Deze Griekse filosoof ontdekt de ware oorzaak van een zonsverduistering en stelt dat er oneindig veel elementen zijn waaruit alles is opgebouwd.

Transcriptie

1 De bouw van stoffen: moleculen en atomen 1 De bouw van stoffen: moleculen en atomen Als we, op wandel, een steen oprapen en die eens van naderbij bekijken, zien we onmiddellijk dat daarin zeker verschillende stoffen voorkomen. We zien duidelijk delen van verschillende kleuren. Deze steen is wat we noemen heterogeen, d.w.z. dat hij uit duidelijk te onderscheiden bestanddelen bestaat die we met veel geduld van elkaar zouden kunnen scheiden. De steen is te splitsen in homogene stoffen. oewel suikerwater er volkomen homogeen uitziet weten we heel goed dat er nog water en suiker in voorkomen. Die twee noemen we dan zuivere stoffen en het suikerwater is een homogeen mengsel. Zo komen we tot de vraag die de mensheid gedurende meer dan 2000 jaar beziggehouden heeft: hoe zit zo n zuivere stof verder in elkaar? We kunnen een mooi wit stukje krijt gemakkelijk doorbreken en ieder stukje nog eens en nog eens, en worden de stukjes te klein dan gaan we ze verder fijnmalen zodat de krijtdeeltjes kleiner en kleiner worden, tot? Dat is nu DE VRAAG: zouden we ons krijt altijd verder kunnen verdelen of krijgen we uiteindelijk heel kleine stukjes die niet verder te splitsen zijn? Zijn stoffen oneindig deelbaar of niet? Wat zijn die stoffen dan precies? oe zijn ze opgebouwd? Waar komen hun eigenschappen vandaan? istorisch overzicht A. 600 V.. DE IONISE SOOL In Ionië (nu West-Turkije) vinden we een groep denkers, waaronder de bekende Thales van Milete, die proberen verschijnselen te verklaren via natuurwetten i.p.v. via de daden van goden. Op die manier waren het wellicht zij die de eerste bescheiden stappen hebben gezet in de richting van een modern wetenschappelijk denken. Deze mannen worden beschouwd als de eerste Griekse filosofen. A V.. ANAXIMANDER Eerste idee over het ontstaan van het universum waarin geen willekeurig optredende goden maar maar wel natuurlijke processen de loop der dingen bepalen. A. 500 A. 428 V.. ANAXAGORAS Deze Griekse filosoof ontdekt de ware oorzaak van een zonsverduistering en stelt dat er oneindig veel elementen zijn waaruit alles is opgebouwd. A. 490 A. 430 V.. EMPEDOLES Volgens Empedocles zijn alle stoffen in de wereld opgebouwd uit vier basiselementen: water, vuur, aarde en lucht v. ca /370 v v.. LEUIPPUS VAN MILETE DEMORITUS VAN ABDERA EPIURUS Zoals we uit de geschriften van de Romeinse schrijver Lucretius (ca 57 v..) weten, mogen we de Griek Leucippus van Milete als de vader van de atoomtheorie beschouwen maar zijn leerling Democritus van Abdera is in dit verband beter gekend. ij stelde dat alle voorwerpen in de natuur niet oneindig deelbaar zijn en er dus een kleinste deeltje moet bestaan, het atoom (van atomos, het Griekse woord voor "ondeelbaar"). Wat later wordt het atomisme de hoeksteen van de filosofie van Epicurus. Zoals echter tot aan de Renaissance gebruikelijk was, werden er geen experimenten gedaan om deze theorie te bewijzen, laat staan dat ze dat toen al hadden gekund. De atoomtheorie verloor tenslotte alle aanhang ten gunste van de theorie van Aristoteles.

2 De bouw van stoffen: moleculen en atomen V.. ARISTOTELES W A T E R nat koud LUT AARDE droog warm V U U R Aristoteles nam van Empedocles over dat alle materie oneindig deelbaar is en is opgebouwd uit vier elementen: aarde, water, vuur en lucht. Gewoon water werd bijvoorbeeld beschouwd als een mengsel van lucht en aarde in ideaal water. Na verhitting meende men er lucht uit te zien ontsnappen en door sterke afkoeling kwam de vaste toestand van aarde tot uiting. Uit het vuur van een brandend voorwerp zag men de lucht ontsnappen en de as was een vorm van aarde die overbleef. Op basis van deze naïeve voorstelling zochten de latere alchemisten gedurende eeuwen tevergeefs naar de omzetting van de ene stof in de andere (bij voorkeur goud!). Aristoteles is ongetwijfeld de meest invloedrijke filosoof en wetenschapper uit de oudheid en hij beheerste het denken in Europa tot in de 17e eeuw. Dit kwam onder meer omdat zijn werk zo samenhangend is dat hij een soort theorie van alles wist te ontwikkelen die op ongeveer alle vragen een antwoord gaf. Aristoteles ideeën werden zowel door de Islamitische als door het hristelijke geleerden overgenomen. In de 13 e eeuw slaagde Thomas van Aquino, de belangrijkste Middeleeuwse theoloog, erin om het denken van Aristoteles te verweven met het hristelijk geloof, wat het voor geleerden die het niet eens waren met de denkbeelden van Aristoteles nog moeilijker maakte om gehoord te worden JAN BAPTISTA VAN ELMONT ROBERT BOYLE In de 15 e eeuw werd een manuscript van Lucretius teruggevonden waarin uitgebreid het atomisme van Epicurus wordt behandeld. et manuscript werd herhaaldelijk gekopieerd en de belangstelling voor de deeltjestheorie van Democritus nam toe. Mede daardoor begon het geloof in Aristoteles wereldbeeld af te brokkelen. Begin 17 e eeuw bevindt Jan van elmont zich wat betreft manier van denken ergens tussen alchemie en chemie, tussen mystiek en wetenschap. ij is wel een uitmuntend waarnemer en stelt proefondervindelijk vast dat er nog andere gassen (het woord gas komt van hem) zijn dan alleen lucht. In 1658 begint Robert Boyle, de belangrijkste promotor van de experimentele filosofie, zijn systematische studie van lucht. Na zijn experimenten komt hij in 1661 tot het besluit dat alle materie is opgebouwd uit kleine deeltjes (elementen) die samenklonteren tot verschillende soorten moleculen, waardoor de verschillende eigenschappen van stoffen ontstaan. Robert Boyle slaagt er op die manier in de oude theorie over de vier elementen door een andere te vervangen maar het zou nog meer dan een eeuw duren voor de invloed van Aristoteles denken volledig werd uitgeschakeld.

3 De bouw van stoffen: moleculen en atomen ENRY AVENDIS JOSEP PRIESTLEY ARL WILELM SEELE ANTOINE LAURENT LAVOISIER E.A. Bovenstaande mannen zijn slechts enkele van de vele onderzoekers die er in de 18e eeuw toe bijdroegen dat de kennis over de opbouw van materie er met grote sprongen op vooruit ging. De tweede helft van de 18e eeuw is een periode waarin het duidelijk wordt dat de meeste dingen die we tegenkomen zijn opgebouwd uit verschillende stoffen en waarin een aantal van die stoffen worden ontdekt. Lavoisier wordt als de vader van de moderne chemie aanzien. ij baseert zich o.a.op het experimentele werk van Priestley en de experimenten van avendish. Daar waar voorheen alleen de gassen lucht, koolstofdioxide en waterstofgas waren gekend, ontdekte Priestley tien nieuwe gassen. Aan Priestley wordt ook de ontdekking van zuurstofgas toegeschreven, alhoewel Scheele hem daarin twee jaar voor was maar te laat publiceerde. Deze ontdekking was van vitaal belang om lucht als element af te schrijven. avendish kon op zijn beurt aantonen dat water geen element is maar zelf is opgebouwd uit verschilende bouwstenen. Met de elementtheorie van Aristoteles eindelijk opgeruimd kon Lavoisier de moderne visie op elementen introduceren, een nieuw theoretisch kader scheppen en een nieuwe notatie van chemische reacties invoeren. Een andere stap vooruit die we aan Lavoisier danken is het verwerpen van de toen honderd jaar oude flogistontheorie, waarin wordt gesteld dat dingen branden omwille van de aanwezigheid van een soort vlamstof die tijdens een verbranding ontsnapt. DE 19 E EEUW In de 18e eeuw werden dus heel wat fundamentele vaststellingen gedaan en tegen het einde van de eeuw begonnen chemisten stilaan in te zien hoe verschillende stoffen zijn opgebouwd. Nog een grote bijdrage hierin kwam van de Brit John Dalton ( ), die in zijn boek New System of hemical Philosophy (deel I, 1808; deel II, 1810) kon neerschrijven dat elk element (en er zijn er meer dan vier!) overeenkomt met een bepaalde atoomsoort. Deze atomen zouden dan de kleinste deeltjes zijn waaruit stoffen zijn opgebouwd en kunnen zich onderling verbinden tot grotere gehelen: de moleculen. Dalton ontwierp ook een systeem van chemische symbolen en hij rangschikte de elementen die toen gekend waren in een tabel. Zijn werk, samen met dat van de Fransman Joseph-Louis Gay-Lussac ( ) en de Italiaan Amedeo Avogadro ( ), legde de experimentele basis van de atoomchemie. Men slaagde er gedurende de volgende decennia verder in om steeds meer verschillende atoomsoorten (= elementen) te ontdekken. In 1864 publiceerde John Newland ( ) al dat er een zekere regelmaat te vinden was in hun gedrag. Twee onderzoekers, de Duitser Julius Meyer ( ) en de Rus Dmitri Mendelejev ( ), maakten in 1869 onafhankelijk van elkaar bijna identieke tabellen waarin de toen bekende elementen werden gerangschikt. et zgn. periodiek systeem van de elementen zoals het door Mendeljev was opgesteld bevatte ook een aantal gaten. Op die manier voorspelde Mendeljev de chemische eigenschappen van de elementen die in die tijd nog niet waren ontdekt. In totaal heeft men in de natuur 92 verschillende atoomsoorten (elementen) kunnen vinden. De moderne natuurkunde heeft langs kunstmatige weg wel een aantal nieuwe atoomsoorten gemaakt.

4 De bouw van stoffen: moleculen en atomen * Li Be De atoomsoorten die in 1869 waren gekend B N O F Ne * 1774 Na Mg Al Si P S l Ar * * 1746 * K a Sc Ti V r Mn Fe o Ni u Zn Ga Ge As Se Br Kr * * * Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag d In Sn Sb Te I Xe * * 1861 * * s Ba f Ta W Re Os Ir Pt Au g Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Rf Db Sg Bh s Mt e La e Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy o Er Tm Yb Lu Ac Th Pa U Np Pu Am m Bk f Es Fm Md No Lr DE 20 E EEUW Ernest Rutherford ( ), een Brit, hield zich vanaf 1909 actief met het probleem van de atoombouw bezig. Waarschijnlijk geleid door het beeld van ons zonnestelsel, waar de planeten in wijde banen rond de centrale zon draaien, is Rutherford tot zijn theorie over de inwendige structuur van het atoom gekomen. Toen Rutherford in 1911 zijn atoommodel voorstelde, begreep hij al dat een atoomkern véél kleiner is (ongeveer keer) dan het atoom in zijn geheel. Bovendien zit praktisch alle massa van het atoom in een zeer kleine kern samengebald, waarrond in wijde kringen uiterst lichte negatief geladen deeltjes draaien: de elektronen waarvan in 1898 het bestaan werd aangetoond door Joseph Thomson ( ). Men wist toen ook al dat de atoomkern elektrisch positief geladen deeltjes moest bevatten. Die afzonderlijke positief geladen deeltjes noemen we protonen. Benaderende afmetingen Model op schaal Atoom m bol van 1,5 km diameter (binnenstad Mechelen) Atoomkern m bol van 15 cm diameter In 1916 voegde de Deen Niels Bohr ( ) hieraan toe dat de elektronen slechts op welbepaalde banen rond de kern kunnen wentelen. Dit atoommodel van Rutherford en Bohr, zij het wel in een verfijnde versie, voldoet nog steeds om alle chemische eigenschappen van stoffen te verklaren. Atoommodel van waterstof, helium en koolstof. James hadwick ( ) toonde in 1932 aan dat in de atoomkern ook neutronen voorkomen. Dit zijn ongeladen deeltjes (wat meteen ook de reden is waarom het zo lang duurde voor ze zijn ontdekt) met nagenoeg dezelfde massa als de protonen. Protonen en neutronen worden samen vaak kerndeeltjes of nucleonen genoemd. Een greep uit onze hedendaagse kennis Moleculen = + +

5 De bouw van stoffen: moleculen en atomen 5 De meeste dingen die we in onze omgeving aantreffen zijn een mengsel van verschillende zuivere stoffen. Om de verschillende verschijnselen die we in de natuur waarnemen te kunnen verklaren nemen we aan dat al die zuivere stoffen bestaan uit kleine deeltjes die we moleculen noemen. De molecule is het kleinste deeltje dat we van een bepaalde stof kunnen nemen. Er bestaan evenveel soorten verschillende moleculen als we verschillende stoffen in de natuur aantreffen. Een molecule van een stof is het kleinste deeltje van die bepaalde stof dat nog alle eigenschappen van deze stof bezit. Zijn moleculen dan de kleinste deeltjes die we in de natuur aantreffen? Nee, dit blijkt niet zo te zijn. Moleculen zijn op zich nog eens opgebouwd uit kleinere deeltjes. Atomen. In het begin van de 19 e eeuw heeft men ontdekt dat stoffen opgebouwd zijn uit één of meer atoomsoorten. Elke atoomsoort heeft haar eigen specifieke kenmerken en eigenschappen en krijgt dus bijgevolg een eigen naam. De namen waterstof, stikstof, zuurstof, chloor, ijzer, klinken je alvast bekend in de oren. Als je de moleculen van alle verschillende stoffen bestudeert, dan vind je steeds dat ze zijn opgebouwd uit een beprekt aantal fundamentele bouwstenen: atomen. Je kan dit best vergelijken met een doos Lego. Wat je ook maakt, je hebt maar een beperkt aantal verschillende Legostenen waaruit je kan kiezen. Vandaag weten we dat er in de natuur 92 verschillende atoomsoorten voorkomen. We noemen ze de 92 elementen. Dmitri Mendelejev rangschikte de elementen volgens stijgende massa en op basis van hun eigenschappen. Dit leverde de beroemde tabel van Mendelejev of het periodiek systeem van de elementen op. 1 2 e Li Be B N O F Ne Na Mg Al Si P S l Ar K a Sc Ti V r Mn Fe o Ni u Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag d In Sn Sb Te I Xe s Ba f Ta W Re Os Ir Pt Au g Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Rf Db Sg Bh s Mt Augustus La e Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy o Er Tm Yb Lu Ac Th Pa U Np Pu Am m Bk f Es Fm Md No Lr Een atoom is het kleinste deeltje van een molecule. et is met chemische methoden niet verder deelbaar en de 92 verschillende soorten atomen die voorkomen in de natuur zijn dus de bouwstenen van alle stoffen.

6 De bouw van stoffen: moleculen en atomen 6 En is het atoom ondeelbaar zoals de naam suggereert? oegenaamd niet! De kern van een atoom bestaat zelf bijvoorbeeld uit ongeladen neutronen en positief geladen protonen. Rond de kern bewegen in wijde banen de negatief geladen elektronen die bij het atoom horen. Nog steeds is men op zoek naar de meest fundamentele deeltjes waaruit materie is opgebouwd. Tot op heden ontdekten natuurkundigen meer dan 100 zgn. elementaire deeltjes. Een aantal hiervan blijken dan nog eens te zijn opgebouwd uit zgn. quarks, waarvan er zes verschillende bestaan (up, down, strange, charm, top en bottom). En zijn we hiermee aan het einde van de zoektocht? Niet erg waarschijnlijk. hemische stoffen noteren Vermits alle materie is opgebouwd uit zeer kleine deeltjes die wij atomen noemen, kunnen we alle stoffen op een symbolische manier gaan voorstellen. Voor ieder element (= voor iedere soort atomen) bestaat er immers een internationaal symbool dat is gebaseerd op de Latijnse naam van dit element. Men gebruikt alvast de eerste letter van de Latijnse naam en schrijft die als een hoofdletter. Soms beginnen de namen van elementen met dezelfde letter (bv. calcium en chloor). Men gebruikt dan opnieuw de eerste letter van de Latijnse benaming en voegt een kleine letter toe (chloor wordt l en calcium wordt a). Schrijf wel zeer duidelijk want o (kobalt) is iets totaal anders dan O (koolstofmonoxide)! erinner je nu dat het kleinste deeltje van een bepaalde stof, het molecule, is opgebouwd uit atomen. Dit wil dus zeggen dat we een stof kunnen beschrijven door te zeggen uit welke atomen en hoeveel van elke soort een molecule van die stof is opgebouwd. Dit doet men d.m.v. een chemische formule. Met een chemische formule geeft men aan Enkele voorbeelden. welke soort atomen in het molecule zitten (met de symbolen). hoeveel atomen van elke soort er in het molecule zitten (met een index). water, 2 O: 1 molecule water bestaat uit 2 atomen waterstof en 1 atoom zuurstof. koolstofmonoxide, O: 1 molecule koolstofmonoxide bestaat uit 1 atoom koolstof en 1 atoom zuurstof. calciumhypochloriet, a(ol) 2 : 1 molecule calciumhypochloriet bestaat uit 1 atoom calcium, 2 atomen zuurstof en 2 atomen chloor. Merk bij het laatste voorbeeld op dat de elementen soms als een groep worden geschreven en dat de index bij de groep voor alle elementen uit die groep geldt. Oefening. Ned. Lat. Symbool zuurstof oxygenium O koolstof carbonium stikstof nitrogenium N zwavel sulfur S fosfor phosphorus P Schrijf bij de volgende stoffen, net zoals in bovenstaande voorbeelden, welke atomen en hoeveel atomen van elke soort een molecule bevat: waterstoffosfaat, 3 PO 4 aluminiumsulfaat, Al 2 (SO 4 ) 3 ammoniumcarbonaat, (N 4 ) 2 O 3 ijzerhydroxide, Fe(O) 3 calciumfluoride, af 2 Oefening. Maak een schets van onderstaande moleculen! Maak hierbij gebruik van een vooraf afgesproken

7 De bouw van stoffen: moleculen en atomen 7 kleurensymboliek en stel de atomen gemakshalve voor als bolletjes! methaan: 4 zuurstofgas: O 2 ozon: O 3 keukenzout: Nal methylalcohol: 3 O ethylalcohol: 2 5 O koolstofmonoxide: O koolstofdioxide: O 2 water: 2 O natriumhydroxide: NaO zwavelzuur: 2 SO 4 stikstofdioxide: NO 2 et is belangrijk om niet uit het oog te verliezen dat de tekeningen die we hierboven hebben gemaakt een beperking hebben. De atomen waaruit moleculen bestaan zitten immers niet opgesloten in één vlak: moleculen hebben een ruimtelijke structuur. Dit illustreren we even aan de hand van 2 voorbeelden: methaan, 4 : vlak getekend in werkelijkheid butaan, 4 10 : vlak getekend in werkelijkheid Tenslotte willen we nog opmerken dat bovenstaande manier om chemische formules te schrijven soms onvoldoende is. Er zijn moleculen die uit precies dezelfde atomen bestaan maar waar die atomen op een andere manier gerangschikt zijn, zodat totaal verschillende eigenschappen krijgen. Ook hiervan enkele voorbeelden: de atomen in 3 4 zijn op drie manieren te rangschikken, nl.

8 De bouw van stoffen: moleculen en atomen 8 de atomen in 2 6 O zijn op twee manieren te rangschikken, nl. O O ethylalcohol, 2 5 O (kookpunt 78,5 ) dimethylether, 3 O 3 (kookpunt 23,6 ) hemische reacties noteren De inwerking van stoffen op elkaar, waarbij nieuwe stoffen worden gevormd, noemen we een chemische reactie. Een dergelijke reactie kunnen we symbolisch voorstellen met behulp van een reactievergelijking op de volgende manier: stof 1 + stof stof 3 + stof De producten die we samenvoegen noemen we de reagentia en de producten die we bekomen noemen we de reactieproducten. Wanneer we pannekoeken flamberen wordt de alcohol verbrand. Dit is een voorbeeld van een chemische reactie. Ethylalcohol reageert hierbij met het zuurstofgas in de lucht waarbij deze beide producten verdwijnen en er water(damp) en koolstofdioxide vrijkomt. We kunnen deze reactie zó noteren: ethylalcohol + zuurstofgas water + koolstofdioxide Als we het met symbolen neerschrijven ziet het er zo uit: 2 5 O + O 2 2 O + O 2 Deze reactievergelijking kunnen we nog nauwkeuriger noteren door zgn. voorgetallen te schrijven, zodat het aantal atomen van iedere soort vóór de reactie en ná de reactie gelijk is (de wet van Lavoisier). De reactievergelijking van de verbranding van alcohol wordt dan Oefening. 2 5 O + 3 O O + 2 O 2 Maak de volgende reactievergelijkingen nauwkeuriger door ze aan ta vullen met de nodige voorgetallen! 1. Na + 2 O NaO O 2 O 2 3. P + O 2 P 4 O Mg + I 2 MgI 2 5. Mg + ZnO MgO + Zn 6. Mg + l Mgl KI + l 2 Kl + I 2 8. Mg + AgNO 3 Mg(NO 3 ) 2 + Ag 9. a + Br 2 abr K + S K 2 S

9 De bouw van stoffen: moleculen en atomen Al + O 2 Al 2 O S + O 2 2 O + S 13. Al + 2 SO 4 Al 2 (SO 4 ) NaO + l Nal + 2 O 15. AgNO 3 + Al Al(NO 3 ) 3 + Ag S + Br 2 Br + S 17. a + Al 2 O 3 ao + Al 18. N 3 + l 2 l + N Al 2 O 3 + O 2 + Al O 2 2 O Een chemische reactie is dus een reactie tussen stoffen (reagentia), waarbij andere stoffen (reactieproducten) worden gevormd. Wat er in essentie gebeurt is dat de stoffen die reageren de atomen waaruit ze zijn opgebouwd gaan uitwisselen. ierbij gaan er geen atomen verloren en komen er ook geen bij (Lavoisier)!