: De gemiddelde absolute atoommassa van een zuurstofatoom bedraagt 26,6.10-27 kg.
Omdat het niet praktisch is met zeer kleine getallen te werken, deelt men de gemiddelde absolute atoommassa door de internationale atoommassa-eenheid. De internationale atoommassa-eenheid u is gelijk gesteld aan 1/12 van de absolute atoommassa van een
12
C-isotoop: 1 u = 1,66.10-27 kg.
De eenheid u wordt ook dalton, Da genoemt. Voorbeeld: Een zuurstofatoom heeft gemiddeld een massa van 16 u of 16 Da.
De gemiddelde relatieve atoommassa Ar van een atoom duidt aan hoeveel keer de gemiddelde absolute atoommassa van die atoomsoort groter is dan de internationale atoommassa-eenheid. Het is het gemiddelde van de relatieve atoommassa’s van de natuurlijke isotopen van dit element, rekening houdend met hun procentueel voorkomen.
matoom(gemiddeld) u
Ar =
Voor een element bestaande uit één isotoop is de relatieve atoommassa bijna gelijk aan het massagetal A. Voorbeeld: Het procentueel voorkomen van de verschillende natuurlijke isotopen van het element koper bedragen 69,1515 % %
63
Cu met relatieve atoommassa 62,9296 en 30,8485
Cu met relatieve atoommassa 64,9278. De gemiddelde relatieve atoommassa voor
65
het element koper is: Ar(Cu)=
69,1515 .62,9296+30,8485 .64,9278 100
= 63,546
Dit betekent dat de gemiddelde massa van het element koper 63,546 keer groter is dan de atoommassa-eenheid. De gemiddelde relatieve atoommassa wordt weergegeven in het periodiek systeem van de elementen.
18