07 MOLECUULFORMULES & CHEMISCHE BINDINGEN PROCESTECHNIEK

Transcriptie

1 PROCESTECHNIEK

2 Wat leer je? het verschil uitleggen tussen symbolenformules en molecuulformules; molecuulformules opstellen aan de hand van tekeningen van moleculen; het aantal en de soort atomen van een molecuulformule benoemen en berekenen; de zeven twee-atomige elementen opnoemen; beschrijven waarom moleculen uit een bepaalde hoeveelheid verschillende atomen bestaan. Studiewijzer Waarom molecuulformules en chemische bindingen? Afbeelding 1: Een molecuul koolstofdioxide bestaat uit één atoom koolstof dat is verbonden met twee atomen zuurstof Stel, je loopt in een ruimte waar je dit bord ziet hangen. Als er dan iets gebeurt, moet je weten wat je moet doen. Het is dus belangrijk dat je weet wat C02 betekent. C02 is de molecuulformule van koolstofdioxide.

3 In vorige lessen hebben we stoffen steeds met symbolenformules weergegeven. De symbolenformule van koolstofdioxide is C O (g). Als alleen deze symbolenformule op het bord zou staan, dan weet je niet precies om welke stof het gaat. De symbolenformule van koolstofmonoxide is namelijk ook C O (g). Koolstofmonoxide is zeer giftig. Het is dus handig als je weet om welke stof het gaat. Daarom gebruiken we de molecuulformules van stoffen. Vooral op vaten met chemicaliën en in voorschriften kom je molecuulformules tegen. Ook in het chemiekaartenboek staan ze genoemd. Als je de molecuulformules van stoffen weet, weet je precies welke stof het is. Ook begrijp je dan waarom bijvoorbeeld koolstofdioxide bestaat uit één atoom koolstof en twee atomen zuurstof. Dit heeft te maken met de chemische binding. Deze informatie heb je nodig om straks de lessen over koolstofchemie te begrijpen. 1. Waarom zijn de symbolenformules voor koolstofdioxide en koolstofmonoxide hetzelfde? Wat zijn molecuulformules? Afbeelding 2: In vaten 1 en 2 zit een vloeistof met de symbolenformule H O (l) 2. Bekijk de twee bovenstaande vaten. Welke vloeistof zit er in vat 1 en in vat 2? In de vaten 1 en 2 zitten twee vloeistoffen. Op de etiketten van de vaten staat dat de vloeistoffen dezelfde symbolenformule hebben. Het lijkt dan ook of in beide vaten dezelfde vloeistof zit. Dit is niet zo. In vat 1 hebben we namelijk water gedaan en in vat 2 waterstofperoxide. De symbolenformule van deze stoffen is gelijk. Toch zijn water en waterstofperoxide verschillende stoffen. Water is een kleurloze vloeistof, die je kunt drinken. Waterstofperoxide is ook een kleurloze vloeistof, maar wel zeer explosief. Waterstofperoxide kun je ook niet drinken. Het is dus belangrijk om op de vaten precies te schrijven wat er in zit. Dit kun je doen met een molecuulformule.

4 We zullen nu bekijken wat een molecuulformule is. Als voorbeeld nemen we weer de twee vloeistoffen water en waterstofperoxide. Water en waterstofperoxide hebben dezelfde symbolenformule: H O (l). Dit betekent dat moleculen water en moleculen waterstofperoxide opgebouwd zijn uit dezelfde soort atomen. In afbeelding 3 kun je dit zien. Afbeelding 3: Een molecuul water en een molecuul waterstofperoxide 3. a. Uit hoeveel atomen waterstof en zuurstof bestaat een molecuul water? b. Uit hoeveel atomen waterstof en zuurstof bestaat een molecuul waterstofperoxide? Water en waterstofperoxide zijn dus opgebouwd uit dezelfde atomen. Je kunt dit ook zien aan de symbolenformule van beide vloeistoffen. Het aantal atomen verschilt echter per molecuul. Daardoor is water een andere stof dan waterstofperoxide. Met een molecuulformule kunnen we precies aangeven uit hoeveel atomen waterstof en zuurstof een molecuul water of een molecuul waterstofperoxide bestaat. De molecuulformule van water is H20. De molecuulformule van waterstofperoxide is H2O2. Een molecuulformule geeft het aantal atomen en de soort atomen in een molecuul aan. 4. Wat is het verschil tussen een symbolenformule en een molecuulformule? Je weet nu wat we bedoelen met een molecuulformule. In de volgende paragraaf kun je lezen hoe je een molecuulformule van een stof opstelt.

5 Hoe schrijf je een molecuulformule goed op? Bekijk in afbeelding 3 nog eens hoe een molecuul water eruit ziet. Een molecuul water bestaat uit één atoom zuurstof dat verbonden is met twee atomen waterstof. De molecuulformule van water is dan ook H20. Het getal 2 in de molecuulformule geeft aan dat er twee atomen waterstof in een molecuul water zitten. In een molecuul water zit één atoom zuurstof. Het getal 1 zetten we nooit in een molecuulformule. In het schema hieronder staat alle informatie nog eens op een rijtje. tekening omschrijving symbolenformule een molecuul water H O (I) Aantal atomen twee atomen waterstof en één atoom zuurstof Molecuulformule H20 5. Vul het onderstaande schema in. tekening omschrijving symbolenformule een molecuul waterstofperoxide Aantal atomen Molecuulformule 6. Vul het onderstaande schema in. tekening omschrijving symbolenformule een molecuul zwavelzuur Aantal atomen Molecuulformule 7. Uit welke soorten atomen (en hoeveel van elk) bestaat een molecuul van de volgende stoffen? a. marmer: CaC03 b. kaliumsulfaat: K2SO4

6 8. Wat is de molecuulformule van de volgende stoffen? a. een molecuul ammoniak bestaat uit één atoom stikstof en drie atomen waterstof b. een molecuul fosforzuur bestaat uit drie atomen waterstof, een atoom fosfor en vier atomen zuurstof In de bovenstaande voorbeelden en vragen zijn we steeds uitgegaan van één molecuul van een stof. In bijvoorbeeld een bakje water zit natuurlijk niet één molecuul water. In 20 ml water zitten ongeveer moleculen. Het aantal moleculen kunnen we ook weergeven. Vijf moleculen water geven we aan met 5 H2O. Het getal 5 voor de molecuulformule laat zien om hoeveel moleculen water het gaat. Als er slechts één molecuul is, zetten we niets voor de molecuulformule. Je kunt dit in de tabel hieronder zien. tekening omschrijving Molecuulformule één molecuul water H2O (l) vier moleculen water 4 H2O (l) zes moleculen water 6 H2O (l) 9. Vul het onderstaande schema in. tekening omschrijving Molecuulformule één molecuul ijzeroxide FeO (s) vier moleculen ijzeroxide 6 FeO (s)

7 10. Wat betekenen de volgende molecuulformules? Gebruik tabel 73 van je tabellenboek. a. 3 NaF b. 5 Si Wat zijn de molecuulformules van de volgende stoffen? Gebruik weer tabel 73 van je tabellenboek. a. tien moleculen ammoniumchloride (salmiak) b. zes moleculen kaliumnitraat (salpeter) Het aantal moleculen geef je dus aan met een getal voor de molecuulformule. Let op dat we bijvoorbeeld één molecuul water weergeven met H20. In dit molecuul zitten twee atomen waterstof, die verbonden zijn met één atoom zuurstof. Als je van meer moleculen uitgaat, zitten er natuurlijk ook meer atomen van een soort in. In twee moleculen water (2 H20) zitten dan twee maal twee atomen waterstof én twee maal één atoom zuurstof. "!Wee moleculen water bestaan dus uit vier atomen waterstof en twee atomen zuurstof. In het schema hieronder laten we dit nog eens zien. tekening als formule aantal atomen 2 H2O twee x twee atomen waterstof is vier atomen waterstof twee x één atoom zuurstof is twee atomen zuurstof 3 FeS drie x één atoom ijzer is drie atomen ijzer drie x één atoom zwavel is drie atomen zwavel 12. Uit welke soorten atomen (en hoeveel van elk) bestaan de volgende stoffen? Gebruik tabel 73 van het tabellenboek. a. drie moleculen methaan b. vier moleculen trichlooretheen

8 13. a. Een molecuul calciumcarbide bestaat uit één atoom calcium en twee atomen koolstof. Welke molecuulformule hoort hierbij? b. Hoe schrijf je drie moleculen calciumcarbide met de molecuulformule op? c. Uit welke atomen (en hoeveel van elk) bestaan drie moleculen calciumcarbide? We kunnen de informatie in deze paragraaf kort samenvatten: - het aantal atomen van een soort geef je aan met een getal rechts onder het symbool; - het aantal moleculen geef je aan met een getal voor de molecuulformule. Welke bijzondere molecuulformules bestaan er? Tot nu toe hebben we alleen de molecuulformules van een aantal verbindingen bekeken. Verbindingen zijn stoffen die je kunt ontleden. Je weet ook dat er stoffen bestaan die we niet verder kunnen ontleden. Dit zijn de elementen. Elementen bestaan alleen maar uit atomen van één soort. We geven ze weer met hun symbool. Hieronder staan enkele elementen. tekening symbool omschrijving Fe (s) He (g) Hg (I) het element ijzer het element helium het element kwik

9 Er zijn elementen waarvan de moleculen uit twee atomen bestaan. Als voorbeeld nemen we zuurstof. Zuurstof bestaat uit moleculen die zijn opgebouwd uit twee atomen die met elkaar verbonden zijn. We kunnen dit als volgt tekenen. tekening omschrijving als formule één molecuul zuurstof 02 (g) drie moleculen zuurstof 3 O2 (g) 14. a. Teken zes moleculen zuurstof. b. Hoe schrijf je zes moleculen zuurstof met de molecuulformule op? Zuurstof is dus een molecuul dat is opgebouwd uit twee atomen. We zeggen dan ook dat zuurstof een twee-atomig molecuul heeft, of dat zuurstof een twee-atomig element is. Dit verschijnsel vinden we niet alleen bij zuurstof, maar bij in totaal zeven stoffen. De zeven tweeatomige elementen zijn: fluor naam molecuulform ule F2 (g) chloor Cl2 (g) broom Br2 (I) jood l2 (s) waterstof H2 (g) zuurstof O2 (g) stikstof N2 (g)

10 Om deze stoffen makkelijk te onthouden, kun je het woordje HALHON gebruiken. Met HAL bedoelen we de halogenen: fluor, chloor, broom en jood. HON geeft de symbolen aan van waterstof, zuurstof en stikstof. 15. Vul het onderstaande schema in. tekening omschrijving Molecuulformule twee moleculen broom 5 Cl2 Er bestaan molecuulformules waarin haakjes voorkomen. Een voorbeeld hiervan is de formule Ba(OH)2. In de formule zit een OH-groep. Een OH-groep bestaat uit een O-atoom en een H-atoom. In een molecuul Ba(OH)2 zitten twee OH-groepen. Daarom zetten we de OH-groep tussen haakjes en achter het laatste haakje zetten we het cijfer 2. Je spreekt de formule uit als: be-aa-oo-ha-tweemaal. Met het woord tweemaallaat je zien dat het cijfer twee bij de hele OH-groep hoort. Een molecuul Ba(OH)2 bevat dus een Ba-atoom, twee 0-atomen en twee H-atomen. 16. De formule van de stof ammoniumsulfaat is (NH4)2S04. Hoeveel atomen van elke soort bevat een molecuul ammoniumsulfaat?

11 Wat bedoelen we met chemische binding? De molecuulformule geeft je informatie over de soort atomen waaruit een stof is opgebouwd en het aantal atomen van iedere soort. Je weet dan ook met wat voor soort stof je te maken hebt. Je weet echter nog niet waarom een molecuul uit een bepaald aantal atomen bestaat. Water bijvoorbeeld bestaat uit twee atomen waterstof en één atoom zuurstof. Waarom bestaat water niet uit één atoom waterstof en twee atomen zuurstof? Dit heeft te maken met de chemische binding. Om deze binding te begrijpen moet je weten hoe atomen zijn opgebouwd. In de les 'Elektriciteit: atoombouw' heb je daar iets over gelezen. 17. De volgende afbeelding laat een atoom koolstof zien. Geef in deze afbeelding aan wat de kern, neutronen, protonen en elektronen zijn. 18. In een atoom chloor zitten zeventien protonen. Hoeveel elektronen bewegen er om de kern van het atoom? 19. Als je de afbeelding bij vraag 17 bekijkt, zie je dat er een binnenste en een buitenste schil is. De elektronen in de buitenste schil noemen we de vrije elektronen. Deze elektronen zitten minder vast aan het atoom dan de elektronen in de binnenste schil. Hoe kun je dit verklaren? Je hebt net enkele vragen gemaakt over hoe atomen zijn opgebouwd. We bekijken nu hoe een chemische binding tot stand komt. In de elektronenwolk van een atoom zitten de meeste elektronen in paren. Zo'n elektronenpaar is stabiel, dus daar gebeurt niets mee. De elektronen die niet in paren zitten, noemen we de vrije elektronen. Je weet dat deze elektronen in de buitenste schil om het atoom zitten. Een atoom waterstof bijvoorbeeld heeft één vrij elektron. We hebben dit hieronder weergeven. In principe kun je precies bepalen hoeveel vrije elektronen een bepaald soort atoom heeft. In deze les gaan we niet in op hoe je dit kunt doen. Wel moet je van drie andere atomen weten hoeveel vrije elektronen ze hebben. Je kunt dit vinden in het volgende schema. Afbeelding 4: Een atoom waterstof heeft één vrij elektron.

12 tekening aantal vrije elektronen aantal vrije elektronen 1 waterstof 2 zuurstof 3 stikstof 4 koolstof Als je weet hoeveel vrije elektronen een atoom heeft, dan weet je ook hoe een chemische binding tot stand komt. Elektronen willen graag in paren voorkomen. De vrije elektronen van een atoom zoeken daarom vrije elektronen van een ander atoom. De vrije elektronen gaan zich dan binden. Dit zie je in het volgende voorbeeld. Zuurstof heeft twee vrije elektronen. Waterstof heeft maar één vrij elektron. leder vrij elektron van zuurstof wil een elektronenpaar vormen. Daarom versmelten twee atomen waterstof zich met één atoom zuurstof. Als die chemische binding tot stand is gebracht, ontstaat er water. Dit zie je in de afbeelding. In het volgende voorbeeld bekijken we hoe de binding tussen koolstof en waterstof eruit ziet. Koolstof heeft vier vrije elektronen in zijn elektronenwolk. Koolstof kan vier atomen waterstof aan zich binden. Waterstof heeft namelijk één vrije elektron. Als koolstof zich met waterstof bindt, ontstaat een nieuwe stof met de molecuulformule CH4. Deze stof noemen we methaan.

13 20.a. Hoeveel vrije elektronen heeft een atoom stikstof en hoeveel vrije elektronen heeft een atoom waterstof? b. Met hoeveel atomen waterstof kan één atoom stikstof zich binden? Licht je antwoord toe met een tekening. c. De naam van de stof die dan ontstaat is ammoniak. Wat is de molecuulformule van ammoniak? 21. De molecuulformule van waterstofchloride is HCI (g). Hoeveel vrije elektronen heeft een atoom chloor in zijn elektronenwolk?

14 Samenvatting De symbolenformule van een stof geeft de soort atomen aan waaruit die stof is opgebouwd. De symbolenformule van water en waterstofperoxide is H2O (l). De molecuulformule van een stof geeft zowel de soort atomen als het aantal van elk soort atoom weer. De molecuulformule van water is H2O (l). De molecuulformule van waterstofperoxide is H2O2 (l). Het aantal atomen van elke soort geven we aan met een cijfer rechtsonder het symbool. Water bestaat dus uit twee atomen waterstof en één atoom zuurstof: H2O (l). Het aantal moleculen geven we aan met een cijfer voor de molecuulformule. Drie moleculen water geven we aan met 3 H2O. Soms staan in molecuulformules haakjes. Het cijfer achter het laatste haakje heeft betrekking op alle atomen die tussen de haakjes staan. De meeste elementen bestaan uit één-atomige moleculen. De elementen geven we dan ook aan met hun symbool, zoals Fe voor ijzer. Er bestaan ook elementen die een twee-atomig molecuul hebben. Die moleculen zijn opgebouwd uit twee de zelfde atomen. Die elementen noemen we twee-atomige moleculen of twee-atomige elementen. Er zijn zeven tweeatomige elementen: fluor, broom, jood, chloor, waterstof, stikstof en zuurstof: een molecuul zuurstof (02) In de elektronenwolk van een atoom komen de meeste elektronen in paren voor. Elektronen die niet in zo n paar zitten, noemen we vrije elektronen. tekening aantal vrije elektronen aantal vrije elektronen 1 waterstof 2 zuurstof 3 stikstof 4 koolstof

15 Vrije elektronen van verschillende atomen zoeken elkaar op en vormen een paar. Er is dan een chemische binding tot stand gebracht. De binding tussen bijvoorbeeld waterstof en zuurstof ziet er zo uit:

16 Meerkeuzevragen 1. Wat geeft een symbolenformule van een stof aan? a. het aantal moleculen in de stof b. het aantal atomen in de stof c. de soort atomen in de stof d. de soort atomen in de stof en het aantal van ieder atoom 2. Wat zijn voorbeelden van twee-atomige elementen? a. waterstof, stikstof en koolstof b. chloor, broom en waterstof c. koolstof, chloor en broom d. jood, koolstof en stikstof 3. Hoe schrijven we zes moleculen koolstofmonoxide met een molecuulformule op? a. 6 CO b. CO6 c. C6O d. C6O6 4. Hoeveel atomen waterstof zitten er in 4 C2H50H? a. 4 b. 20 c. 21 d Wat geeft deze afbeelding weer? a. drie moleculen water en twee moleculen koolstofdioxide b. drie moleculen waterstofperoxide en twee moleculen koolstofdioxide c. drie moleculen water en twee moleculen koolstofmonoxide d. drie moleculen waterstofperoxide en twee moleculen koolstofdioxide

17 6. Zwavel heeft net als zuurstof twee vrije elektronen in zijn elektronenwolk Hoe ziet de molecuulformule van een verbinding tussen zwavel en waterstof eruit? a. HS b. H2S c. HS2 d. H2S2 Open vragen 1. Atomen waterstof en atomen zuurstof kunnen zich versmelten tot waterstofperoxide. a. Hoeveel vrije elektronen heeft een atoom zuurstof en hoeveel vrije elektronen heeft een atoom waterstof? b. Hoeveel atomen waterstof en zuurstof bevinden zich in een molecuul waterstofperoxide? Licht je antwoord toe met een tekening. 2. Hoeveel atomen zuurstofkomen er voor in een molecuul Al2(C03)3? Hoe spreek je de formule uit? 3. De verbranding van methaan ziet er in een reactieschema als volgt uit: methaan + zuurstof water + koolstofdioxide a. Geef de molecuulformules van de stoffen die je voor de verbranding hebt en de stoffen die na de verbranding ontstaan. b. Maak nu een reactieschema met de molecuulformules van de stoffen. Let op de hoeveelheid moleculen water die ontstaan. 4. In de scheikunde onderscheiden we een aparte groep die we koolstofverbindingen noemen. Waarom onderscheiden we die speciale groep verbindingen?