... Welke eigenschappen hebben watermoleculen die niet terug te vinden zijn bij CCl 4?

Transcriptie

1 Hoofdstuk 4: Water 4.1 Water, een geval apart Water is de gewoonste stof op onze aardbol. Twee derde van het aardoppervlak is ermee bedekt. Water is opgebouwd uit eenvoudige moleculen die bestaan uit twee waterstofatomen en één zuurstofatoom. Toch is water een bijzondere stof, al is het maar omdat het bij kamertemperatuur een vloeistof is in plaats van een gas. Er lossen zeer veel andere stoffen in op: water is het oplosmiddel voor alle leven! 4.2 Polaire en apolaire bindingen en verbindingen Water geleidt de elektrische stroom niet. Waarom niet?... Waaruit bestaat water dan wel?... Wrijf een plastic staaf met een wollen doek. Daardoor wordt ze negatief geladen. Hou de staaf naast een waterstraal. Wat neem je waar?... Wrijf een glazen staaf met een krant. Daardoor wordt ze positief geladen. Hou de staaf naast een waterstraal. Wat neem je waar?... Waarom had je dit wel of niet verwacht?... Herneem het experiment met koolstoftetrachloride (CCl 4 ) of petroleum, wat merk je?... Welke eigenschappen hebben watermoleculen die niet terug te vinden zijn bij CCl 4?... Het vermogen van een atoom om in een binding met een ander atoom elektronen naar zich toe te trekken, noemen we de elektronegativiteit (afkorting: EN). Wat is de elektronegatieve waarde van zuurstof?... Wat is de elektronegatieve waarde van waterstof?... Daardoor is zuurstof meer geneigd om elektronen aan te trekken dan waterstof. Dit betekent dat het gemeenschappelijke elektronenpaar meer opgeschoven is naar... We spreken van een polaire atoombinding. Het zuurstofatoom krijgt dus een... deellading, het waterstofatoom een... deellading. Structuurformule van water, met de deelladingen en waterstofbruggen: Chemie 4/2 41

2 Omdat we bij dergelijke moleculen een vlak kunnen trekken door het midden, waarbij er langs de ene kant meer positieve ladingen zijn en langs de andere kant meer negatieve, hebben we dus een positieve kant of pool en een negatieve kant of pool. We spreken van dipoolmoleculen of polairemoleculeverbindingen. EN tussen H en H is 2,1 2,1 = 0. De atoombinding is bijgevolg apolair. In de molecule H 2 kunnen we geen negatieve en positieve pool waarnemen. H 2 is een apolaire moleculeverbinding. EN tussen C en Cl is 3,0 2,5 = 0,5. De atoombinding tussen C en Cl is bijgevolg polair. De molecule CCl 4 heeft een symmetrische tetraederstructuur. Je kan geen centraal vlak trekken met meer ladingen aan de ene of de andere kant. CCl 4 is een apolaire moleculeverbinding. OEFENINGEN EN tussen H en Cl is 3,0 2,1 = 0,9. De atoombinding tussen H en Cl is bijgevolg polair. In de molecule HCl kunnen we een positieve en een negatieve pool waarnemen. HCl is een polaire moleculeverbinding. EN tussen H en Br = 0,7. De atoombinding tussen H en Br is bijgevolg polair. In de molecule HBr kunnen we een positieve en een negatieve pool waarnemen. HBr is een polaire moleculeverbinding. Het dipoolkarakter is echter zwakker dan dat van HCl. 30. Leg aan de hand van de structuurformule uit waarom de volgende moleculen wel of geen dipoolmoleculen zijn: H 2 S, HF, CO 2, CBr 4, Cl 2, HBr, O Leg aan de hand van een voorbeeld uit wat: - partiële ladingen zijn. - wat een polaire atoombinding is. - wat een apolaire moleculeverbinding is. - wat het verschil is tussen een polaire atoombinding en een polaire moleculeverbinding. - wat een waterstofbrug is. 32. Geef voor de volgende stoffen de structuurformule, het polair of apolair karakter van de binding en het polair of apolair karakter van de molecule: ICl, NH 3, CS 2, I 2, CH 4, HI, PCl 3, SO Waterstofbruggen Door het polair karakter van watermoleculen worden de waterstofatomen van de ene molecule aangetrokken door de zuurstofatomen van de naburige moleculen. Daardoor hangen de watermoleculen sterker aan elkaar dan bij apolaire moleculen. Daardoor is water bijvoorbeeld vloeibaar in plaats van gasvormig. Chemie 4/2 42

3 4.4 Moleculeverbindingen oplossen Zitten moleculeverbindingen hechter aan elkaar vast in polaire of apolaire moleculeverbindingen?... Wat wordt dikwijls gebruikt als oplosmiddel?... Is dat een polaire of een apolaire moleculeverbinding? Polair zoekt polair Is ethanol een polaire of een apolaire moleculeverbinding?... Is water een polaire of een apolaire moleculeverbinding?... Lost ethanol op in water?... Lost water op in ethanol?... Neem een proefbuis en vul die met water en een apolair oplosmiddel zoals koolstoftetrachloride of benzine en doe enkele CuSO 4 -kristallen in het buisje en schud goed. Wat neem je waar? Apolair zoekt apolair Neem een proefbuis en vul die met water en een apolair oplosmiddel zoals koolstoftetrachloride of benzine en doe enkele I 2 -kristallen in het buisje en schud goed. Wat neem je waar?... Conclusie:... Chemie 4/2 43

4 4.5 Bindingstypes: van atoombinding tot ionbinding Water is een polaire moleculeverbinding. Een polaire moleculeverbinding komt voor tussen atomen met een partiële lading. Zouten zijn geen moleculeverbindingen, maar... Het zijn dus bindingen tussen metalen en niet-metalen. Neem als voorbeeld aluminiumjodide AlI 3. Is deze ionbinding polair of apolair? Verklaar ook hier aan de hand van de elektronegatieve waarden van aluminium en zuurstof:... Een ionbinding komt dus voor tussen ionen met een ionlading. De waarde van een partiële lading is altijd kleiner dan de waarde van een ionlading, omdat de elektronen bij atoombindingen slechts gedeeltelijk verschuiven, terwijl ze bij ionen volledig overspringen. Als het verschil in elektronegatieve waarde toeneem, stijgt ook de waarde van de partiële lading. Vanaf een bepaalde waarde van EN is de partiële lading zo groot dat er geen duidelijk onderscheid meer bestaat tussen een atoombinding en een ionbinding. Dat is bij water bijna het geval ( EN = 1,4). EN = 1,6 wordt gezien als grens tussen atoombinding en ionbinding. In werkelijkheid bestaat er geen echte grens, maar is de overgang geleidelijke: - EN = 0:... (voorbeeld: Cl 2 ) - 0 < EN < 1,5:... (voorbeeld HCl) - EN = 1,5: ,5 < EN < 3,2:... (voorbeeld NaCl) - EN = 3,2:... (voorbeeld KF) OEFENINGEN 33. Rangschik de stoffen in dalende volgorde van atoombinding naar ionbinding: CaCl 2, LiCl, AlCl 3, Na 2 O, KI, K 2 O en BaCl Voorspel de oplosbaarheid van de onderstaande stoffen, respectievelijk in H 2 O en CCl 4 : HCl, NaCl, I 2, CH 4, H 2 SO 4, O 2 en H Dissociatie van ionverbindingen en verhoudingsformules Welk soort verbinding is keukenzout (NaCl)?... Lost keukenzout goed op in het polaire oplosmiddel water?... Wat gebeurt er met NaCl bij smelten of oplossen?... Zouten zijn elektrolyten:... Het ontstaan van vrije ionen uit een ionverbinding, noemen we de dissociatie van ionen. Dissociatievergelijking van keukenzout:... Leg met je eigen woorden uit hoe watermoleculen de dissociatie van NaCl kunnen Chemie 4/2 44

5 veroorzaken:... Voor elk zout kan een dissociatievergelijking opgesteld worden. Dit hangt samen met de opstelling van de bruto- of verhoudingsformule van het zout. In tegenstelling tot moleculen waarvoor we een moleculeformule schrijven (vb. H 2 O betekent dat een watermolecule uit één atoom zuurstof en twee atomen waterstof bestaat) vormen zouten geen moleculen en kunnen we voor een zoutkristal enkel een verhoudingsformule schrijven (vb. CaCl 2 betekent dat er in het kristal voor elk calcium-ion twee chloorionen zijn). Voorbeeld: de dissociatie van natriumfosfaat: Stap 1: wat zijn de ionen van het zout? Zorg dat je de ionen en hun lading correct kent! Natriumfosfaat: natrium (Na + ) en fosfaat (PO 4 3- ) Stap 2: schrijf de dissociatievergelijking om het aantal van elk ion te vinden Er is behoud van elementen, het aantal natriumionen in het linker lid en het rechterlid moet gelijk zijn (x) en hetzelfde voor de fosfaationen (y) Na x (PO 4 ) y x Na + + y PO 4 3- Stap 3: pas de neutraliteitsregel toe Natriumionen (Na 1+ ) zijn éénwaardig positief en fosfaationen (PO 4 3- ) driewaardig negatief. Het totale zout is neutraal. Er zijn dus drie Na + nodig voor elke PO 4 3- om neutraal te zijn: Na x (PO 4 ) y 3 Na PO 4 3- Stap 4: volledige dissociatievergelijking en verhoudingsformule Er is behoud van elementen, het aantal natriumionen in het linker lid en het rechterlid moet gelijk zijn (3) en hetzelfde voor de fosfaationen (1) Na 3 (PO 4 ) 3 Na + + PO 4 3- Een dissociatievergelijking is een reactievergelijking: in het linker lid staat het zout als vaste stof in kristalvorm. In het rechter lid staan de ionen die los van elkaar bestaan en bewegen in oplossing of gesmolten toestand. OEFENINGEN 35. Stel de dissociatievergelijking voor van: calciumchloride, magnesiumhydroxide, kaliumnitraat, magnesiumsulfaat, aluminiumchloride, calciumfosfaat, natriumcarbonaat, ijzer(iii)hydroxide, aluminiumsulfide, natriumsulfiet, kaliumchloraat. Chemie 4/2 45

6 4.7 Hydratatie van ionverbindingen In een oplossing met water zijn de vrije ionen van het zout altijd omringd door watermoleculen. De positieve metaalionen oefenen een aantrekkingskracht uit op de negatieve pool van de watermoleculen. Opmerkelijk is dat elk metaalion zich met een welbepaald aantal watermoleculen verbindt. Dat is de hydratatie van het ion. Op die manier ontstaan gehydrateerde ionen. Teken natrium- en chloorionen in gehydrateerde vorm, omringd door 6 watermoleculen: 4.8 Oplosbaarheid Niet alle ionverbindingen lossen even goed op in water. Bij sommige is de oplosbaarheid beperkt, andere zijn praktisch onoplosbaar. Doe 0,40 g Ba(OH) 2, CaCl 2, CaCO 3 en Ca(OH) 2 in vier reageerbuisjes met telkens 10 ml water en schud goed. Rangschik de stoffen naar mate van oplosbaarheid:... Ionische verbindingen (zouten) lossen op in water doordat de bindingen in het rooster verbroken worden door het oplosmiddel. Er werken twee tegengestelde krachten: - Dipoolkrachten tussen de watermoleculen en de ionen. De watermoleculen oriënteren zich rond de ionen, zodat de krachten tussen de ionen onderling verzwakt worden. Deze krachten bevorderen het oplossen. - Elektrostatische aantrekkingskrachten tussen de ionen. Deze krachten vormen de ionbinding, ze houden het rooster bij elkaar. Deze krachten werken het oplossen tegen. Naargelang één van deze twee krachten overheerst zal een verbinding goed, matig of slecht oplosbaar zijn. In de volgende tabel staat welke stoffen goed of slecht oplosbaar zijn bij kamertemperatuur. De oplosbaarheid van een ionverbinding is de maximale procentuele samenstelling die bereikt kan worden: het aantal gram van de stof dat maximaal kan oplossen per 100 ml bij een gegeven temperatuur. Bij hogere temperatuur neemt de oplosbaarhei van zouten toe. Oplosbaarheid van NaCl bij 20 C : 36 g per 100 ml (zeer goed oplosbaar) ; Ca(OH) 2: 0,156 g per 100 ml (matig oplosbaar) en CaCO 3 : 0,0014 g per 100 ml (slecht oplosbaar). De oplosbaarheid van ionverbindingen is niet willekeurig. In het algemeen kunnen oplosbare en onoplosbare verbindingen gegroepeerd worden volgens hun ionen. Zo zijn alle zouten van kalium-, natrium- en ammoniumzouten goed oplosbaar, evenals alle nitraten. Zilver- en loodzouten daarentegen zijn praktisch allemaal onoplosbaar. Chemie 4/2 46

7 Groep Positief ion Goed oplosbaar Slecht oplosbaar Ia 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 + Hg 2+ Alle zouten Chloride Bromide Jodide Mg-sulfaat Mg-sulfiet Ba-hydroxide Chloride Bromide Jodide Sulfaat IIIa Al 3+ Chloride Bromide Iva Sn 2+ Jodide Sulfaat Iva Pb 2+ Chloride Bromide TAAK Geen Sulfide Carbonaat Fosfaat Silicaat Ca-sulfaat Ba-sulfaat Ca-sulfiet Ba-sulfiet Ca-hydroxide Mg-hydroxide Sulfide Carbonaat Fosfaat Silicaat Sulfiet Hydroxide Alle overige Sulfide Carbonaat Fosfaat Silicaat Sulfiet Hydroxide Jodide Sulfide Carbonaat Fosfaat Silicaat Sulfiet Hydroxide 36. Zoek op internet de oplosbaarheid van volgende zouten op: NaCl, CaCl 2, Na 2 CO 3, CaCO 3, Ca(OH) 2, K 2 SO 4 en AgCl. Chemie 4/2 47

8 4.9 Neerslagreacties Uitkristalliseren of neerslaan Het omgekeerde van een zout oplossen is een zout laten uitkristalliseren of neerslaan. Dat kan bijvoorbeeld als er meer zout in het water is dan de oplosbaarheid, omdat we te veel zout toevoegen, of omdat een deel van het water verdwijnt door bijvoorbeeld verdamping. Dan onstaan er zoutkristallen op de bodem. De reactievergelijking voor het uitkristalliseren van NaCl uit een zoutoplossing is dus het omgekeerde van de dissociatievergelijking: Neerslagreacties Wat gebeurt er nu als je twee zoutoplossingen met elkaar mengt? Maak een oplossing van CaCl 2 en een van Na 2 CO 3 en giet beide oplossingen dan samen. 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?... Dissociatievergelijking van CaCl 2 :... Dissociatievergelijking van Na 2 CO 3 :... Welke ionen komen samen voor in de samengevoegde oplossing?... Deze ionen zijn vrij in de oplossing, hun oorsprong is niet van belang. Elke combinatie kan een ander zout opleveren. Maar welk zout is nu neergeslagen? Geef de reactievergelijkingen voor het neerslaan van elk van de 4 mogelijke combinaties: De twee combinaties die weer de beginzouten opleveren zijn zeker niet gebeurd want door de samenvoeging hebben we ze verdund waardoor de hoeveelheid zeker onder de oplosbaarheid blijft. De combinatie die keukenzout oplevert gebeurt ook niet. Waarom niet?... De overblijvende combinatie mogen we wel verwachten op basis van de gegevens van de oplosbaarheidstabel. Ca 2+ en CO 3 2- zullen zich verbinden, waarbij het slecht oplosbare CaCO 3 gevormd wordt. Dit is de neerslag die we zagen. Chemie 4/2 48

9 OEFENINGEN 37. Stel de volgende reacties voor als neerslagreacties en duid het zout aan dat neerslaat: Koper(II)sulfaat en natriumhydroxide IJzer(III)nitraat en bariumhydroxide Aluminiumnitraat en natriumsulfide Lood(II)chloride en kaliumjodide Bariumchloride en aluminiumsulfaat Natriumfosfaat en calciumnitraat Kaliumjodide + zilvernitraat Koper(II)sulfaat + kaliumhydroxide Magnesiumnitraat + koper(ii)jodide Kaliumfosfaat + zinkbromide 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 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 als grijze substantie die op het water drijft of op de wanden kleeft. Een deel van de zeep gaat daardoor eigenlijk verloren in hard water. Chemie 4/2 49