Chemie. (naar Chemie in contexten 2.2 Uitgeverij De Boeck) 4 economie, 4 humane wetenschappen

Transcriptie

1 Chemie (naar Chemie in contexten 2.2 Uitgeverij De Boeck) 4 economie, 4 humane wetenschappen

2 Hoofdstuk 1: zouten, keiharde kristallen 1.1 Keukenzout en zoutwinning Keukenzout Dit schooljaar starten we onze zoektocht naar chemische kennis in de keuken. Bij de bereiding van fijne voorgerechten en smakelijke hoofdschotels is er meestal één ingrediënt dat niet mag ontbreken: keukenzout. Het zoutvat staat altijd klaar: bij het koken van aardappelen, groenten en pasta, het kruiden van vlees en vis, voor de soep, Ga eens in kookboeken op zoek naar een recept waar geen zout aan te pas komt: je zult het moeilijk vinden... Zout is onmisbaar voor een goede gezondheid, maar uit wetenschappelijk onderzoek blijkt dat voor een normaal werkende volwassene een inname van 3 à 5 g zout per dag volstaat. Daarmee vullen we de hoeveelheid zout aan die ons lichaam verlaat via De meeste voedingswaren bevatten veel zout. Per 100 g brood krijg je 1 g zout naar binnen. Voor jonge kaas is dat 3 g per 100 g, voor Ardense ham 8 g. We krijgen dus gemakkelijk onze dagelijkse dosis zout binnen; een zoutvat op tafel hoeft echt niet. In onze moderne samenleving blijft fysieke inspanning over het algemeen herleid tot een minimum. We zweten veel minder dan vroeger en verliezen dus ook minder zout. Bovendien is zout goedkoop geworden en makkelijk verkrijgbaar. Veel mensen ondermijnen hun gezondheid door overmatig zoutgebruik, waardoor het zich opstapelt in de lichaamscellen die opzwellen door absorptie van water. Dat veroorzaakt zwaarlijvigheid en een hoge bloeddruk, wat op termijn aanleiding kan geven tot een hersenbloeding, een hartinfarct, We zijn geneigd om meer zout te gebruiken dan goed is voor de gezondheid omdat het zo lekker is. Zout is immers een smaakversterker: de natuurlijke smaak van biefstuk, tomaten, selder, komen beter tot hun recht als er wat zout aan toegevoegd wordt. Het is echter niet gezond! Toch mag het belang van zout niet onderschat worden. Het is een bewaarmiddel dat al lang gebruikt wordt, vooral voor vis en vlees. Een hoge zoutconcentratie houdt de ontwikkeling van microorganismen tegen en werkt bederfwerend. Dikwijls wordt gebruik gemaakt van pekel: een verzadigde oplossing van zout in water. De prehistorische mens kende deze techniek reeds. Chemie 4/1 1

3 Destijds was zout zo kostbaar dat het als loon voor verrichte arbeid werd aangewend. Vandaar het woord salaris dat stamt van het Latijnse sal (sel in het Frans), dat zout betekent Zoutwinning Het water van de oceanen en open zeeën bevat gemiddeld 25 g keukenzout per liter water. In een binnenzee kan het zoutgehalte oplopen tot 260 g per liter. Denk maar aan de Dode Zee. Vooral in heel koude en heel warme gebieden worden relatief grote hoeveelheden zout rechtstreeks uit zeewater gewonnen. Aan de kusten van het hoge Noorden laat men het zeewater in grote bakken bevriezen. Terwijl het water bovenaan tot ijs kristalliseert, verzamelt het kristalliserende zout zich op de bodem. Nadat men het ijs verwijderd heeft, kan men het zout gewoon opscheppen. In warme streken laat men het water van de zee gedurende de zonnige maanden verdampen in grote ondiepe putten of zoutpannen. Na verdamping blijft zout achter. 1.2 Natriumchloride Bekijk een paar kristalletjes keukenzout met een loepje of onder een microscoop en teken wat je ziet. Het is duidelijk dat de samenstellende delen van keukenzout mooi gerangschikt zijn volgens een vast patroon, vandaar de kubusvormige zoutkorrels. Wat is de naam van het molecule waaruit keukenzout gevormd wordt?... Wat is de brutoformule?... Uit welke en hoeveel atomen is één molecule keukenzout opgebouwd?... Chemie 4/1 2

4 In de fysica heb je geleerd wat elektrische stroom is. Wat wordt verplaatst bij elektrische stroom?... Dergelijke deeltjes noemen we in de chemie... Hoe verklaar je dat in vast keukenzout geen elektrische stroom wordt geleid en dat dit wel gebeurt bij keukenzout opgelost in water?... Stoffen die in vaste toestand niet, maar in gesmolten of opgeloste toestand wel elektrische stroom geleiden, noemen we elektrolyten. Wanneer we een molecule NaCl in water oplossen, komen de Na + - en Cl - -ionen van elkaar los. (Ionen zijn geladen atomen, we zullen verder in de cursus zien hoe ionen gevormd worden.) In chemische termen spreken we van dissociëren. We kunnen dit voorstellen met een dissociatievergelijking:... In vaste toestand trekken de vele positieve en negatieve ionen elkaar sterk aan door de tegengestelde ladingen van de twee ionen: we spreken van een ionbinding. Dankzij de regelmatige rangschikking van de ionen en de stevige ionbinding ontstaat een kristal met de vorm van een kubus, een kristal keukenzout. Zo n regelmatige rangschikking noemen we een ionrooster. Afzonderlijke moleculen NaCl zijn hoogst uitzonderlijk. De formule NaCl wijst in dit geval op de kleinste eenheid in het ionrooster van het zout. Daarom spreken we vanaf nu niet meer over één molecule zout, maar over één formule-eenheid zout. Chemie 4/1 3

5 1.3 Maagzout of bakpoeder Verhit vast natriumwaterstofcarbonaat (NaHCO 3 ) zachtjes in een reageerbuis, afgesloten met een U-buis die uitmondt in een reageerbuis met kalkwater. Wat neem je waar? Geef de reactievergelijking.... Men kan aantonen dat NaHCO 3 een elektrolyt is. Het is dus ook een zout. Het bestaat uit Na + - en HCO - 3 -ionen die met elkaar verbonden zijn door een ionbinding. NaHCO 3 wordt gebruikt om maagzuur tegen te gaan als medicijn. Daarnaast wordt het ook in de keuken gebruikt: zelfrijzende bloem is bloem waaraan NaHCO 3 werd toegevoegd als bakpoeder. Dankzij de vorming van gasbelletjes koolstofdioxide begint het deeg te rijzen: Strooizout Doe enkele ijsblokjes uit de diepvries in een bekertje met een weinig water en meet de temperatuur. Breng de helft van het water en de ijsblokjes over in een identieke beker. Voeg aan een van beide bekertjes een paar lepels CaCl 2 toe. Meet na enkele minuten opnieuw de temperatuur in beide bekertjes en vergelijk de overgebleven hoeveelheid ijs. Wat neem je waar?... Door CaCl 2 te mengen met water, wordt de temperatuur van het smelten en dus ook van het bevriezen verlaagd van 0 C tot -10 à -15 C. CaCl 2 is dan ook een veelgebruikt zout dat in de winter vaak gebruikt wordt als strooizout om gladheid op de weg door het bevriezen van regenwater te voorkomen. 1.5 Atomen en ionen Atomen Uit wat is materie opgebouwd?..... Chemie 4/1 4

6 Nils Bohr ontdekte in 1913 dat de elektronen in een atoom niet gelijkmatig verdeeld zijn rond de kern, maar dat ze verdeeld zijn over een elektronenmantel die bestaat uit elektronenschillen. Op deze elektronenschillen situeren zich elektronen:... Elk atoom is ongeladen. Dat houdt in dat er ook positief geladen deeltjes aanwezig moeten zijn. Deze positief geladen deeltjes zijn protonen. Protonen worden gesitueerd in de kern van het atoom. De 92 natuurlijke elementen onderscheiden zich van elkaar door een verschillen aantal protonen (en dus ook een verschillend aantal elektronen). IJzer bezit 26 elektronen en dus ook 26 protonen. Dit kan je aflezen uit het periodiek systeem der elementen: het aantal elektronen is gelijk aan het atoomnummer (Z) van het element. Daarom is een andere naam voor het atoomnummer eveneens het elektronengetal. Aangezien elk atoom evenveel protonen bezit als elektronen, is dit eveneens het protonengetal. Chemie 4/1 5

7 In het voorbeeld van ijzer bevinden de eerste twee elektronen zich het dichtst bij de kern op een eerste elektronenschil, de K-schil. Acht elektronen bevinden zich verder van de kern op een tweede elektronenschil, de L-schil. 16 elektronen bevinden zich nog verder van de kern op een derde schil, de M-schil. Deze M-schil wordt onderverdeeld in verschillende subschillen, zoals je op de figuur kunt zien. Hoe stel je de elektronenconfiguratie van ijzer voor?... Naargelang het atoom zijn er één tot zeven elektronenschillen. Alle elektronenschillen hebben een maximale elektronenbezetting. De schillen worden telkens opgevuld van de kern af naar buiten toe. Pas wanneer een schil volzet is, wordt de volgende schil aangesproken om op te vullen met elektronen. Schilnaam Volgnummer (n) Maximaal aantal elektronen (2n 2 ) Wat is de elektronenconfiguratie van aluminium?... Wat is de elektronenconfiguratie van waterstof?... Wat is de elektronenconfiguratie van kwik?... Aan de hand van experimenten met fluorescerende lampen heeft men kunnen aantonen dat elektronen een heel kleine massa bezitten in vergelijking met protonen. De massa van een elektron is 1840 maal kleiner dan die van een proton. We mogen de massa van elektronen bijgevolg verwaarlozen ten opzichte van die van het atoom. Een atoom waterstof heeft een massa van 1 unit. De kern van het atoom waterstof bevat één proton, waardoor we kunnen achterhalen dat de massa van één proton ongeveer 1 unit bedraagt. De kern van een atoom helium bestaat uit 2 protonen. Dat levert samen een massa van 2 unit. Aangezien A He = 4 u, moeten er in de kern naast de protonen nog andere materiedeeltjes voorkomen. Dit zijn de neutronen. Welke lading bezitten die?... Waarop baseer je je antwoord?.... Chemie 4/1 6

8 Welke massa bezitten deze deeltjes?... Samen met de protonen vormen de neutronen de nucleonen of kerndeeltjes. Welk atoom wordt hieronder voorgesteld?... Waarom? Plaatsing van de atomen in het periodiek systeem der elementen Vorig jaar leerden we dat in het periodiek systeem der elementen de atomen gerangschikt worden volgens stijgende atoommassa. In deze alinea gaan we wat dieper in op deze tabel. Daarvoor moet je uiteraard de atoomsymbolen kennen. Als je van jezelf weet dat je ze niet goed meer kent, herhaal ze dan nog eens! Groepen en perioden Atomen met gelijkaardige eigenschappen worden in groepen gerangschikt. Een voorbeeld van een groep zijn de halogenen, aangeduid in je periodiek systeem als voorlaatste kolom. Meestal staat bovenaan die kolom VIIa. Hoewel de elementen binnen een groep een enorm verschil in atoommassa vertonen, bezitten ze sterk overeenkomende eigenschappen. Noteer de namen van de verschillende groepen: Groep Ia:... Groep IIa:... Groep IIIa:... Groep IVa:... Groep Va:... Groep VIa:... Groep VIIa:... Groep VIIIa of groep 0:... De rijen in het periodiek systeem worden aangeduid met de term periode. Vlakbij het element stikstof in de tweede periode liggen koolstof en zuurstof. Hoewel ze Chemie 4/1 7

9 in massa ongeveer overeenkomen (ze staan naast elkaar in de tabel), verschillen hun eigenschappen aanzienlijk. In feite voeg je in dezelfde periode per groep die je opschuift en dus telkens per element die je naar rechts gaat, één elektron toe aan de buitenste schil van dat element. Als de schil volzet is, wordt een nieuwe schil aangewend. Overgangselementen Waarom gaan we vanaf scandium (Z = 21) tot zink (Z = 30) over naar de overgangselementen of b-groepen? Wat betekent dat? Een uitzondering: waterstof Wat is het symbool voor waterstof?... Welk atoomnummer heeft waterstof?... Hoeveel elektronen heeft waterstof?... Hoeveel protonen heeft waterstof?... Hoeveel nucleonen heeft waterstof?... Hoeveel neutronen heeft waterstof?... Alle atomen met één elektron op de buitenste schil, behoren tot groep Waterstof dus ook. Maar soms hebben auteurs de neiging om waterstof toch niet tot die groep te laten behoren. Het heeft namelijk een uitzonderlijk karakter. Het bijzondere is dat dat ene elektron zich bevindt in die ene hoofdschil (K-schil) die waterstof slechts heeft. Normaal wordt één elektron graag afgestaan, maar dat is niet zo bij waterstof. Zonder elektron zou het helemaal naakt zijn. Er zou slechts een kern overblijven met slechts één proton. Protonen kunnen niet onafhankelijk bestaan. Daarom is waterstof volgens de letter van de wet geen metaal. Lanthaniden en actiniden Mendeljev had bij het opstellen van zijn periodiek systeem nog geen kennis van alle natuurlijke elementen. Hij voorspelde van heel veel elementen wel dat ze gevonden zouden worden of hij vermoedde het bestaan ervan. Na het 57 e element (lanthaan) ontstond echter al snel een probleem. Vanaf het 58 e tot het Chemie 4/1 8

10 71 e element moesten 14 nieuwe plaatsen gecreëerd worden. Bij gebrek aan plaats worden ze onder de tabel geplaatst. We spreken van de lanthaniden. Analoog werd geredeneerd voor de actiniden. Waar vind je die terug in de tabel?... En na welk element moeten die normaal ingevoegd worden?... OEFENINGEN 1. Wat is het atoomnummer van Ca, U en H? Bepaal de plaats van het atoom met atoomnummer 18 in het periodiek systeem der elementen, geef de naam en de elektronenconfiguratie. 3. Bepaal de plaats van het atoom met atoomnummer 23 in het periodiek systeem der elementen, geef de naam en de elektronenconfiguratie. 4. Een atoom zit in hoofdgroep Va en in de derde periode. Wat is zijn atoomnummer? Wat is zijn symbool? 5. Leg op een bestaande tabel van Mendeljev uit hoe men te werk gaat om de elementen te rangschikken. 6. Leg op een bestaande tabel van Mendeljev uit waar de groepen zich bevinden en welke elementen in die groepen door ons bestudeerd werden. 7. Leg op een bestaande tabel van Mendeljev uit waar de overgangselementen voorkomen en waarom. 8. Leg op een bestaande tabel van Mendeljev uit waar de lanthaniden en actiniden voorkomen. 9. Leg aan de hand van voorbeelden uit waarom waterstof boven de alkalimetalen gerangschikt wordt. 10. Tot welke groep behoren de volgende elementen: Fr, Au, Pb, Se, Rn, Ce, U? 11. Toon op het periodiek systeem der elementen op welke basis de elementen in één groep gerangschikt worden. 12. Toon op het periodiek systeem der elementen waarom de edelgassen als laatste groep gerangschikt worden. 13. Toon op het periodiek systeem der elementen wat er tot uiting komt met de elektronenconfiguratie van de elementen uit eenzelfde groep en welke gevolgen dat heeft voor de eigenschappen van de betrokken elementen. Chemie 4/1 9

11 14. Toon aan dat de elementen met atoomnummer 39 tot en met 48 overgangselementen zijn aan de hand van hun plaats in het periodiek systeem der elementen en aan de hand van hun elektronenconfiguratie. 15. Leid uit de elektronenconfiguratie van de lanthaniden en de actiniden af waarom die reeksen elementen tussen de al bestaande groepen gerangschikt worden. 16. Welk verband komt tot uiting tussen de straal van de atomen Li, Na en K en het aantal elektronenschillen? Eénatomige ionen In de vorige lessen hebben we kennisgemaakt met andere deeltjes dan atomen: ionen. Ionen kunnen bestaan uit één element (Na +, Cl -, ) of meerdere elementen (HCO - 3 ). Alle ionen hebben een elektrische lading. Bestaat er een verband tussen het aantal elektronen op de buitenste schil en de manier waarop atomen ionen vormen? Wat is er typisch aan edelgassen?... Hoeveel elektronen bevatten alle edelgassen op hun buitenste (sub)schil?... Hoeveel elektronen bevatten metalen op hun buitenste schil?... Hoeveel elektronen bevatten niet-metalen op hun buitenste schil?... Welke lading hebben protonen?... Welke lading hebben elektronen?... Hoeveel elektronen en protonen heeft een willekeurig atoom?... Welke lading heeft een willekeurig atoom daardoor?... Waar zitten protonen?... Waar zitten elektronen?... Kunnen protonen zomaar een atoom verlaten?... Kunnen elektronen dit?... Veronderstel nu dat je een elektron wegneemt. Welke lading hou je dan over?... Veronderstel nu dat je twee elektronen wegneemt. Welke lading hou je dan over?... Veronderstel nu dat je een elektron toevoegt. Welke lading hou je dan over?... Veronderstel nu dat je twee elektronen toevoegt. Welke lading hou je dan over?... Chemie 4/1 10

12 Bekijk het kaliumatoom op de figuur. Hoeveel protonen en elektronen heeft kalium?.. Geef de elektronenconfiguratie van kalium.... Hoeveel elektronen zitten er op de buitenste schil?... Het is niet moeilijk voor kalium om één elektron te laten gaan. Welke lading krijgt het kaliumatoom dan?... Hoeveel elektronen zitten er dan op de buitenste schil?... We spreken dan niet meer van het kaliumatoom, maar van een... Wat is hiervan de elektronenconfiguratie?... Dit is ook de elektronenconfiguratie van het edelgas argon. Dergelijke elektronenconfiguratie noemen we ook de... Elk atoom streeft naar een ideale elektronenconfiguratie, en de edelgassen lijken die met hun acht elektronen op de buitenste schil al bereikt te hebben. Ze kunnen zich dus niet meer verbeteren door extra elektronen op te nemen of door elektronen af te geven. Dat is de reden waarom edelgassen bijna niet reageren of inert zijn. Een ander woord voor edelgasconfiguratie is ook octetstructuur. Begrijp je ook waarom?... Op dezelfde manier redeneer je voor natrium met 11 elektronen en eveneens één elektron op de buitenste schil. Chemie 4/1 11

13 Analoog kan je redeneren voor een atoom met twee of drie elektronen op de buitenste schil. Welke ladingen krijgen deze atomen dan?... Wanneer zal een atoom elektronen opnemen en wanneer zal een atoom elektronen afgeven om aldus respectievelijk een negatief en een positief ion te vormen?... Vat samen: wat is de octetregel? Meeratomige ionen Wat zijn meeratomige ionen?... De meeste meeratomige ionen zijn negatief. Je moet de ionen en hun lading uit je hoofd leren, maar door ze veel te gebruiken, zal dat binnenkort een automatisme worden. Ionlading 1- Ionlading 2- Ionlading 3- Ionlading 1+ OH - NO 3 - HCO 3 - CO 3 2- SO 4 2- SO 3 2- SiO 3 2- PO 4 3- NH 4 + Chemie 4/1 12

14 1.7 Formules van zouten De formule van een zout stelt één formule-eeneid in het ionrooster voor. De formule van een zout kun je vinden door de neutraliteitsregel toe te passen: in de formule van een zout moet de som van alle positieve ionladingen gelijk zijn aan de som van alle negatieve ionladingen. Het positief ion moet immers zoveel ionen afgeven aan het negatief ion als het negatief ion nodig heeft. Die gelijkheid verkrijg je door de geschikte indices in te vullen in de kleinst mogelijke verhoudingen. Doorloop steeds dezelfde stappen: 1. Welke ionen zijn in het zout aanwezig? 2. Bepaal de verhouding waarin de ionen aanwezig zijn om een elektrisch neutraal zout te krijgen. 3. Schrijf de verhoudingen in de indices: dit zijn getallen die rechtsonder het betreffende atoom staan. Let erop dat je met zo klein mogelijke getallen werkt. Ook hier geldt: door te oefenen, krijg je deze regel onder knie; dus: aan de slag! OEFENINGEN 17. Leg uit hoe je door toepassing van de neutraliteitsregel de volgende formules kunt vinden: BaCl 2, Al 2 O 3, CuO en Cu 2 O. 18. Bepaal de formule van de volgende zouten: kaliumoxide, aluminiumbromide, calciumsulfide, ijzer(iii)oxide, aluminiumsulfide, magnesiumnitride, koper(ii)chloride, bariumoxide. 19. Leg uit waarom een Romeins cijfer gebruikt wordt in de naam van de zouten van de volgende elementen: Fe, Cu, Pb en Hg. 20. Geef een synoniem voor samengestelde (NM,M)-verbindingen? Geef twee voorbeelden. 21. Leg met elektronen en ionen uit hoe een ionrooster ontstaat bij de synthese van Na 2 O en AlI Geef de chemische naam van de onderstaande zouten en controleer de juistheid van de formules: CaCO 3 of marmer, NaHCO 3 of maagzout, Ca(OH) 2 of gebluste kalk en NaOH of bijtende soda. Chemie 4/1 13

15 1.8 Dissociatie van zouten Welk soort verbinding is keukenzout?... Wat is de brutoformule?... Lost keukenzout goed op in water?... Het Na + - en Cl - -ion zijn in vaste toestand verbonden door een... Wat gebeurt er bij smelten of oplossen?... Zouten zijn elektrolyten. Wat zijn dat?... Het ontstaan van vrije ionen uit een ionverbinding, noemen we de dissociatie van ionen. Schrijf de dissociatievergelijking van keukenzout:... Leg met je eigen woorden uit hoe watermoleculen de dissociatie van NaCl kunnen veroorzaken.... Voor elk soort zout kan een dissociatievergelijking opgesteld worden. Om die op te stellen moet je telkens dezelfde vier stappen doorlopen. We lichten deze vier stappen toe met een uitgewerkt voorbeeld: de dissociatie van natriumfosfaat. Stap 1: wat is de formule van het zout? Pas de neutraliteitsregel toe en je vind dat de formule van natriumfosfaat Na 3 PO 4 is. De lading van Na is immers +I (groep I a ) en de lading van PO 4 -III. Stap 2: welke atomen of welke atoomgroepen worden van elkaar gescheiden? Ga na welke atomen of welke atoomgroepen van elkaar gescheiden worden. In dit voorbeeld is dat Na en PO 4. Je hoeft de ladingen nog niet op te schrijven. Na 3 PO 4 Na + PO 4 Stap 3: wat zijn de ionladingen van de gesplitste ionen? Nu vul je de ionladingen aan in de reactievergelijking. Na 3 PO 4 Na PO 4 Chemie 4/1 14

16 Stap 4: Hoeveel ionen zijn er van elke soort? Pas de coëfficiënten of voorgetallen aan zodat de reactievergelijking klopt. Je moet van elk soort atoom evenveel atomen rechts en links van de pijl hebben. Na 3 PO 4 3Na PO 4 Een dissociatievergelijking wordt altijd op één regel geschreven. De uiteindelijke dissociatievergelijking is dus deze laatste reactievergelijking. OEFENINGEN 23. Stel de dissociatievergelijking voor van calciumchloride, magnesiumhydroxide, kaliumnitraat, magnesiumsulfaat, aluminiumchloride, calciumfosfaat, natriumcarbonaat, ijzer(iii)hydroxide, aluminiumsulfide, natriumsulfiet, kaliumchloraat, bariumchloride, calciumfosfaat, calciumnitraat, natriumfosfaat en ammoniumcarbonaat. 1.9 Grondwater, rivierwater en zeewater: oplossingen In de grond treffen we vooral zouten aan die moeilijk oplossen in water. Sommige zouten die wel goed oplossen in het grondwater, stromen met het rivierwater naar de zee. Het onderscheid tussen zeewater en zoet water is het gevolg van de grote verdamping van het water van de zee. Daardoor bevat zeewater een nog grotere concentratie aan opgeloste zouten dan rivierwater. Weeg 1 g af van zes verschillende zouten: NaCl, KNO 3, (NH 4 )SO 4, CaCl 2, CaSO 4 en CaCO 3 en breng de zouten één voor één in een maatkolf van 100 ml. Vul de maatkolven voor de helft met gedemineraliseerd water. Controleer of het zout na schudden goed of slecht oplost. Vul de maatkolf daarna aan tot de merkstreep in de hals, zodat je precies 100 ml oplossing verkrijgt. Welke zouten zijn goed oplosbaar?... Welke zouten zijn niet goed oplosbaar?... Hoe kan je dit veralgemenen?... Chemie 4/1 15

17 Verdeel de oplossing van natriumchloride in twee gelijke delen. In elke maatcilinder heb je nu tweemaal minder zout, maar ook tweemaal minder water. Is de concentratie van de oplossing veranderd?... Een oplossing van 0,5 g zout per 50 ml heeft nog altijd een concentratie van 1 g zout per 100 ml. De oplosbaarheid van een zout stemt overeen met de hoogst mogelijke concentratie van een zout bij een welbepaalde temperatuur. Massaconcentratie = Neerslagreacties Oplosbaarheid Niet alle ionverbindingen lossen even goed op in water. Bij sommige zouten is de oplosbaarheid bijna onbeperkt, andere zouten zijn praktisch onoplosbaar. Doe telkens 0,40 g van respectievelijk Ba(OH) 2, Cu(OH) 2, CuSO 4 en BaSO 4 in vier reageerbuisjes. Voeg aan elk reageerbuisje 10 ml water toe en schud goed. Rangschik de stoffen naar toenemende mate van oplosbaarheid:.... Hierboven deden we telkens 0,40 g van een stof in 10 ml water. De procentuele samenstelling van een oplossing is het aantal gram opgeloste stof per 100 ml oplossing. In dit geval is de procentuele samenstelling... Zouten kunnen oplossen in water doordat de bindingen in het rooster verbroken worden door de inwerking van het oplosmiddel. Er treden twee tegengestelde krachten op: hydratatie en de elektrostatische aantrekkingskracht tussen de ionen. - Hydratatie. De watermoleculen oriënteren zich rond de ionen, zodat de krachten tussen de ionen onderling verzwakt worden. Deze krachten bevorderen het oplossingproces. Chemie 4/1 16

18 - Elektrostatische aantrekkingskrachten tussen de ionen. Deze krachten vormen in feite de ionbinding, ze houden het rooster bij elkaar. Deze krachten werken het oplossingsproces tegen. Naargelang één van deze twee krachten overheerst zal een verbinding goed, matig of slecht oplosbaar zijn. Op de volgende bladzijde kun je een tabel raadplegen waarin staat aangegeven of bepaalde stoffen goed op slecht oplosbaar zijn (bij kamertemperatuur). Goed oplosbare stoffen hebben een procentuele samenstelling van meer dan 1%, slecht oplosbare stoffen hebben een procentuele samenstelling van minder dan 0,1%. De oplosbaarheid van een ionverbinding is de maximale procentuele samenstelling die bereikt kan worden. De oplosbaarheid wordt aangegeven met het aantal gram van de stof dat maximaal kan oplossen per 100 ml bij een gegeven temperatuur. Zo is de oplosbaarheid van NaCl bij 20 C gelijk aan 36 g per 100 ml (zeer goed oplosbaar), voor Ca(OH) 2 0,156 g per 100 ml (matig oplosbaar) en voor CaCO 3 0,0014 g per 100 ml (slecht oplosbaar). De oplosbaarheid is sterk afhankelijk van de temperatuur: hoe hoger de temperatuur, hoe beter de oplosbaarheid. OEFENINGEN 24. Zoek in de tabel de oplosbaarheid van volgende zouten op: AlCl 3, PbCO 3, Ca(OH) 2, K 2 SO 4, FeS en AgCl Neerslagreacties Wat gebeurt er nu als je twee zoutoplossingen met elkaar mengt? Maak een afzonderlijke oplossing van CaCl 2 en van Na 2 CO 3. Giet beide oplossingen samen in een bekerglas. Wat ontstaat er door het samenvoegen van beide oplossingen?... Is CaCl 2 goed oplosbaar in water?... Is Na 2 CO 3 goed oplosbaar in water?... Schrijf de dissociatievergelijkingen van beide stoffen op. CaCl 2 :... Na 2 CO 3 :... Door het mengen komen al deze ionen samen voor in de oplossing. Welke hercombinaties kunnen er nu gebeuren? Chemie 4/1 17

19 Groep Positief ion Goed oplosbaar Slecht oplosbaar Ia Li + Na + K + NH 4 + IIa Mg 2+ Ca 2+ Ba 2+ Overgangselementen Cr 2+ Mn 2+ Fe 2+ Fe 3+ Co 2+ Ni 2+ Cu 2+ Zn 2+ Cd 2+ Overgangselementen Ag + Alle zouten Chloride Bromide Jodide Nitraat Mg-sulfaat Mg-sulfiet Ba-hydroxide Chloride Bromide Jodide Nitraat Sulfaat Geen Sulfide Carbonaat Fosfaat Silicaat Ca-sulfaat Ba-sulfaat Ca-sulfiet Ba-sulfiet Ca-hydroxide Mg-hydroxide Sulfide Carbonaat Fosfaat Silicaat Sulfiet Hydroxide Hg 2+ Nitraat Alle overige IIIa Al 3+ Chloride Bromide Iva Sn 2+ Jodide Nitraat Sulfaat Iva Pb 2+ Chloride Bromide Nitraat Sulfide Carbonaat Fosfaat Silicaat Sulfiet Hydroxide Jodide Sulfide Carbonaat Fosfaat Silicaat Sulfiet Hydroxide Chemie 4/1 18

20 Probeer zelf de combinaties te maken: Ca 2+ kan zich hergroeperen met Cl -, Na + met CO 2-3, Na + met Cl - en Ca 2+ met CO 2-3. Welke stoffen worden daarbij telkens gevormd? Schrijf de reactievergelijkingen op en vergeet niet dat je reactievergelijking moet kloppen (dus pas de coëfficiënten aan)..... De eerste twee combinaties moeten we niet verwachten. Ze gebeuren immers ook niet in de oorspronkelijke oplossingen. Van de derde weten we al langer dat ze niet gebeurt. Waarom niet?... De vierde mogen we wel verwachten op basis van de gegevens van de oplosbaarheidstabel. Ca en CO 3 zullen zich verbinden, waarbij het slecht oplosbare CaCO 3 gevormd wordt. Dit is de neerslag die we zagen Ionreactievergelijkingen voor neerslagreacties Wanneer ionverbindingen oplossen, worden de verbindingen gedissocieerd. We stellen dat voor door middel van een dissociatievergelijking. Bij een neerslagreactie worden bepaalde positieve en negatieve ionen opnieuw verbonden in een ionrooster. We kunnen deze opeenvolging van reacties overzichtelijk voorstellen door middel van een ionreactievergelijking voor neerslagreacties. Je moet steeds dezelfde vier stappen doorlopen. Probeer dit te begrijpen aan de hand van de neerslagreactie die optreedt wanneer Na 3 PO 4 en CaNO 3 samengevoegd worden. Stap 1: dissociatievergelijking. Na 3 PO 4 3Na PO 4 Ca(NO 3 ) 2 Ca NO 3 Stap 2: neerslagvergelijking. Bij het opstellen van de neerslagvergelijking worden de ionen die we bij de dissociatievergelijking verkrijgen op één regel geschreven. Voorlopig worden de voorgetallen die in de dissociatievergelijking voorkomen gewoon overgenomen. 3Na + + PO Ca NO 3 We sporen op welke ionen zich kunnen verbinden tot een slecht oplosbaar zout. De verhoudingsformule van het onoplosbare zout wordt onder de ionen Chemie 4/1 19

21 voorgesteld in overeenstemming met de neutraliteitsregel (Ca 3 (PO 4 ) 2 ). Ionen die opgelost blijven, worden niet verbonden tot een verhoudingsformule. 3Na + + PO Ca NO 3 Ca 3 (PO 4 ) 2 Als er geen ionen zijn die aanleiding geven tot een slecht oplosbaar zout, dan wordt dat vermeld en wordt de vergelijking niet voort uitgewerkt. Opgelet: op basis van de index in de verschillende formules worden de voorgetallen in de neerslagvergelijking indien nodig aangepast. Ca 3 (PO 4 ) 2 vereist 3 Ca 2+ -ionen, zodat we moeten vertrekken van 3Ca NO 3 (de hele dissociatievergelijking moet hiervoor drie maal doorgaan). Ca 3 (PO 4 ) 2 vereist 2 PO 3-4 -ionen, zodat we moeten vertrekken van 6Na PO 4 (de hele dissociatievergelijking moet hiervoor twee maal doorgaan). Stap 3: vereenvoudigde neerslagvergelijking. Bij de vereenvoudigde neerslagvergelijking worden alleen de ionen en verhoudingsformules die aanleiding geven tot een neerslag op één regel voorgesteld. De voorgetallen worden altijd zo eenvoudig mogelijk gehouden. 3Ca PO 3-4 Ca 3 (PO 4 ) 2 Stap 4: reactievergelijking. In de volledige reactievergelijking worden alle stoffen van alle deelvergelijkingen opgeteld. Stoffen die links en rechts van de pijl voorkomen, schrappen we. 2Na 3 PO 4 + 3Ca(NO 3 ) 2 Ca 3 (PO 4 ) 2 + 6NaNO 3 Het schrijven van ionreactievergelijkingen is iets dat je enkel leert door er veel te maken. Dus: aan de slag! OEFENINGEN 25. Stel de ionreactievergelijking voor. Uiteraard pas je eerst de neutraliteitsregel toe om de formules van de zouten te vinden. - Kaliumjodide + zilvernitraat - Koper(II)sulfaat + kaliumhydroxide - Lood(II)chloride en kaliumjodide - Magnesiumnitraat + koper(ii)jodide - Aluminiumnitraat en natriumsulfide - Kaliumfosfaat + zinkbromide Chemie 4/1 20

22 - Kwik(II)nitraat + ijzer(iii)chloride - Bariumhydroxide + aluminiumnitraat - Koper(II)chloride + natriumfosfaat - Natriumcarbonaat + aluminiumchloride - Koper(II)sulfaat + ijzer(ii)chloride - IJzer(III)nitraat + natriumsulfide - Lithiumfosfaat + calciumchloraat - Koper(II)sulfaat en natriumhydroxide - IJzer(III)nitraat en bariumhydroxide - Bariumchloride en kaliumsulfaat - Bariumchloride en aluminiumsulfaat - Koper(II)nitraat en natriumhydroxide - Ammoniumfosfaat en zilvernitraat - Calciumnitraat en natriumfosfaat Toepassingen van neerslagvorming Het optreden van neerslagen kan soms hinderlijk zijn, zoals in het geval van hard water. Leidingwater bevat steeds een hoeveelheid Ca 2+ -ionen. Indien deze concentratie zeer hoog is, spreekt men van hard water. De hardheid van water kan op verschillende manieren schadelijk zijn. De calciumionen kunnen reageren met het in water opgeloste CO 2 -gas, zodat vast CaCO 3 gevormd wordt: dit is de oorzaak van ketelsteen en verstopping van leidingen (waterverwarmer, koffiezetapparaat). Ca 2+ -ionen vormen ook een neerslag met zeep. Zeep is een K + - of Na + -zout van een organisch zuur en kan worden voorgesteld door RCOO - Na +. In aanwezigheid van Ca 2+ -ionen slaat het onoplosbare Ca 2+ -zout neer. Hierdoor zal het gebruik van zeep bemoeilijkt worden in geval van hard water Leerlingenpracticum neerslagreacties Chemie 4/1 21

23 Hoofdstuk 2: van brandstof tot kunststof 2.1 Organische chemie Maak een tekening van je leefomgeving, zoals een kind van 10 jaar het zou doen. Merk je dat je een huis hebt getekend met mensen, waarschijnlijk ook bloemen, bomen en huisdieren. En je hebt waarschijnlijk ook de grond getekend, eventueel de zee of een rivier en de zon? Kun je deze materie opdelen in twee grote groepen?... Bestaat er een fundamenteel verschil tussen de stoffen waaruit levende wezens zijn opgebouwd en degene die we aantreffen in het levenloze? Die vraag heeft wetenschappers gedurende eeuwen beziggehouden. Voor de stoffen die door levende wezens worden gevormd, werd een aparte wetenschappelijke stofklasse bedacht:... Stoffen die specifiek gevormd worden in planten of dieren blijken altijd het element koolstof te bevatten. Organische stoffen zijn dus... De tak van de chemie die deze organische stoffen bestudeert, noemen we daarom ook de... De tak van de chemie die de niet-organische stoffen bestudeert, noemen we dan de Er bestaan enkele uitzonderingen van koolstofverbindingen die toch niet tot de organische stoffen worden gerekend: ze komen voor in de atmosfeer en gesteenten: Chemie 4/1 22

24 CO, CO 2, H 2 CO 3 en de afgeleiden hiervan, zoals bijvoorbeeld CaCO 3, beter gekend onder de triviale naam: kalkgesteente. Opgelet: zowel de organische als de anorganische stoffen zijn onderhevig aan dezelfde chemische en fysische wetten. Er is geen fundamenteel verschil. Met andere woorden: de opdeling in deze twee klassen is puur historisch! OEFENING 26. Klasseer de volgende stoffen als organische of anorganische stoffen: H 2 O, CCl 4, C 6 H 12 O 6, NH 3, C 5 H 12, O 2, Na 2 CO Aardolie Het is zeker niet overdreven om te stellen dat de organische chemie een grondige impact heeft op ons dagelijks leven; vooral de laatste decennia heeft deze tak van de chemie de wind in de zeilen gekregen. Dat is ook een van de redenen waarom we deze stoffen van dichterbij gaan bekijken. Tegenwoordig noemt men de studie van de werking van organische verbindingen in relatie met levende wezens biochemie. Petrochemie houdt zich over het algemeen bezig met de organische verbindingen op basis van aardolie. Oleochemie gaat over organische verbindingen op basis van natuurlijke, plantaardige en dierlijke, oliën en vetten. In wat volgt leggen wij ons toe op de petrochemie. Om te beginnen bij aardolie Aardolie is een mengsel van verschillende koolwaterstoffen. Probeer uit de naam af te leiden wat koolwaterstoffen zijn..... Door gefractioneerde destillatie van aardolie kan men de aardolie scheiden in verschillende fracties die op zich allemaal bestaan uit een mengsel van verschillende koolwaterstoffen. De eerste fractie zijn de aardoliegassen (waaronder LPG), de tweede fractie is benzine, de derde fractie kerosine en onder de vierde fractie vallen alle gasoliën, waaronder diesel en stookolie. Binnen de koolwaterstoffen zijn de atomen met elkaar verbonden via atoombindingen. Maar wat zijn atoombindingen? Chemie 4/1 23

25 2.3 Atoombinding of covalente binding Bij een atoombinding delen de atomen elkaars elektronen om zo tot de edelgasconfiguratie te komen. Met deze vorm van binding worden moleculen gevormd. Bekijk de vorming van H 2 (uit de reactie tussen Mg en HCl) om het mechanisme achter de atoombinding beter te begrijpen. Twee moleculen HCl leveren elk één atoom H. Daarna verbinden die atomen zich twee aan twee. Beide atomen hebben elk één elektron. Om de edelgasconfiguratie van He te bereiken, moeten ze echter allebei twee elektronen op de buitenste schil hebben. Als twee waterstofatomen heel dicht bij elkaar komen, wordt het elektron van het ene waterstofatoom niet alleen aangetrokken door de eigen kern, maar ook door de kern van het ander waterstofatoom. Dat betekent dat beide elektronen bij voorkeur plaatsnemen tussen beide kernen. Zo ontstaat een... of een... Dergelijke atoombindingen worden voorgesteld aan de hand van een structuurformule. Dat is een grafische, tweedimensionale weergave van de structuur van een molecule. In zijn simpelste vorm geeft een structuurformule de verschillende atomen weer met de plaats van de atoombindingen tussen de verschillende atomen. Elk atoom kan enkel bindingen aangaan met de elektronen op de buitenste schil, de valentie-elektronen. Deze valentie-elektronen worden voorgesteld door stippen of streepjes volgens een vast stramien: Chemie 4/1 24

26 Wanneer je voor een molecule elk atoom met zijn valentie-elektronen hebt opgesteld, is het enkel nog een kwestie van verbinden van stipjes. Enkel vrije elektronen (stippen) kunnen atoombindingen aangaan. Elk atoom kan maximaal drie atoombindingen aangaan. Een enkelvoudige atoombinding wordt voorgesteld door een liggend streepje, een dubbele atoombinding door een dubbele streep en een drievoudige atoombinding door een drievoudig streepje. Structuurformules kunnen heel eenvoudige voorstellingen zijn (bijvoorbeeld H 2, O 2 en N 2 ), maar kunnen ook heel ingewikkelde tekeningen worden. Chemie 4/1 25

27 Stel zelf de structuurformule van HCl, H 2 O en N 2 voor. OEFENINGEN 27. Leg uit op welke manier een atoombinding ontstaat tussen de atomen in H 2, HCl, H 2 O, Cl 2 en O Stel de elektronen van de buitenste schil voor bij P, Br, Si, S en Ar. 29. Stel het ontstaan van de atoombinding en de structuurformule voor van I 2, HBr, CH 4, CO 2, S 8 (de acht zwavelatomen vormen een gesloten ringstructuur). Ar: 18 elektronen O: 8 elektronen Br: 35 elektronen P: 15 elektronen Cl: 17 elektronen S: 16 elektronen H: 1 elektron Si: 14 elektronen 30. Stel de structuurformules voor van de volgende stoffen: NH 3 (ammoniakgas), SiO 2 (zand), PCl 3 (fosfortrichloride), P 2 O 3 (difosfortrioxide volgorde van de atomen: O P O P O), C 2 H 6 (ethaan de twee C-atomen zijn onderling verbonden en op elke C staan drie H s), C 3 H 8 (propaan), C 4 H 10 (butaan). 2.4 Alkanen Methaan: voorkomen Lang geleden, toen er nog echt donkere nachten waren, werd een late bezoeker van het kerkhof soms opgeschrikt door blauwe dwaallichtjes. Dat is methaan (CH 4 ), een gas dat uit de aarde opstijgt, gemengd met een geringe hoeveelheid waterstoffosfide (PH 3 ). Deze beide stoffen ontbranden spontaan na contact met de lucht. CH 4 is het meest eenvoudige koolwaterstof: het bestaat uit een koolstof met daaraan gebonden vier waterstofatomen. Misschien heb je al eens gezien hoe uit een moeras gasbellen vrijkomen. Dat moerasgas is ook CH 4. Chemie 4/1 26

28 Bij het verrottingsproces van plantaardig of dierlijk materiaal wordt CH 4 gevormd. Tegenwoordig wordt dat proces op industriële schaal uitgevoerd door de biologische afbraak van afvalstoffen; we spreken dan van biogas. Ook het gevreesde mijngas dat gemengd met lucht in steenkoolmijnen ernstige ontploffingen (grauwvuur) kan veroorzaken, bestaat uit CH 4. Aardgas bestaat voor meer dan 80% uit CH 4. Dat maakt van aardgas de belangrijkste bron voor het winnen van methaan. In België wordt het aardgas vooral geïmporteerd uit Nederland (via ondergrondse leidingen) en meer recent ook uit Algerije. Dat Algerijns gas wordt eerst via een meer dan 500 km lange leiding vervoerd naar de Algerijnse kust. Daar wordt het vloeibaar gemaakt en in de methaantanker Methania geladen, die het verscheept naar de aardgasterminal in Zeebrugge. Algerijns gas wordt ook rijk aardgas genoemd omdat het een veel groter percentage aan CH 4 bevat dan Nederlands aardgas. De samenstelling van aardgas varieert sowieso naargelang de vindplaats. Wegens deze verschillen moesten enkele jaren geleden alle aardgastoestellen omgebouwd worden. Op zich is aardgas reukloos, maar men voegt er wel geurstoffen aan toe. Waarom?. Bij een aardgasconcentratie van 1% is de gasreuk reeds waarneembaar. Als je nu weet dat er pas ontploffingsgevaar is vanaf 5 à 15%, mag je vanavond op je beide oren slapen! Aardgas is de zuiverste van alle fossiele brandstoffen en dus zeer milieuvriendelijk. Bij de verbranding ontstaan geen stoffen die roet afgeven. In tegenstelling tot andere brandstoffen wordt bij aardgas ook geen giftig CO gevormd. Waarom is dit giftig?... De hoeveelheid SO 2 die ontstaat is eveneens zeer klein, waardoor er evenmin sterke luchtverontreiniging optreedt. Aardgas bevat ook geen O 2. Door de afwezigheid van dit gas is roesten van de stalen buizen onmogelijk. De vervuilende stoffen die bij de verbranding van aardgas wel vrijkomen, zijn stikstofoxiden, NO x. Maar ook hier scoort aardgas opvallend goed: de productie van stikstofoxiden ligt doorgaans beduidend lager dan bij de andere brandstoffen. Chemie 4/1 27

29 2.4.2 Methaan als meest eenvoudige alkaan CH 4 is het eenvoudigste voorbeeld van een verzadigde ketenstructuur: het skelet beperkt zich tot één koolstofatoom. De structuurformule geeft de indruk dat de vier waterstofatomen gerangschikt zijn in een plat vlak rond het koolstofatoom met een onderlinge hoek van 90. De moleculemodellen laten ons zien dat de symmetrie echter driedimensionaal is. Hoe noemen we dergelijke structuur?... De vier waterstofatomen bekleden de hoekpunten van een tetraëder rond het centrale koolstofatoom en de onderlinge hoeken zijn telkens... Op een structuurformule wordt dit soms als volgt voorgesteld: Ethaan Vervangen we een waterstofatoom door een koolstofatoom, dan geeft dat de aanzet tot het bouwen van een ketenstructuur met twee koolstofatomen, ethaan (C 2 H 6 ). Verandert dit iets aan de hoeken van 109?... We spreken dus nog steedss van een tetraëderstructuur. Chemie 4/1 28

30 2.4.4 Propaan Bekijk ook eens propaan (C 3 H 8 ): Is de keten altijd een rechte lijn als je het moleculemodel bekijkt?... Hoe kun je de keten dan wel beschrijven?... Voor de eenvoud stelt men dit wel steeds voor in structuurformules als een rechte keten, maar onthoud dat dit in werkelijkheid niet het geval is Algemeen: alkanen Zo kunnen we steeds verder gaan en telkens een laatste waterstofatoom vervangen door een extra koolstofatoom, aangevuld met waterstofatomen. Zo krijg je steeds een nieuw alkaan met een langer koolstofskelet. Noteer de formule van de eerste vijf alkanen. Naam Formule Methaan Ethaan Propaan Butaan Pentaan Wat is de algemene formule van de alkanen?... Wat geeft de index bij de waterstofatomen aan?... De naam van deze verbindingen wordt gevormd door een stam, afhankelijk van het aantal koolstofatomen, gevolgd door een uitgang. Voor de alkanen is de uitgang steeds aan. Voor de eerste vier alkanen gebruikt men de historisch gegroeide voorvoegsels meth- (C 1 ), eth- (C 2 ), prop- (C 3 ) en but- (C 4 ), vanaf vijf koolstofatomen Chemie 4/1 29

31 gebruikt men de voorvoegsels van de Griekse telwoorden: penta- (C 5 ), hexa- (C 6 ), hepta- (C 7 ), octa- (C 8 ), nona- (C 9 ) en deca- (C 10 ). Alkanen met meer dan tien koolstofatomen noemen we... Alle alkanen zijn verzadigd, wat betekent dat? Isomerie Als je aan de koolstofketen telkens één koolstofatoom toevoegt, stel je vast dat er vanaf vier koolstofatomen (butaan) meer dan één mogelijkheid is. Vertrekkend van propaan kun je een vierde koolstofatoom binden op een koolstofatoom aan het einde van de keten of in het midden van de keten. In dat laatste geval ontstaat een vertakte keten. Isobutaan is een vertakt alkaan. Wat is de moleculeformule van butaan?... Wat is de moleculeformule van isobutaan?... Wat is verschillend?... Butaan en isobutaan zijn isomeren:... Het aantal isomeren neemt duizelingwekkend snel toe met het aantal koolstofatomen. Zo zijn er 5 isomeren voor hexaan, 9 voor heptaan, 75 voor decaan en voor de koolwaterstof met 20 koolstofatomen. Het spreekt vanzelf dat niet al deze stoffen in de natuur voorkomen, maar toch is het aantal natuurlijke alkanen enorm groot. Het gevolg daarvan is dat de hogere alkanen zelden als zuivere stoffen voorkomen, maar wel als mengsels van verschillende stoffen en isomeren. Chemie 4/1 30

32 2.4.7 Nomenclatuur Om het groot aantal mogelijke verbindingen een ondubbelzinnige naam te kunnen geven, bestaan er logische regels: de nomenclatuur. Deze systematische namen zijn opgesteld volgens internationale voorschriften. 1. Bepaal de langste keten in de molecule. Dit is de hoofdketen. 2. Nummer de koolstofatomen van de langste keten: nummer 1 wordt toegekend aan één uiteinde, zodat de eerste vertakking op een zo laag mogelijk nummer begint. Bij meerdere vertakkingen moet de som van de vertakkingen zo laag mogelijk zijn. 3. Bepaal de namen van de vertakkingen in alfabetische volgorde. Bijvoorbeeld: CH 3 = methyl-, C 2 H 5 = ethyl-, C 3 3H 7 = propyl-, C n H 2n+1 = alkyl-. 4. De uiteindelijke naam wordt gevormd door de combinatie van bovenstaande drie punten. In de figuur op de volgendee bladzijde worden enkele voorbeelden gegeven. OEFENINGEN 31. Leg op de structuurformule van de volgende stoffen de regels van de nomenclatuur uit: 3-methyloctaan, 4-ethyl-3-methyloctaan, 3,4-dimethyloctaan, 3,3- dimethyloctaan, 4-ethyl-3,6-dimethyloctaan. 32. Stel de vijf isomeren van hexaan voor en geef de naam. Chemie 4/1 31

33 Chemie 4/1 32

34 33. Geef de naam van de volgende structuurformules. H H H H H - C - C - C - C - H H H H H - C - H H H H H H H H - C - C - C - C - C - H H H H H H - C - H H - C - H H 2.5 Halogeenalkanen H H H H H - C - C - C - C - H H H H H - C - H H - C - H H Met moleculemodellen van alkanen kan je spelenderwijs een waterstofatoom dat gebonden is aan een koolstofatoom wegnemen. Zo komt er een plaats vrij voor een ander element. Deze substitutie is ook in werkelijkheid mogelijk als we er een stof aan toevoegen die sterk geneigd is te reageren: diatomische gassen bijvoorbeeld. Waar staan de halogenen in het periodiek systeem der elementen?... Geef enkele voorbeelden.... Neem het bolletjesmodel van een alkaan en vervang een waterstof door chloor. Welk molecule heb je nu gemaakt?... Chemie 4/1 33

35 Bekijk onderstaande reactiereeks: Cl 2 2Cl. CH 4 + 2Cl. CH 3 Cl + HCl Algemene reactievergelijking: CH 4 + Cl 2 CH 3 Cl + HCl Dergelijke reacties noemen we substitutiereacties. Er wordt immers een waterstofatoom gesubstitueerd of vervangen door een halogeen. Schrijf de drie reactievergelijkingen op als je verder substitutiereacties doorvoert op de overblijvende waterstoffen, telkens met Cl 2. Het uiteindelijk verkregen molecule is CCl 4 (koolstoftetrachloride of tetrachloormethaan). OEFENINGEN 34. Leg het mechanisme uit van de substitutiereactie voor methaan en dichloor en voor pentaan en dibroom. 35. Leg uit welke isomeren van monobroompentaan kunnen optreden en geef de naam. 36. Stel de monosubstitutie van butaan met dichloor voor met een reactievergelijking en een structuurformule. Geef de verschillende isomeren. 37. Welke uitgangsstoffen heb je nodig om freon CClF 3 te bereiden? Noteer elke reactievergelijking. 2.6 Alkenen Koolwaterstoffen worden ingedeeld in verzadigde en onverzadigde koolwaterstoffen. Wat is er specifiek aan de onverzadigde koolwaterstoffen?... De alkenen vormen een eerste groep van onverzadigde koolwaterstoffen. Bij de alkenen bezit elk molecule minstens één dubbele binding Etheen Het meest bekende alkeen is etheen. De triviale naam is... De brutoformule ervan is C 2 2H 4. Chemie 4/1 34

36 Waarom bestaat er geen alkeen met slechts één koolwaterstof?... Grote hoeveelheden C 2 H 4 worden in de fruitindustrie aangewend. Het is immers zo dat fruit in een etheenatmosfeer vlugger rijpt dan anders. De verklaring daarvoor ligt in het feit dat C 2 H 4 een natuurlijk plantenhormoon is, dat vruchtrijping en bladval bevordert. Je begrijpt meteen het enorme voordeel: reusachtige hoeveelheden onrijp fruit (onder andere tropische fruitsoorten) kunnen zonder schade getransporteerd worden om daarna, op de plaats van verkoop, gerijpt te worden in een ruimte, gevuld met C 2 H 4. Of het ook zo gezond is, kun je je natuurlijk ook afvragen. De smaak lijdt er alleszins onder, vraag dat maar eens aan iemand die al van echt tropisch fruit (ter plaatse) heeft geproefd. Welke hoeken zie je nu tussen de koolstoffen en de waterstoffen?... Hoe noemen we dergelijke structuur? Nomenclatuur van de alkenen Bekijk onderstaande tabel met de eerste vier alkenen. Als je de namen van de alkanen uit je hoofd hebt geleerd en nog steeds kent, dan zie je dat het niet dom was om dat te doen. Je kunt dat nu hergebruiken: Naam Formule Etheen C 2 H 4 Propeen C 3 H 6 Buteen C 4 H 8 Penteen C 5 H 10 Chemie 4/1 35

37 De namen van de alkenen zijn afgeleid van de namen van de overeenkomstige alkanen. Ze hebben dezelfde stam, maar hier wordt de uitgang -een gebruikt. Zie je een algemene patroon?... Voor alkenen gelden verder analoge nomenclatuurregels als voor de alkanen. Je ziet dat de plaats van de dubbele binding nu wel van belang is. Om deze plaats aan te duiden, kennen we een nummer toe aan het koolstofatoom waaraan de dubbele binding begint. Net zoals bij de vertakte alkanen moet dat nummer zo klein mogelijk zijn. Zie je deze redenering in onderstaande figuur? OEFENINGEN 38. Leg op de structuurformules van 2-penteen en 3-methyl-1-buteen de regels van de nomenclatuur uit. 39. Stel de structuurformule van 4-methyl-2-penteen en 3,3-dichloor-1-buteen voor. 40. Geef de naam van de stoffen met de volgende structuurformules. H H - C H - C H H H H H H H - C - C - C - C - C - C - C - H H H H H H H H H H H H Cl - C - C = C - C - Cl H H Chemie 4/1 36

38 2.6.3 Additiereacties We zagen reeds hoe halogeenalkanen gemaakt worden met substitutiereacties. Door de dubbele binding opnieuw ter beschikking te stellen, kunnen alkenen zich binden met bijvoorbeeld halogenen zonder het verlies van een waterstof. Stel de reactievergelijking op voor de reactie van Cl 2 met C 2 H 4 :.... Dergelijke reacties noemenn we additiereacties. Waarom?... Wat is het verschil met substitutiereacties?... OEFENINGEN 41. Stel de additiereactiee van C 2 H 4 met Br 2 voor en geef de naam van het reactieproduct. 42. Stel de additiereactie van 1-buteen met Cl 2 voor en geef de naam van het reactieproduct. 2.7 Alkynen Ethyn Het meest bekende alkyn is ethyn (triviale naam: acetyleen) met als formule C 2 H 2. Chemie 4/1 37

39 Er is een drievoudige binding aanwezig. We zeggen daarom ook dat ethyn sterk onverzadigd is: het is bijzonder reactief. In mensentaal wil dit eigenlijk zeggen dat ethyn een heel gevaarlijk product is. Welke hoek wordt gevormd tussen de koolstof- en waterstofatomen?... Welke structuur krijg je? Nomenclatuur van de alkynen De naamgeving is analoog als bij de alkenen. We werken nu wel met de achtervoegsels yn in plaats van een. Naam Formule Koolstofskelet ethyn propyn 1-butyn 2-butyn 2-pentyn hexyn Isomerie Ook hier kan isomerie voorkomen, afhankelijk van waar de drievoudige binding voorkomt Additiereacties Ook additiereacties treden op bij alkynen. Er is namelijk een drievoudige binding die kan opgebroken worden. Geef zelf de reactievergelijking van de reactie van C 2 H 2 met Br 2. Chemie 4/1 38