Algemene Scheikunde. Academiejaar

Transcriptie

1 1 Algemene Scheikunde Academiejaar

2 2 Deel 1 Bouw van de materie

3 3 I. Inleidende begrippen Scheikunde bestudeert materie eigenschappen van materie veranderingen van materie energieveranderingen

4 4 Algemene definities materie energie

5 Materie 5

6 Materie: overzicht 6 materie is alles wat massa en volume heeft classificatie: zuivere stof: element/verbinding mengsel: heterogeen/homogeen samenstelling: kwalitatief: soorten zuivere stof kwantitatief: hoeveelheid van elke stof eigenschappen: fysisch/chemisch extensief/intensief aggregatietoestanden of fasen: gas vloeistof vaste stof

7 Samenstelling van materie 7 kwalitatief: welke zuivere stoffen? identiteit zuivere stof eigenschappen stof kwantitatief: hoeveel van elke soort zuivere stof? massafractie: γ m,i = mi m i i massapercentage: m% i mi = 100 m i i

8 8 Onderscheid zuivere stof en mengsel zuivere stof: constante samenstelling aard en hoeveelheid elementen in verbinding CH 3 OH: m% C = 37.5; m% H = 12.5; m% O = 50.0 N 2 : m% N = 100 mengsel: GEEN constante samenstelling aard en hoeveelheid zuivere stoffen in mengsel mengsel CH 3 OH/H 2 O: m% CH3OH = 60; m% H2O = 40 lucht: mengsel N 2 /O 2 / : vol% N2 = 78; vol% O2 = 21

9 zuivere stof 9 element: bestaat uit één atoomsoort discrete atomen enkel de edelgassen He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn covalent gebonden discrete moleculen Br 2( ), I 2(v), O 2(g), O 3(g), N 2(g) covalent kristalrooster C (v), Cu (v), K (v), S (v), P (v), Al (v), Si (v) verbinding: bestaat uit meerdere atoomsoorten in constante verhouding constante samenstelling discrete moleculen NH 3(g), CH 4(g), H 2 O ( ), amorfe vaste stoffen glas kristallijne vaste stoffen ionaire verbinding covalent netwerk NaCl (v), AgNO 3(v) SiO 2(v)

10 Soorten kristallijne zuivere vaste stoffen 10 lage T, hoge P

11 Kristalrooster 11 regelmatige 3D schikking van atomen, ionen of moleculen ionaire vaste stof: regelmatige schikking kationen en anionen moleculaire vaste stof: regelmatige schikking moleculen

12 Voorbeelden van kristallijne covalente 12 netwerken C grafiet Si: silicium C diamant kwarts

13 Kristallijne en amorfe covalente netwerken 13 covalent netwerk van SiO 4 -tetraheders

14 14 Fasetoestand bij T = 25 C en P = 1 bar vast vloeistof gas T smelt T kook T ( C) Zie ook H4, 9, 10 en bijlage 3

15 15 verbinding smeltpunt ( C) kookpunt ( C) fase water (H 2 O) vloeistof aceton (CH 3 ) 2 CO vloeistof methaan (CH 4 ) gas butaan (C 4 H 10 ) gas pentaan (C 5 H 12 ) vloeistof eicosaan (C 20 H 42 ) vast broom (Br 2 ) 7 59 vloeistof benzeen (C 6 H 6 ) 7 79 vloeistof chloroform (CHCl 3 ) vloeistof natriumchloride (NaCl) vast magnesiumoxide (MgO) vast Zie H4, 9, 10 en bijlage 3

16 Energie 16

17 Energie: overzicht 17 Definitie Wet van behoud van energie Kinetische en potentiële energie Elektrostatische interactie: wet van Coulomb

18 Energie: definitie 18 vermogen om arbeid en/of warmte te produceren arbeid w: houdt verband met verplaatsing van object w = F d F = m a warmte q: energietransfer tussen objecten op T steeds van hoge T lage T thermische energie E kin moleculen T = maat voor E kin moleculen Fe hoge T Fe lage T LET OP: energie is een EXTENSIEVE eigenschap (zie H9)

19 Wet van behoud van energie 19 E = E p + E k blijft behouden E p : potentiële energie; positie van het object in krachtveld kunnen omgezet worden in elkaar E k : kinetische energie; beweging van het object E = k 1 2 mv 2

20 Elektrostatische interactie: wet van Coulomb materie kan beschouwd worden als samengesteld uit positief en negatief geladen deeltjes 20 wet van Coulomb: elektrostatische kracht F = k q r q k 1 = met ε 4πε o = permitiviteit vacuüm = C 2 /Jm o q1 q2 potentiële energie Ep = k r eenheidslading q = +1 = C q = 1 = C

21 E p neemt toe E p neemt af minder stabiel gelijke ladingen stoten elkaar af + + meer stabiel 0 deeltjes op r = geen interactie E p = 0 + minder stabiel + E p neemt toe E p neemt af tegengestelde ladingen trekken elkaar aan meer stabiel

22 22 Massawetten & atoommodel Massawetten Atoomtheorie van Dalton Relatieve atoommassa & chemische formules Evolutie atoommodel

23 Massawetten 23

24 Belang massawetten 24 masswetten vormen experimentele basis atomaire visie reproduceerbare metingen wet van behoud van massa (Lavoisier) wet van constante verhoudingen (Proust) wet van meervoudige verhoudingen (Dalton) Dalton: materie is opgebouwd uit ondeelbare bouwstenen een atoom is een 1-heid materie is telbaar

25 Wet van behoud van massa (Lavoisier) 25 Reactanten Producten 1 g waterstof 9 g water 8 g zuurstof 9 g reactanten 9 g producten totale massa reactanten = totale massa producten react. prod. m i = m i j j

26 Wet van constante verhoudingen (Proust) g calcium 12 g koolstof 48 g zuurstof 100 g calciumcarbonaat mc 12 g 0.3 g mo 48 g = = en = = m 40 g 1g m 40 g O Ca 1.2 g 1g voor elke verbinding van A en B geldt: m A = constant m B ONAFHANKELIJK van de OORSPRONG van de verbinding

27 27 Wet van meervoudige verhoudingen (Dalton) Binaire verbinding: bevat 2 elementen (A a B b ) 72.2 g zuurstof inii 27.3 g koolstof 57.1g zuurstof in I 42.9 g koolstof 2.66 g zuurstof in II 1g koolstof = 1.33 g zuurstof in I 1g koolstof voor set van binaire verbindingen van A en B geldt: m% B m% A m% m% B A in II in I Koolstofoxide I Koolstofoxide II g zuurstof/100 g verbinding g koolstof/100 g verbinding g zuurstof/g koolstof mb in II 1g A = mb in I 1g A = 2 1 klein geheel getal = klein geheel getal formules waren toen nog niet bekend

28 Atoomtheorie van Dalton 28

29 Atoomtheorie van Dalton 29 Postuleren bestaan van atomen verklaring massawetten elementen bestaan uit atomen materie is telbaar ondeelbaar atoom is een 1-heid van 1 element: identieke eigenschappen J. Dalton atomen karakteristieke eigenschappen, karakteristieke massa behouden identiteit bij reactie materie tellen wegen vormen verbindingen door combinatie in vaste verhouding atomen zijn ondeelbare bouwstenen met een karakteristieke massa m C m H m N m O NO

30 Betekenis atoomtheorie van Dalton 30 m m A B = N N A B AM AM A B experimenteel toegankelijk m m A B massa s combinerende atomen aantal atomen A per atoom B in de verbinding; was onbekend N N A B formule atoommassa s was onbekend AM AM A B

31 Relatieve atoommassa & chemische 31 formules m m A B N N A A B = B AM AM B m m A massa s combinerende atomen N N A B formule atoommassa s AM AM A B atomen zijn zeer klein en de massa van 1 atoom was onbekend enkel m m A B kon experimenteel bepaald worden RELATIEVE atoommassa: relatief t.o.v. waterstofatoom (AM H = 1) 6 de hypothese: regel van de grootste eenvoud

32 Water: bevat 8 g zuurstof/1 g waterstof 8 g O 1g H = m m O H = N N O H AM AM O H 32 m m O H N N H O = AM AM O H Basis = referentie: massa waterstofatoom = 1 = AM H stel: chemische formule water = OH (N O = 1 en N H = 1) AM AM m m H g 1g 1 1 O O = = = H RELATIEVE atoommassa: 1 O-atoom is 8 zo zwaar als 1 H-atoom 6 de hypothese is fout foute relatieve atoommassa s 8

33 Evolutie atoommodel 33

34 Evolutie atoommodel 34 atoommodellen evolueren op basis van experimentele gegevens Atomen zijn deelbaar atomen bezitten interne structuur Dalton Thomson Rutherford ondeelbare atomen karakteristieke massa elektronen diffuse positief geladen wolk negatief geladen elektronen kern + elektronen diffuse negatief geladen elektronenwolk massieve positief geladen kern

35 Huidige atoomtheorie: structuur van 35 het atoom Elektronenwolk: diameter = m (= 1Å = 100 pm) zeer licht negatief geladen nucleonen Kern: diameter = m massief atoom is neutraal aantal protonen = aantal elektronen

36 36 massa lading g Coulomb e Elektron Proton Neutron m H + m e 1830

37 Atoomgetal, massagetal en atoomsymbool alle atomen zijn opgebouwd uit dezelfde bestanddelen: elektronen, protonen, neutronen identiteit atoom aantal protonen in kern Z = atoomgetal = ranggetal = aantal protonen in kern = aantal elektronen rond kern A = massagetal = aantal nucleonen = aantal protonen + neutronen A Z = aantal neutronen in kern atoomsymbool A Z X Symbool element 37

38 38 Periodiek systeem & verbindingen

39 39 Relatieve en absolute atoommassa

40 Relatieve atoommassa 40 Begin 19 de eeuw: geen methode bepaling absolute massa van 1 atoom relatieve atoommassa huidige basis: 1 atoom 12 C = 12 1amu = massa van 1atoom C atomic mass unit (of Dalton [D]) Voorbeeld: Na atoom heeft relatieve atoommassa [amu] AM Na m1atoom Na = = = AM12 12 m 12 C 1atoom 12 C atoom Na is maal zo zwaar als 1 atoom 12 C

41 Absolute atoommassa 41 microscopisch macroscopisch individueel atoom [amu] massa (lab) [g] getal van Avogadro N Av N Av = aantal atomen in 12 g 12 C N Av = massa 1atoom 12 g C = = x 10 g

42 N Av is gedefiniëerd voor 12 C maar kan ook voor andere atomen gebruikt worden Voorbeeld: Na atoom met relatieve massa [amu] 42 m m 1atoom Na 12 1atoom C = m = m 12 1atoom Na 12 1atoom C N m = N m 12 Av 1atoom Na Av 12 1atoom C massa N Av Na atomen = g = g De massa, in gram, van N Av atomen van een element is numeriek = relatieve atoommassa

43 Materie wegen = materie tellen 43 1 mol van een stof bevat N Av deeltjes aantal deeltjes N i m = n AM = ni NAv i i i aantal mol massa De massa, in gram, van 1 mol van een element is numeriek = relatieve atoommassa

44 Bepaling relatieve atoommassa: 44 massaspectrometrie Neon: relatieve atoommassa = verwacht: 1 piek in massaspectrum bij waarneming: 3 pieken in massaspectrum

45 Neon: relatieve atoommassa = verwacht: 1 piek in massaspectrum bij waarneming: 3 pieken in massaspectrum A = Z + neutronen: 20; 21; 22 neon Z = 10 A Z = 10; 11; 12 neon = mengsel van drie atoomtypes 3 isotopen van neon: Natuurlijke abundantie Ne-isotopen: 90.48%; 0.27%; 9.25% 20 10Ne 21 10Ne 22 10Ne

46 46 Neon: relatieve atoommassa = massa van Ne = (fractie 20 + (fractie + (fractie 10 Ne) (massa Ne) (massa Ne) (massa Ne) Ne) Ne) = ( ) + (0.0027) + (0.0925) (19.99 ) (20.99 ) (21.99) =

47 47 Periodiek systeem van de elementen

48 Periodieke wet 48 organisatie van scheikundige kennis in logische structuur analogie chemische eigenschappen van elementen rangschikking atomen triades: - Cl, Br, I 7 groepen van 3 tot 6 elementen natuurlijke rangschikking atomen analogie eigenschappen elementen Periodieke wet: eigenschappen atomen = f(atoommassa) D. Mendeleev rangschikking elementen naar stijgende atoommassa Nu: naar stijgend atoomgetal

49 49

50 alkalimetalen aardalkalimetalen chalcogenen halogenen 50 transitiemetalen vloeistof binnenste transitiemetalen aanduiding van B als semi-metaal kan variëren van tabel tot tabel

51 De chemische binding 51

52 Chemische binding 52 verbinding = combinatie van twee of meer atomen atomen interageren via elektronwolken chemische binding = krachten die atomen samenhouden in een verbinding overdracht van elektronen ionaire binding delen van elektronen covalente binding

53 Ionaire binding 53 binding tussen metaal + niet-metaal metaal kation; niet-metaal anion kation + anion: elektrostatische interactie aantal elektronen opgenomen/afgestaan vorming ionen? H He Li Be O S F Cl Ne Ar Na K Mg Ca tot aantal elektronen dichtst bijgelegen edelgas bereikt Se Br Kr Rb Sr Te I Xe Cs Ba Pb At Rn Fr Ra

54 Voorbeeld: NaCl 54 Metaal: Na; Z = 11; staat 1 elektron af Na + ion Niet-metaal: Cl; Z = 17; neemt 1 elektron op Cl - ion elektrostatische aantrekking tussen Na + en Cl ionen in rooster

55 ionaire verbindingen bestaan NIET uit moleculen 55 kristalrooster = regelmatige schikking kationen en anionen ook: polyatomair anion en/of polyatomair kation [NH 4 ] + Cl - [CO 3 ] 2- Ca 2+

56 ionaire verbindingen zijn neutraal 56 aantal positieve ladingen = aantal negatieve ladingen 2 (-3) = 3 (+2) stoichiometrie ionaire verbinding A a B b : a A b+ = b A a

57 Covalente binding 57 niet-metaal + niet-metaal: delen elektronen Voorbeeld: H 2 bindingsenergie bindingslengte aantrekking: stabiliserende bijdrage afstoting: destabiliserende bijdrage E p = f(internucleaire afstand) < 0 aantrekking > afstoting E p = f(internucleaire afstand): minimaal covalente binding E p, min : bindingsenergie internucleaire afstand bij E p, min : bindingslengte

58 Poly-atomaire ionen 58 eenheid van twee of meer covalent gebonden atomen met netto-lading identiteit eenheid blijft behouden bij reactie ammonium ion carbonaat anion 1+ CaCO 3 : calciumcarbonaat H H N H H 1 C atoom covalent gebonden met 3 O atomen; lading = -2 [NH 4 ] + [CO 3 ] 2- ammonium chloride, NH 4 Cl Ca 2+ Cl -

59 59 Soorten chemische formules

60 Soorten chemische formules 60 empirische formule: geeft verhouding aantal atomen vb.: ethyleen; verhouding C:H = 1:2 empirische formule = CH 2 moleculaire formule: geeft aantal atomen vb.: ethyleen; 2 C atomen, 4 H atomen moleculaire formule = C 2 H 4 n x (empirische formule) = moleculaire formule structuurformule: geeft connectiviteit atomen vb.: ethyleen; 2 C atomen, 4 H atomen H H C C H H

61 Examenstof belangrijke vaardigheden 61 herkennen van klassen van materie toepassen massawetten bepalen relatieve atoommassa chemische formules isotopen gebruik atoomsymbolen protonen, neutronen, elektronen gebruik periodiek systeem metalen, niet-metalen vorming van ionen herkennen van ionaire en covalente verbindingen chemische formules: empirische, moleculaire, structuur berekenen moleculaire/formule massa naamgeving: formule naam (systematische naam EN gebruiksnaam)