SCHEIKUNDE GYMNASIUM

SCHEIKUNDE 4 VWO GYMNASIUM

THEORIE HOOFDSTUK 1 ZUUR-BASE scheikunde 4 VWO GYMNASIUM Auteurs Ilse Landa Joris Schouten Toon de Valk Bas Zoon Eindredactie Aonne Kerkstra Practicumbegeleiding Peter Verweij Tweede editie Malmberg s-hertogenbosch www.nova-malmberg.nl

THEORIE HOOFDSTUK 1 ZUUR-BASE Inhoudsopgave Inhoud van hoofdstuk 1 uit de vorige editie is nu verdeeld over twee hoofdstukken. Hierdoor meer evenwichtige verdeling van de lesstof. Voorwoord 4 1 Chemisch rekenen 5 Praktijk Goud 6 Theorie 1 Atoombouw en periodiek systeem 10 2 De hoeveelheid stof 20 3 Rekenen aan gehaltes 24 4 Rekenen aan reacties 30 5 Practicum 36 Maatschappij Studeren: Nucleair geneeskundige Fukushima 3 Organische chemie 79 Praktijk Hout: biobrandstof van de toekomst? 80 Theorie 1 Verbrandingsreacties 84 2 Organische verbindingen 92 3 Systematische naamgeving 99 4 Fossiele brandstoffen 107 5 Duurzame brandstoffen 114 6 Practicum 123 Maatschappij Studeren: Scheikunde Royal Dutch Shell 5 Reacties in beweging 159 Praktijk Katalysatoren brengen welvaart 160 Theorie 1 Reactiewarmte meten 164 2 Reactiewarmte berekenen 170 3 Reactiesnelheid 175 4 Beïnvloeding reactiesnelheid 182 5 Practicum 187 Maatschappij Studeren: Theoretisch chemicus Nuon Antwoorden 226 Register 228 Colofon 230 2 Bindingstypen 39 Praktijk Touchscreens van smartphones 40 Theorie 1 Metaalbinding 44 2 Molecuul- en atoombinding 50 3 Polaire atoombinding 59 4 Ionbinding 69 5 Practicum 75 Maatschappij Studeren: Anorganisch chemicus AkzoNobel 4 Zouten 127 Praktijk Kunstmest 128 Theorie 1 Verhoudingsformules van zouten 132 2 Oplosbaarheid van zouten 137 3 Bijzondere zouten 143 4 Rekenen aan zoutoplossingen 149 5 Practicum 156 Maatschappij Steenzout en zeezout Drop 6 Evenwichten 191 Praktijk Het koolzuurevenwicht 192 Theorie 1 Evenwichtsreacties 196 2 Evenwichtsvoorwaarde 200 3 Bijzondere evenwichten 208 4 Beïnvloeding van evenwichten 214 5 Practicum 223 Maatschappij Studeren: Chemisch technoloog Oorlog en stikstof Betere verdeling van de lesstof in integrale leerlijn door sommige stof uit de bovenbouw al in leerjaar 3 te introduceren. 2 3

Voorwoord Nova is op zo n manier opgebouwd, dat je de stof vanuit verschillende invalshoeken kunt benaderen. Elk hoofdstuk bestaat namelijk uit drie delen: P: de praktijk; voorbeelden van toepassingen van de theorie. T: de theorie; uitleg over scheikundige concepten, reacties, structuren, bindingstypen en experimenten. Aan het begin van elke paragraaf worden leerdoelen vermeld. Deze zijn afgeleid van de eindtermen uit de syllabus, waarin staat wat je voor je centraal examen allemaal moet kennen. M: de maatschappij; waarom is kennis van de theorie belangrijk voor jou, als onderdeel van die maatschappij? Bij alle drie de delen horen opdrachten. Jouw eigen werkwijze Je begint elk hoofdstuk met enkele digitale oriënterende opdrachten. Vanzelfsprekend bepaal je samen met je docent hoe je de stof uit het hoofdstuk daarna gaat behandelen. Je kunt op verschillende manieren met Nova werken. 1 Vind je het belangrijk om eerst de theoretische concepten te bestuderen, om daarna te kijken hoe die theorie in de praktijk en de maatschappij wordt gebruikt? In dat geval begin je met het T-deel en doe je daarna het P-deel en een van de M-delen. 2 Ben je vooral geïnteresseerd in toepassing, begin dan met het P-deel. Daarna doe je het T-deel en een van de M-delen. 3 Wanneer je interesse vooral uitgaat naar het belang van scheikunde voor de maatschappij, begin dan met een van de M-delen. De M-delen worden uitsluitend digitaal aangeboden. Vervolgens doe je het P-deel of ga je direct naar het T-deel. Iedereen sluit af met het beantwoorden van de eindopdracht aan het einde van het T-deel. Indien je de theorie voldoende beheerst, moet je de opdrachten van het P-deel kunnen oplossen. Opdrachten De opdrachten kennen een verschillende opbouw. Voor sommige opdrachten staat een *. Dat zijn extra pittige opdrachten. Bij sommige hoofdstukken zijn examenopgaven opgenomen. Soms zijn ze bewerkt (naar), soms zijn ze letterlijk overgenomen (bron). Zo word je goed voorbereid voor het examen. Als er een staat, heb je te maken met een opdracht uit de Chemieolympiade. Bij havo komt dat zelden voor, bij vwo/gymnasium gebeurt dat vaker. Dit zijn in het algemeen pittige opdrachten. Oefenen Was je in staat de opdrachten van het P-deel op te lossen, maar wil je toch nog kijken of je de stof echt beheerst? Maak dan de digitale toets. Besef dat de Onthoud! aan het einde van de paragraaf slechts dient om de kern van de paragraaf nog eens aan te geven. Deze samenvattingen volstaan niet om een toets voor te bereiden. Wij wensen je succes en plezier met Nova! De auteurs HOOFDSTUK 1 Chemisch rekenen Alchemisten hebben eeuwenlang geprobeerd om lood in goud te veranderen. Baanbrekend wetenschappelijk onderzoek aan het begin van de twintigste eeuw heeft een atoommodel opgeleverd waarmee je nu eenvoudig kunt uitleggen dat het onmogelijk is om lood in goud te veranderen. Dat is de kracht van een goed model: het verklaart waargenomen eigenschappen en voorspelt de uitkomst van toekomstige experimenten. Praktijk Goud 6 Theorie 1 Atoombouw en periodiek systeem 10 2 De hoeveelheid stof 20 3 Rekenen aan gehaltes 24 4 Rekenen aan reacties 30 5 Practicum 36 Maatschappij Studeren: Nucleair geneeskundige Fukushima 4 5

PRAKTIJK HOOFDSTUK 1 CHEMISCH REKENEN Praktijk PRAKTIJK HOOFDSTUK 1 CHEMISCH REKENEN Goud Praktijk paragrafen geven de relevantie van het vak weer in aansprekende context. Het is veel eenvoudiger en goedkoper om goud te winnen uit e-waste dan om het te winnen uit gouderts. figuur 2 e-waste Mensen zijn altijd al gefascineerd geweest door het metaal goud. Het gebruik van goud staat voor rijkdom en macht. Al sinds de maskers van de farao s, het El Dorado van de Inca s tot aan de gouden tempel van de Sikhs in India. Die fascinatie is alleen maar toegenomen. Het metaal wordt vandaag de dag steeds meer gebruikt en vormt de fundering van de economie. Helaas is het winnen van goud een tijdrovend en kostbaar proces waarbij grote hoeveelheden afval worden geproduceerd. Het is daarom belangrijk dat we zuinig omgaan met het gebruikte goud en daarvan zo veel mogelijk terugwinnen. binding. Gouderts wordt gevonden in mijnen of in rivieren. Gouderts waarbij het goud zichtbaar is, bevat ongeveer 30 mg goud per kilogram erts. Meestal is het gehalte goud in gouderts veel lager. Op dit moment is het beste gouderts elektronisch afval: e-waste (figuur 2). Er is een enorme toename van dit afval, dat veelal bestaat uit oude computerprintplaten en mobieltjes. Het goudgehalte in e-waste is met gemiddeld 0,3 g goud per kilogram honderd keer hoger dan in natuurlijk gouderts. Het is dus veel eenvoudiger en goedkoper om goud te winnen uit e-waste dan om het uit gouderts te winnen. Waardevol Goud is al sinds de tijd van de farao s een belangrijk metaal (figuur 1). Dit komt vooral doordat het een glanzend metaal is en een bijzondere kleur heeft. Het roest niet, wordt niet dof en is goed te vervormen. Hierdoor wordt goud door veel mensen begeerd en blijft het een heel waardevol materiaal. figuur 1 het masker van een farao Voorkomen Het atoomnummer van goud is 79 en het lijkt qua dichtheid veel op lood met atoomnummer 82. Vandaar dat alchemisten lood probeerden te veranderen in goud. Het symbool van goud is Au, afkomstig van het Latijnse woord aurum. Goud is een edelmetaal en reageert onder normale omstandigheden niet met andere stoffen. Het blijft daardoor heel lang behouden. Vanwege het gebrek aan reactiviteit komt goud in goudertsen meestal als de niet-ontleedbare stof goud voor en niet als element in een goudver- Goudkoorts Toen in 1896 goud werd gevonden in de buurt van Dawson City in Canada, vormde dit de start van een goldrush (goudkoorts). Binnen enkele maanden kwamen vele duizenden mensen naar dit afgelegen gebied om hun geluk te beproeven. Goud zoeken was zwaar werk. De kleren die de goudgravers droegen, leden er zwaar onder. Dit heeft tot de ontwikkeling van de spijkerbroek geleid. Deze extra stevige broek sleet veel minder snel en was een goedkoop alternatief voor de toenmalige werkbroeken. Meestal werd je niet rijk van het zo moeizaam verkregen goud. Wanneer goudzoekers uit de bergen afdaalden naar de stad om het goud te wisselen en voorraden te halen, vielen ze vaak ten prooi aan bandieten en rovers. In de stad werden de goudzoekers verleid met bordelen, gokhallen en kroegen. Helaas raakte door het enorme aantal goudzoekers de goudvoorraad ter plaatse snel uitgeput, waarna de goudzoekers naar andere vindplaatsen wegtrokken. Goudwinning Het winnen van goud begint met een proefwinning om een goede vindplaats te zoeken. Meestal wordt een paar meter grond afgegraven waarna figuur 3 goudwinning met een goudpan met behulp van een goudpan het goud wordt gezuiverd van de rest van de opgegraven aarde (figuur 3). Doordat de dichtheid van het goud veel hoger is dan die van de andere mineralen, blijft het goud na langdurig ronddraaien in de pan achter. Wanneer er tijdens zo n proefwinning genoeg goud wordt gevonden, wordt er groter materieel ingezet om het gouderts vaak van enorme diepten naar de oppervlakte te brengen. Daarna wordt het gezuiverd. Dit 6 7

PRAKTIJK HOOFDSTUK 1 CHEMISCH REKENEN PRAKTIJK HOOFDSTUK 1 CHEMISCH REKENEN figuur 4 milieuvervuiling na de breuk in een dam van een goudafvalbekken gebeurt meestal met de zeer schadelijke en giftige stof natriumcyanide en stoffen die ontstaan door het gebruik van zink. Natriumcyanide zorgt ervoor dat het goud reageert, oplost in water en vervolgens van de rest kan worden gescheiden. De onoplosbare delen van het gouderts worden verwijderd. Daarna wordt het opgeloste goud met behulp van een overmaat zink omgezet tot goud. Na toevoeging van zwavelzuur wordt het overtollige zink vervolgens omgezet en blijft het goud over. Dit geeft een zeer zure afvalstroom. Dure gebakjes Zowel bij het zuiveringsproces als bij het mijnen van het gouderts ontstaat niet alleen giftig en bijtend afval, maar ook nog eens heel veel afval. De Dat het altijd gekker kan, bewijst dit hapje. In een restaurant in Dubai wordt al enige tijd de golden phoenix geserveerd (figuur 5). Deze cupcake met slagroom en chocolade is omlijst met goud. Het cakeje zelf is verpakt in bladgoud en daaroverheen zit goudstof. Voor dit gebakje zijn alleen de beste ingrediënten gebruikt. Alles is eetbaar en het behoort tot de duurste gerechten op de wereld. figuur 5 De golden phoenix cupcake kost meer dan duizend US dollar. materialen in deze afvalstromen zijn niet meer te recyclen. Deze opgeloste stoffen worden opgeslagen in afvalbekkens (figuur 4). Het water wordt in deze bekkens langzaam verwijderd en het droge afval wordt opgeslagen. Voor een ring van 10 g puur goud ontstaat ongeveer 24 ton afval. Zuiverheid De toepasbaarheid van goud is gekoppeld aan de zuiverheid van het materiaal. Deze zuiverheid wordt uitgedrukt in karaat. Zuiver goud is 24 karaat. Een karaat goud komt overeen met 4,15 massaprocent goud. Zuiver goud is zacht en gemakkelijk te vervormen; daarom wordt het veelal gemengd met andere metalen waarbij legeringen worden gevormd. Deze legeringen hebben betere eigenschappen, zoals een veel grotere hardheid. Zo worden juwelen in Nederland meestal gemaakt van 14 karaat goud. De overige 10 karaat bestaat uit andere metalen, meestal zilver, koper of nikkel. Toepassingen van goud Ongeveer vijftig procent van het jaarlijks gedolven goud wordt gebruikt om er juwelen en sieraden van te maken. Goud is erg waardevast, waardoor het een veilige vorm van belegging is. Veel goud ligt op deze manier in kluizen opgeslagen. Sinds Griekenland een enorme staatsschuld heeft opgebouwd, is het vertrouwen in bijvoorbeeld de euro afgenomen en wordt er nog meer in goud belegd. Sinds 2012 wordt goud weer gebruikt als betaalmiddel. Zo betaalt China de olie die het koopt met goud. Ook heeft een aantal Amerikaanse staten een wet aangenomen waarin staat dat mag worden betaald met goud. Vroeger was goud onderpand voor de munteenheid van een land. Zo heeft De Nederlandsche Bank nog ongeveer vijftien miljard euro in 24 karaat goudreserves. Verder wordt goud veel gebruikt in elektronica als geleidend materiaal. Het is zo geschikt doordat het goed de stroom geleidt en het niet corrodeert, waardoor de stroomgeleiding na verloop van tijd niet vermindert. In de bouw wordt goud gebruikt als warmtereflecterend materiaal, in de geneeskunde als medicijn en in de chemische industrie als katalysator. Goud wordt zelfs gebruikt als ingrediënt in maaltijden (figuur 6). Het is een officieel erkend additief en heeft E-nummer 175. Het aantal toepassingen van goud neemt nog steeds toe en daarmee ook de vraag naar dit zeldzame edelmetaal. figuur 6 minitaartjes van chocolade en bladgoud Opdrachten Bestudeer eerst de theorie van dit hoofdstuk voordat je de volgende opdrachten uitvoert. 1 Goud Goud komt als niet-ontleedbare stof in gouderts voor. IJzer komt meestal in een verbinding in ijzererts voor. a Geef de formule van goud. b Leg uit waarom ijzer meestal als verbinding in ijzererts voorkomt. 2 Goudwinning Het masker van de farao (figuur 1) bevat 11 kg 24 karaat goud. a Bereken hoeveel ton afval tegenwoordig bij het winnen van het goud voor het masker zou resteren. b Bereken hoeveel ton e-waste minimaal nodig is voor het winnen van 11 kg 24 karaat goud. c Leg uit welke scheidingsmethode kan worden gebruikt om de resten van het gouderts te scheiden van het opgeloste goud. d Leg uit waarom bij de reactie tussen opgelost goud en zink wordt gewerkt met een overmaat zink. De zure afvalstroom ontstaat bij het omzetten van het zink met behulp van zwavelzuur. In plaats van zink kan ook koolstof worden gebruikt. Wanneer koolstof wordt gebruikt, is er minder zink en zwavelzuur nodig. De koolstof kan worden hergebruikt. e Leg uit of het gebruik van koolstof voor de winning van goud vanuit milieuoogpunt moet worden gestimuleerd. f Bedenk zelf nog een chemische oplossing waarmee het gevaar van de zure afvalstroom kan worden verminderd. 3 Bruidstranen Goud wordt ook gebruikt in voedsel. Een bekend drankje dat goud bevat, is bruidstranen dat soms bij een huwelijk wordt gedronken. Bruidstranen bevat 24 karaat goud. a Leg uit waarom alleen 24 karaat goud wordt gebruikt. b E175 wordt meestal in zoetwaren gebruikt. Waarvoor zal het worden gebruikt? c Leg uit wat de voedingswaarde van goud is. 8 9

1 Atoombouw en periodiek systeem In deze paragraaf leer je: de belangrijkste ontwikkelingen van het atoommodel te beschrijven; het atoommodel van Bohr te beschrijven; te beschrijven wat isotopen zijn; te beschrijven wat de opbouw van het huidige periodiek systeem is; de laatste ontwikkelingen in het periodiek systeem te benoemen. Het niveau van een beschaving hangt in grote mate samen met het beheersen van chemische processen, zoals het winnen van ijzer, het stoken van alcohol, de productie Elke van theorieparagraaf cement en beton en het zieden van zeep. Toch duurde het tot ver in de negentiende start eeuw voordat met een wetenschappers begonnen te begrijpen hoe deze technieken werken. Met de ontwikkeling van de leerdoelen. van het opsomming atoommodel vielen vele puzzelstukjes op hun plaats. Wereldoorlog werkte hij in de Verenigde Staten mee aan de ontwikkeling van de atoombom. Als eerbetoon voor alle bijdragen die Bohr aan de scheikunde en natuurkunde heeft geleverd, is er een atoomsoort naar hem vernoemd: Bohrium, Bh. tabel 2 de elektronenschillen van het atoommodel van Bohr met hun maximale aantallen elektronen schil elektronen K 2 L 8 M 18 James Chadwick, een leerling van Rutherford, ontdekte in 1932 het neutron waarmee het atoommodel compleet is. Het atoommodel beschrijft een atoom dat bestaat uit negatief geladen elektronen die in banen om een kleine kern van positief geladen protonen en neutrale neutronen heen cirkelen (tabel 3). Scheikunde vroeger en nu Een van de eerste wetenschappers die een theorie opstelde over de eigenschappen van stoffen en de opbouw ervan, was Demokritos (circa 460370 v.chr.). Hij stelde dat materie niet eindeloos kan worden opgedeeld, maar dat je uiteindelijk bij een kleinste deeltje uitkomt dat niet langer deelbaar is. Dit deeltje noemde hij atoom, van het Griekse atomos: ondeelbaar. Het is haast onvoorstelbaar hoe dicht deze ruim tweeduizend jaar oude theorie bij de moderne scheikunde staat. Er zijn op dit moment (2016) 118 atoomsoorten bekend. De laatste paar zijn nog maar heel kort geleden ontdekt. Van deze 118 atoomsoorten komen er 92 in de natuur voor. De andere zijn de mens gemaakt. tabel 1 de ontwikkeling van het atoommodel in de tijd circa 450 v.chr. 1808 1897 1911 1914 1932 Demokritos Dalton Thomson Rutherford Bohr Chadwick + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Ontwikkeling van het atoommodel In tabel 1 is de ontwikkeling van het atoommodel in de tijd weergegeven. Na Demokritos spreekt Dalton pas in 1808 weer over atomen als harde, ondeelbare deeltjes. Wanneer Thomson in 1897 het elektron ontdekt, betekent dit het einde van deze theorie. Als er negatief geladen deeltjes kunnen worden vrijgemaakt uit neutrale materie, dan moeten er ook positief geladen deeltjes bestaan. Ernest Rutherford stelde in 1911 experimenteel vast dat een atoom is opgebouwd uit een positieve kern met daaromheen een negatief geladen elektronenwolk. Niels Bohr verfijnde dit model door de elektronen een vaste baan rond de kern toe te kennen. Door dit te doen, kon hij een aantal niet eerder te verklaren verschijnselen uitleggen. Hij noemde deze banen elektronenschillen. Hoe verder een schil zich van de kern bevindt, hoe meer elektronen hij kan bevatten. In de eerste (K), de tweede (L) en de derde (M) schil passen respectievelijk twee, acht en achttien elektronen (tabel 2). Bohr ontving voor zijn werk in 1922 de Nobelprijs voor de Natuurkunde. Bohr was niet alleen een briljant theoreticus, in de Tweede M-schil L-schil K-schil elektron proton neutron tabel 3 lading en massa van de bouwstenen van atomen deeltje plaats lading (e) massa (u) proton (p + ) atoomkern 1+ 1,0073 neutron (n) atoomkern 0 1,0087 elektron (e ) elektronenwolk 1 0,000 55 De lading van een proton en elektron is zo klein dat het niet zinvol is om deze uit te drukken in de gebruikelijke eenheid voor lading: coulomb. De lading van een proton en een elektron is de kleinst mogelijke lading die kan voorkomen. Deze waarde wordt daarom het elementair ladingskwantum e genoemd. Een elementair ladingskwantum is gelijk aan 1,60 10 19 C (Binas tabel 7A). Atoomnummer en massagetal Het aantal protonen dat zich in de kern van een atoom bevindt, bepaalt de identiteit van het atoom. Dit aantal wordt het atoomnummer genoemd en wordt meestal links onder het atoomsymbool geplaatst, bijvoorbeeld 8 O. Het aantal elektronen in een atoom is gelijk aan het aantal protonen, want een atoom is elektrisch neutraal. Het aantal protonen verandert bij een chemische reactie nooit. Behalve protonen bevinden zich in de kern ook neutronen. Deze bepalen mede de massa van het atoom, maar hebben geen invloed op de chemische eigenschappen. Van de meeste atoomsoorten bestaan meerdere isotopen. Isotopen zijn atomen die hetzelfde aantal protonen in de kern hebben, maar een verschillend aantal neutronen. Isotopen worden van elkaar onderscheiden door het massagetal: de som van het aantal protonen en neutronen dat zich in de kern van een atoom bevindt. Dit massagetal staat vaak links boven het atoomsymbool, maar wordt er ook wel achter geplaatst: 16 O of O-16. De isotopen van de verschillende atoomsoorten zijn vermeld in Binas tabel 25A. In deze tabel staan onder meer het atoomnummer, het massagetal en het voorkomen in de natuur van de isotopen. Wanneer er geen percentage staat vermeld bij voorkomen in de natuur, dan is deze isotoop kunstmatig gemaakt. Voor atomen geldt: atoomnummer = aantal protonen = aantal elektronen massagetal = aantal protonen + aantal neutronen 10 11

Voorbeeldopgave 1 Beschrijf volgens het atoommodel van Bohr de atoombouw van een 37 17Cl-atoom. Uitwerking 37 17 Cl heeft atoomnummer 17. Het aantal protonen in de atoomkern is gelijk aan het atoomnummer. 37 17Cl heeft dus 17 protonen. 37 17Cl heeft het massagetal 37. massagetal = aantal protonen + aantal neutronen Invullen geeft: 37 = 17 + aantal neutronen. Er zijn dus 20 neutronen aanwezig in 37 17Cl. aantal elektronen = aantal protonen Er zijn dus 17 elektronen die als volgt over de schillen zijn verdeeld: K-schil: 2 L-schil: 8 M-schil: 7 Het atoom 37 17Cl ziet er als volgt uit: In de natuur komen van bijna alle atomen verschillende isotopen naast elkaar voor. Hierdoor is het gewogen gemiddelde van de atoommassa van een element vrijwel nooit gelijk aan de atoommassa van een enkele isotoop. De relatieve atoommassa A is een gewogen gemiddelde van de atoommassa s van de verschillende isotopen. A is afhankelijk van de verhouding waarin de verschillende isotopen in de natuur voorkomen. Deze staan vermeld in Binas tabel 25A. In het periodiek systeem in Binas tabel 99 is de relatieve atoommassa van elk element vermeld. Voorbeeldopgave 2 Bereken de relatieve atoommassa van Cl. Uitwerking In Binas tabel 25A vind je: 35 Cl 34,968 85 u 75,78% 37 Cl 36,965 90 u 24,22% De relatieve atoommassa is dan: 0,7578 34,968 85 + 0,2442 36,965 90 = 35,45 u. Deze waarde komt overeen met de relatieve atoommassa van 35,45 u die in Binas tabel 99 is gegeven. Periodiek systeem der elementen Omdat er steeds meer elementen werden ontdekt, wilden wetenschappers ze systematisch kunnen rangschikken. Met alleen kennis van de atoommassa s en de chemische eigenschappen was dat nog een hele klus. In de tweede helft van de negentiende eeuw waren er 56 elementen bekend. Verschillende wetenschappers waren ervan overtuigd dat er een ordening in de elementen moest kunnen worden aangebracht. Mendelejev was de eerste die met een overtuigend systeem kwam. Hij rangschikte de elementen naar oplopende atoommassa en naar eigenschappen van het element. Opzienbarend was het feit dat hij plekken openliet voor elementen die nog moesten worden ontdekt en waarvan hij de eigenschappen nauwkeurig voorspelde. Met de ontdekking van het element germanium, dat Mendelejev als eka-silicium had beschreven, kwam de erkenning dat zijn systeem juist was (tabel 4). Zijn periodiek systeem der elementen werd wereldwijd aanvaard. tabel 4 de voorspellingen van Mendelejev en de werkelijke eigenschappen van germanium kern Cl-37: 17 p + en 20 n de atoombouw van 17Cl 37 volgens het atoommodel van Bohr Atoommassa Omdat de massa van atomen heel klein is, wordt de atomaire massa-eenheid u gebruikt. De precieze waarde van de atomaire massa-eenheid is als volgt gedefinieerd: 1 u = 1 12 van de massa van één 12 6C-atoom; dit is gelijk aan 1,66 10 27 kg (Binas tabel 7B). Omdat in werkelijkheid de massa van een neutron en een proton niet precies gelijk is aan 1,0 u en de massa van de elektronen, hoe klein ook, wel meetelt, is de atoommassa niet gelijk aan het massagetal. In Binas tabel 25A vind je de atoommassa s van de verschillende isotopen in vijf decimalen nauwkeurig. eigenschap eka-silicium, voorspeld in 1871 germanium, ontdekt in 1886 atoommassa 72 u 72,3 u dichtheid 5,5 g cm 3 5,47 g cm 3 formule oxide XO 2 GeO 2 dichtheid oxide 4,7 g cm 3 4,703 g cm 3 kookpunt chloride < 100 C 86 C Perioden en groepen In het huidige periodiek systeem staan elementen in volgorde van atoomnummer van links naar rechts in perioden gerangschikt (figuur 1). Elke periode komt overeen met een schil volgens het atoommodel van Bohr. Naarmate het atoomnummer toeneemt, worden de perioden van het periodiek systeem steeds breder doordat het aantal elektronen in de opeenvolgende schillen toeneemt. Elementen met vergelijkbare eigenschappen staan onder elkaar in groepen. 12 13

periode 1 2 3 4 5 6 7 Na Natrium Magnesium 19 39,10 20 40,08 21 K De eigenschappen, zoals reactiviteit, worden bepaald door het aantal elektronen in de buitenste schil: de valentie-elektronen. De elementen met hetzelfde aantal valentie-elektronen hebben dus overeenkomstige chemische eigenschappen. De verdeling van de elektronen over de schillen noemen we de elektronenconfiguratie. groep 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 1 1,008 2 4,003 alkalimetalen atoomnummer atoommassa H aardalkalimetalen He Waterstof 14 28,09 Helium 3 6,94 4 9,01 overgangsmetalen 5 10,81 6 12,01 7 14,01 8 16,00 9 19,00 10 20,18 Si symbool andere metalen Silicium zwart vast Li Be B C N O F Ne blauw vloeistof Lithium Beryllium niet-metalen Boor Koolstof Stikstof Zuurstof Fluor Neon 11 22,99 12 24,31 naam rood gas 13 26,98 14 28,09 15 30,97 16 32,06 17 35,45 18 39,95 edelgassen (119) onontdekt Kalium Calcium Scandium Titaan Vanadium Chroom Mangaan IJzer Kobalt Nikkel Koper Zink Gallium Germanium Arseen Seleen Broom Krypton 37 85,47 38 87,62 39 88,91 40 91,22 41 92,91 42 95,94 43 (98) 44 101,1 45 102,9 46 106,4 47 107,9 48 112,4 49 114,8 50 118,7 51 121,8 52 127,6 53 126,9 54 131,3 Rb Rubidium Strontium Yttrium Zirkonium Niobium Molybdeem Technetium Ruthenium Rhodium Palladium Zilver Cadmium Indium Tin Antimoon Telluur Jood Xenon 55 132,9 56 137,3 57 138,9 72 178,5 73 181,0 74 183,8 75 186,2 76 190,2 77 192,2 78 195,1 79 197,0 80 200,6 81 204,4 82 207,2 83 209,0 84 (210) 85 (210) 86 (222) Cs Mg Ca Sr Ba 44,96 22 Sc Y La Aluminium Silicium Fosfor Zwavel Chloor Argon 65,37 31 69,72 32 72,59 33 74,92 34 78,96 35 79,90 36 83,80 Cesium Barium Lanthaan Hafnium Tantaal Wolfraam Renium Osmium Iridium Platina Goud Kwik Thallium Lood Bismut Polonium Astaat Radon 87 (223) 88 226,0 89 227,0 104 (267) 105 (268) 106 (269) 107 (270) 108 (269) 109 (278) 110 (281) (281) (285) (286) (289) (288) (293) (294) (294) Fr Ra Ac Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds 111 Rg 1 12 113 114 115 116 117 118 Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og Francium Radium Actinium Rutherfordium Dubnium Seaborgium Bohrium Hassium Meitnerium Darmstadtium Roentgenium Copernicium Nihonium Flerovium Moscovium Livermorium Tennessine Oganesson (119) (120) (121) Ti Zr Hf 47,90 23 V Nb Ta 50,94 24 Cr Mo W 52,01 25 Mn Tc Re 54,94 26 Fe Ru Os 55,85 27 Co Rh Ir 58,93 28 Ni Pd Pt 58,71 29 Cu Ag Au 63,54 30 Zn Cd Hg Al Ga In Tl Si Ge Sn Pb P As Sb Bi S Se Te Po Cl Br I At Ar Kr Xe Rn Metalen en niet-metalen Het periodiek systeem kan grofweg worden opgedeeld in twee groepen atoomsoorten: de metalen en de niet-metalen. Dit is met kleuren aangegeven in figuur 1. Voor metalen geldt dat de atoomsoort en de niet-ontleedbare stof dezelfde formule hebben. Zowel de niet-ontleedbare stof ijzer als de atoomsoort ijzer wordt aangeduid met hetzelfde symbool: Fe(s) en Fe. De metalen staan in het midden en links in het periodiek systeem en hebben vergelijkbare eigenschappen. Zo zijn de stoffen ijzer en zilver allebei glanzend en geleiden ze stroom en warmte goed. De elementen van de niet-metalen zijn vaak gasvormig bij kamertemperatuur. Ze staan, op waterstof na, rechts in het periodiek systeem. De moleculen van een aantal niet-metalen zijn vaak ongelijk aan de atoomsoort, omdat ze zijn opgebouwd uit twee dezelfde atomen (tabel 5). Met het element stikstof kan dus zowel de niet-ontleedbare stof N 2 (g) als de atoomsoort N worden bedoeld. tabel 5 molecuulformules van niet-ontleedbare stoffen die bestaan uit twee dezelfde atomen element fluor chloor broom jood zuurstof stikstof waterstof molecuulformule F 2 (g) Cl 2 (g) Br 2 (l) I 2 (s) O 2 (g) N 2 (g) H 2 (g) 58 140,1 Ce 59 140,9 Pr 60 144,2 Nd 61 146,9 Pm 62 150,4 Sm 63 152,0 64 157,2 67 164,9 Eu Ho 68 167,3 Gd 65 158,9 Tb 66 162,5 69 168,9 70 173,0 Dy Er Yb 71 175,0 Tm Lu Cerium Praseodynium Neodynium Promethium Samarium Europium Gadolinium Terbium Dysprosium Holmium Erbium Thulium Ytterbium Lutetium 90 232,0 Th 91 231,0 Pa 92 238,0 93 237,0 U Np 94 239,0 Pu 95 241,1 96 247,1 Am Cm 97 249,1 Bk 98 251,1 Cf 99 254,1 Es 100 257,1 101 258,1 Fm Md 102 255 No 103 257 Lr Thorium Protactinium Uraan Neptunium Plutonium Americium Curium Berkelium Californium Einsteinium Fermium Mendelevium Nobelium Lawrencium (122-153) Nieuwe elementen Halverwege de twintigste eeuw waren er 92 elementen bekend. Inmiddels zijn er 118 elementen bekend. De elementen met een atoomnummer groter dan uranium (atoomnummer 92) zijn synthetische elementen (geen natuurlijke elementen). Deze zwaardere elementen kunnen alleen kunstmatig worden verkregen in een deeltjesversneller (figuur 2). Hierin worden elementen beschoten met geladen atomaire deeltjes. Op deze manier kan er een nieuw element ontstaan. figuur 1 het huidige periodiek systeem der elementen De elementen in groep 18 zijn de edelgassen. Toen Mendelejev bezig was met het opstellen van zijn periodiek systeem, waren deze gassen nog niet ontdekt. De edelgassen zijn pas laat ontdekt, omdat ze niet of nauwelijks reageren met andere stoffen. Het eerste edelgas dat bij toeval werd ontdekt, noemde men om die reden argon, naar het Griekse argos, dat lui betekent. Het gebrek aan reactiviteit van de edelgassen betekent dat ze zeer stabiel zijn. Als je de opbouw van de elektronenwolk van edelgassen volgens het atoommodel van Bohr bekijkt, dan blijkt dat edelgassen steeds twee of acht elektronen in de buitenste schil hebben. Blijkbaar zorgt deze elektronenconfiguratie, de edelgasconfiguratie, voor veel stabiliteit. Dit verklaart ook de reactiviteit van elementen uit andere groepen. Van de elementen in groep 17, de halogenen, is bekend dat ze gemakkelijk met metalen reageren en daarbij een elektron opnemen. Deze elementen bereiken de stabiele edelgasconfiguratie door een extra elektron aan hun buitenste schil toe te voegen. De metalen in groep 1, de alkalimetalen, reageren heftig met water en halogenen; daarbij staan de deeltjes een elektron af aan de halogenen. Het ontstane deeltje is juist heel stabiel doordat het nu dezelfde elektronenconfiguratie heeft als een edelgas. De aardalkalimetalen in groep 2 krijgen de edelgasconfiguratie als ze twee elektronen afstaan. figuur 2 de 27 km lange deeltjesversneller in het internationale onderzoekslaboratorium CERN in Zwitserland 14 15

De eerste kunstmatige elementen, neptunium en plutonium, werden in 1940 in het onderzoek naar kernreacties voor atoombommen geproduceerd. Sinds die tijd zijn er dankzij nieuwe apparatuur nog vele elementen bij gekomen. In januari 2016 werd het bestaan van de elementen 113, 115, 117 en 118 bevestigd. Daarmee is periode 7 van het periodiek systeem volledig gevuld. Inmiddels hebben de nieuwe elementen een naam en symbool: element 113 heet nihonium met symbool Nh, element 115 heet moscovium met symbool Mc, element 117 heet tennessine met symbool Ts en element 118 heet oganesson met symbool Og (figuur 1). De elementen vanaf atoomnummer 99 hebben slechts een heel korte levensduur. Ze vallen vrijwel meteen na hun ontstaan in veel stabielere kleinere elementen uiteen. Deze superzware elementen komen dan ook niet buiten het laboratorium voor. De stabiliteit is uit te drukken in de halveringstijd, ook wel halfwaardetijd Aan genoemd. het Dit einde is van tijd waarin elke theorieparagraaf de helft van de een beginhoeveelheid is omgezet. De halveringstijd korte van samenvatting een element varieert met van de miljarden kern van jaren de tot lesstof. enkele microseconden. Instabiele elementen zijn radioactief: bij het verval van deze elementen wordt radioactieve straling uitgezonden. Onthoud! Een atoom bestaat uit een atoomkern die protonen en neutronen bevat, met daaromheen een elektronenwolk met daarin de elektronen. Isotopen hebben hetzelfde atoomnummer, maar een verschillend massagetal. Elementen worden naar atoomnummer en chemische eigenschappen in het periodiek systeem gerangschikt weergegeven. De elektronen in de buitenste schil heten de valentie-elektronen. Elementen met een atoomnummer groter dan 92 zijn synthetische elementen. Opdrachten 1 Atoombouw Maak bij deze opdracht gebruik van Binas tabel 25A en 99. Leg steeds uit hoe je aan je antwoord komt. a Hoeveel protonen heeft een neonatoom? b Hoeveel elektronen heeft een zilveratoom? c Hoeveel neutronen heeft O-18? d Van welk(e) element(en) bestaan atomen met 23 protonen? e Van welk(e) element(en) bestaan atomen met massagetal 109? 2 Isotopen Om aan te geven welke specifieke isotoop wordt bedoeld, zijn twee notaties in symbolen mogelijk. a Hoeveel neutronen bevat Kr-82? b Hoeveel neutronen bevat 31 Si? c Geef beide notaties voor stikstof met massagetal 15. d Beschrijf volgens het atoommodel van Bohr de bouw van het koolstofatoom C-14. 3 Periodiek systeem In het periodiek systeem zijn de elementen in groepen en perioden gerangschikt. Gebruik bij deze opdracht Binas tabel 99. a Geef de symbolen van alle elementen in groep 10. b Geef de symbolen van alle elementen in periode 3. c Hoe heten de elementen in groep 17? d In welke groep staan de edelgassen? e Welke periode bevat geen metalen? 4 Eigenschappen Alle opgaven zijn ingedeeld naar taxonomie In het periodiek systeem staan elementen met vergelijkbare eigenschappen onder elkaar. (in de digitale leeromgeving). Voor welke groepen gaat dat niet helemaal op? Licht je antwoord toe. 5 Mendelejev Aanvankelijk had Mendelejev grote moeite met de plaatsing van het element telluur (Te). Hij voorspelde zelfs dat de atoommassa van telluur waarschijnlijk moest worden aangepast tot ergens tussen de 123 en 126 u. a Raadpleeg Binas tabel 99 en leg uit waar Mendelejev twijfels over had. b Welke ontdekking maakte een einde aan Mendelejevs probleem? 6 Atoommodellen In het begin van de twintigste eeuw is de wetenschap erin geslaagd twee belangrijke eigenschappen van atomen te achterhalen: (1) ze bevatten elektronen en (2) ze zijn elektrisch neutraal. Thomson stelde daarop het volgende atoommodel voor: een atoom bestaat uit een bol positief geladen materie met daarop ingebedde elektronen. Zijn atoommodel kreeg algauw de bijnaam het plumpuddingmodel, naar een traditioneel Engels toetje met rozijnen. a Maak een tekening van een fluoratoom volgens het model van Thomson. Rutherford, een studiegenoot van Thomson, deed in 1910 onderzoek naar de structuur van atomen. Hij nam een dun blaadje goudfolie en liet er a-straling op vallen. Met behulp van fotogevoelige film detecteerde hij vervolgens hoe de baan van de a-deeltjes (He 2+ ) werd beïnvloed door het goudfolie (figuur 3). Uitgaande van het model van Thomson verwachtte hij te meten dat de deeltjes allemaal een beetje zouden worden afgebogen door de zachte bol materie van de goudatomen. Tot zijn verbazing nam hij echter iets heel anders waar, wat hem deed besluiten Thomsons atoommodel aan te passen. Het atoommodel van Rutherford wordt tot op de dag van vandaag als het juiste verondersteld: een kleine positief geladen kern waarin zich bijna alle massa bevindt, met daaromheen een nagenoeg lege ruimte waarin zich de vrijwel massaloze elektronen bevinden (elektronenwolk). In figuur 3 staat de opstelling van Rutherfords experiment weergegeven. bron van de α-straling loden scherm bundel α-straling goudfolie fotogevoelige film figuur 3 de opstelling van het experiment van Rutherford b Teken Rutherfords atoommodel van fluor naast dat van Thomson. c Neem figuur 3 over en geef met rood aan waar Rutherford op basis van Thomsons atoommodel verwachtte dat de a-deeltjes terecht zouden komen. 16 17

d De a-deeltjes kwamen echter op heel andere plaatsen terecht. Uit het atoommodel dat Rutherford later opstelde, kun je opmaken waar ze ongeveer terechtkwamen, door te voorspellen wat er gebeurt met a-deeltjes die op verschillende plekken op zo n atoom botsen. Geef met zwart aan waar de a-deeltjes daadwerkelijk terechtkwamen. Het atoommodel van Rutherford werd verder verfijnd door Niels Bohr. Door zijn aanpassing konden nog meer experimentele waarnemingen worden verklaard. e Welke aanpassing maakte Bohr? f Maak een tekening van het fluoratoom volgens het atoommodel van Bohr. 7 Groep 18 Vanaf het moment dat men argon had ontdekt, werden de andere elementen van groep 18 ook vrij snel ontdekt. Men wist immers precies naar welk type elementen men moest zoeken. Beschrijf zo nauwkeurig mogelijk de eigenschappen van het element dat men zocht om in groep 18 direct boven argon te zetten. 8 Isotopen van broom Van de atoomsoort broom komen twee isotopen voor in de natuur (tabel 6). Leg uit wat het verschil in atoombouw is tussen 79 Br en 81 Br. tabel 6 broomisotopen in de natuur broomisotoop relatief voorkomen massa (u) in de natuur 79 Br 50,7% 78,92 81 Br 49,3% 80,92 9 Plusopgaven Isotopen van boor voor extra diepgang. Van boor bestaan op aarde twee stabiele isotopen. B-10 komt op aarde 19,9% voor. Bereken met behulp van Binas tabel 99 het massagetal van de tweede isotoop. tabel 7 relatief voorkomen van zeldzame aardmetalen in basnariet zeldzaam aardmetaal aandeel cerium 48,8% lanthanium 34,0% neodymium 11,7% praseodymium 4,2% samarium 0,79% d Van de actiniden komen maar twee elementen van nature voor op aarde. Zoek met behulp van Binas tabel 25 uit welke dat zijn. De halveringstijd van 238 U is 4,47 10 9 jaar. Dat betekent dat elke 4,47 10 9 jaar de hoeveelheid 238 U is gehalveerd. Na vier keer de halveringstijd is nog slechts 1 2 4 = 0,0625 van de oorspronkelijke hoeveelheid van het isotoop over, dat is minder dan 7%. Men sluit niet uit dat sommige actiniden wel op aarde voor zijn gekomen, maar zijn uitgestorven. De leeftijd van de aarde wordt geschat op 4,65 miljard jaar. e Zoek in Binas tabel 25 de halveringstijd van 244 Pu op. f Stel dat er aanvankelijk een aanzienlijke hoeveelheid 244 Pu op aarde voorkwam. Is het dan aannemelijk dat deze inmiddels helemaal is vervallen? Licht je antwoord toe met een berekening. Meer oefening nodig? Ga naar de V-trainer. 11 Radioactieve isotopen De enige isotoop van goud die in de natuur voorkomt, is 197 Au. Voor kankeronderzoek wordt de radioactieve isotoop Au-195 gebruikt. Deze synthetische isotoop wordt gemaakt in de kernreactor in Petten (figuur 4). *10 Lanthaniden en actiniden De lanthaniden en actiniden zijn twee series elementen die altijd onder het periodiek systeem staan en nooit op hun plaats tussen groep 3 en 4. a Hoeveel groepen zou het periodiek systeem bevatten als de lanthaniden en actiniden wel op hun plaats zouden staan? Licht je antwoord toe. b Alhoewel de lanthaniden in dezelfde periode staan, gedragen ze zich als een groep: ze hebben vergelijkbare chemische eigenschappen. Leg met behulp van Binas tabel 99 uit hoe dat komt. De lanthaniden behoren alle tot de elementen die worden aangeduid als de zeldzame aardmetalen. De metalen zijn onmisbaar bij het maken van hightechapparaten zoals mobiele telefoons. Anders dan de naam doet vermoeden, zijn de elementen niet zozeer zeldzaam als wel moeilijk zuiver in handen te krijgen. Zeldzame aardmetalen worden onder andere gewonnen uit het mineraal basnariet (tabel 7). c Leg uit waarom het zo lastig is de lanthaniden uit dit erts zuiver in handen te krijgen. figuur 4 de kernreactor van Petten 18 19

a Geef de overeenkomsten en de verschillen in atoombouw tussen Au-195 en Au-197. b De radioactieve isotoop 195 Au ontstaat uit een ander element. In dit element fuseren een elektron en een proton samen tot een neutron. Hierbij wordt het 195 Au-isotoop gevormd. Beschrijf de atoombouw van het element waaruit de 195 Au-atomen worden gevormd. Jaarlijks worden bij meer dan tien miljoen mensen radioactieve isotopen bij de behandeling van ziekten gebruikt. Deze radioactieve isotopen zijn in de kernreactor van Petten gemaakt. De kernreactor zou al in 2014 worden gesloten. De reactor is vijftig jaar oud en aan vervanging toe. Er zijn op dit moment echter nog geen alternatieve producenten van deze radioactieve isotopen. Een mogelijke oplossing is een grootschalige renovatie. Dit is een dure en tijdelijke oplossing. Deze is echter wel op korte termijn noodzakelijk. De reactor wordt in verband met een gebrek aan veiligheid en een verhoogd risico regelmatig stilgelegd. Mede hierdoor is de productie van de isotopen voor nucleaire therapie achteruitgegaan. Bij de productie van deze isotopen ontstaat veel radioactief afval. Dat moet vele jaren onder de grond worden opgeslagen. c Leg uit of je de productie van de radioactieve isotopen belangrijk genoeg vindt om de reactor in Petten open te houden. 2 De hoeveelheid stof In deze paragraaf leer je: de relatie tussen de mol en de constante van Avogadro te gebruiken; de molaire massa met behulp van de relatieve atoommassa s te berekenen; de verbanden te gebruiken die er zijn tussen de hoeveelheid stof, het aantal deeltjes, massa en volume. De massa s van atomen en moleculen druk je uit in units. Er passen ontzettend veel units in een gram. Zo veel dat, als je wilt praten over aantallen deeltjes, termen als miljoen en miljard niet volstaan. Een nieuwe internationale omrekenfactor, de hoeveelheid stof met als eenheid de mol, biedt uitkomst. Molecuulmassa Met behulp van de relatieve atoommassa s wordt de relatieve molecuulmassa M r berekend. De relatieve molecuulmassa is gelijk aan de som van de relatieve atoommassa s van de atomen waaruit het molecuul is opgebouwd. De relatieve atoommassa s kun je vinden in Binas tabel 99. De mol Bij reacties maak je gebruik van de deeltjesverhouding in de reactievergelijking. Daarom werk je vaak met molecuulmassa s. Alleen is de atomaire massa-eenheid u daarbij minder goed bruikbaar. Je werkt in de praktijk bij reacties meestal met gram en soms met kilogram. In de scheikunde wordt daarom internationaal gebruikgemaakt van een andere manier om de hoeveelheid aan te geven, namelijk de hoeveelheid stof n, ook wel chemische hoeveelheid genoemd. Deze chemische hoeveelheid is een grootheid om het aantal atomen en moleculen uit te drukken. De eenheid waarin dit wordt gegeven, is de mol. De mol behoort tot de SI-eenheden, het Internationale Stelsel van Eenheden (Binas tabel 3A). Een mol lijkt op een dozijn. Het zijn allebei een hoeveelheid deeltjes. De hoeveelheden zijn niet afhankelijk van het soort deeltjes, deze staan vast. Een dozijn komt overeen met twaalf deeltjes. Wanneer wordt gesproken over 1,00 mol stof, worden 6,02 10 23 deeltjes bedoeld. Dus 1,00 mol water bestaat uit 6,02 10 23 watermoleculen en 1,00 mol ijzer bestaat uit 6,02 10 23 ijzeratomen. Het getal 6,02 10 23 wordt de constante van Avogadro N A genoemd (Binas tabel 7A). In figuur 5 is schematisch weergegeven hoe je het aantal deeltjes, N, kunt omrekenen naar het aantal mol en omgekeerd. n (hoeveelheid stof) N A : N A N (aantal deeltjes) 566688-01-02-06 figuur 5 omrekenen van het aantal mol naar het aantal deeltjes en andersom Je kunt dit ook in formules opschrijven: N N = n N A of n = NA Hierin is: N het aantal deeltjes; N A de constante van Avogadro, 6,02 10 23 ; n de hoeveelheid stof, het aantal mol. Molaire massa Het gebruik van de mol maakt het rekenen aan een chemische reactie een stuk eenvoudiger. Met de molaire massa M, de massa van 1 mol stof, kan een hoeveelheid massa worden omgerekend tot het aantal mol stof. De molecuulmassa van water, H 2 O, is: 2 1,008 + 16,00 = 18,016 u. Dan is de massa van één mol water 18,016 g. De molaire massa M(H 2 O) is 18,016 g mol 1. In figuur 6 is schematisch weergegeven hoe je van massa kunt omrekenen naar aantal mol en omgekeerd. m (massa) : M M n (hoeveelheid stof) figuur 6 omrekenen van massa naar mol en omgekeerd Je kunt dit ook in formules opschrijven: m m = n M of n = M Hierin is: m de massa in gram; n de hoeveelheid stof, het aantal mol; M de molaire massa in g mol 1. 20 21

Voorbeeldopgave 3 Bereken het aantal mol methaan in 10,0 g methaan, CH 4 (g). Uitwerking De massa is gegeven. Eerst moet het aantal mol met behulp van de molaire massa worden uitgerekend. De molaire massa van methaan wordt berekend met behulp van Binas tabel 99. Hij is ook opgenomen in Binas tabel 98. M(CH 4 ) = 12,01 + 4 1,008 = 16,042 g mol 1 m 10,0 Het aantal mol kan worden berekend met n =, invullen geeft n = = 0,623 mol CH M 16,042 4 (g). 10,0 g methaan komt dus overeen met 0,623 mol CH 4 (g). Dichtheid Wanneer stoffen zich in de vloeibare fase of gasfase bevinden, is het soms praktischer om de hoeveelheid stof niet uit te drukken in massa of hoeveelheid stof, maar in volume. Een volume m stof kan worden omgerekend naar massa door gebruik te maken van de dichtheid r: ρ = V De SI-eenheid van de dichtheid is kg m 3. De dichtheid is afhankelijk van de temperatuur. In Binas tabel 8 tot en met 12 staan de dichtheden van een aantal veelgebruikte stoffen bij kamertemperatuur. Wanneer je een volume wilt omrekenen in het aantal mol, dan moet je eerst het volume omrekenen in massa. In figuur 7 staan alle omrekenstappen samengevat in één blokschema. Voorbeeldopgaven met duidelijke oplosstrategie. Dit is gelijk aan 0,80 g ml 1. Invullen geeft: 92,136 V = = 115 = 1,2 10 2 ml ethanol 0,80 Onthoud! Atomen hebben een atoommassa die wordt uitgedrukt in de atomaire massa-eenheid u. De molecuulmassa is de som van de relatieve atoommassa s van alle atomen in een molecuul. Je rekent bij reacties met het begrip hoeveelheid stof n met de mol als eenheid. Dichtheid is de massa per volume stof. Opdrachten 12 Molaire massa Bereken de molaire massa van: a kopercarbonaat, CuCO 3 (s). b glycerol, C 3 H 8 O 3 (l). c kaliumfosfaat, K 3 PO 4 (s). d chloor, Cl 2 (g). 13 Aantal deeltjes Gebruik figuur 7 bij de beantwoording van de volgende vragen. a Bereken de massa in gram van 3,06 10 20 mangaanatomen. b Bereken hoeveel joodmoleculen zich in een joodkristal van 1,3 g bevinden. V (volume) p : p m (massa) figuur 7 alle rekenstappen in één blokschema : M M n (hoeveelheid stof) N A : N A N (aantal deeltjes) 14 Massa Bereken de massa in gram van: a 3,3 mol zuurstofatomen. b 3,3 mol zuurstof. c 3,3 mol water. Voorbeeldopgave 4 Bereken het volume van 2,0 mol ethanol, C 2 H 6 O(l), in milliliter (ml). Uitwerking Gegeven is het aantal mol. Om het volume te kunnen berekenen, moet eerst de massa worden berekend. Gebruik de formule m = n M. M(C 2 H 6 O) = 46,068 g mol 1 (Binas tabel 98) Invullen geeft: m = 2,0 46,068 = 92,136 g C 2 H 6 O Vervolgens kan het volume worden berekend. Gebruik de formule V = m ρ De dichtheid van ethanol staat in Binas tabel 11; deze is 0,80 10 3 kg m 3. 15 Chemische hoeveelheid Bereken de chemische hoeveelheid van: a 16,0 g goud. b 0,067 mg zwaveldioxide, SO 2 (g). c 7,45 kg dichloormethaan, CH 2 Cl 2 (l). 16 Aantal mol Bereken hoeveel mol chlooratomen Met de zich V-trainers bevinden in: in de digitale leeromgeving a 1,2 g chloor. slijpen leerlingen hun vaardigheden in. b 1,2 g waterstofchloride. c 1,2 g tetrachloormethaan, CCl 4 (l). Meer oefening nodig? Ga naar de V-trainer. 22 23

17 Molaire massa van een element De atoommassa van een bepaald element is 1,71 10 22 g. Hoe groot is de molaire massa van dit element? A 101 g mol 1 B 103 g mol Integratie van 1 opgaven C 105 g mol 1 uit D Chemieolympiade. 107 g mol 1 18 De aarde De massa van de aarde bedraagt ongeveer 5 976 000 000 000 000 000 000 000 kg. a Geef deze massa in gram. Gebruik machten van 10. Bewegingen van vloeibare metalen, met name ijzer, in de buitenkern van de aarde veroorzaken het magnetisch veld van de aarde. Door de hoge druk is de binnenkern vast. Men schat dat 35% van de massa van de aarde uit ijzer bestaat. b Bereken hoeveel mol ijzer zich op en in de aarde bevindt. c Hoeveel ijzeratomen zijn dat? d Bereken hoeveel afstand er dan zou worden afgelegd indien al deze ijzeratomen als een snoer op een rij liggen. Gebruik hiervoor een gegeven uit Binas tabel 40A. e De afstand van ons zonnestelsel tot de dichtstbijzijnde ster bedraagt 4,22 lichtjaar. De lichtsnelheid bedraagt 3,00 10 8 m s 1. Komt het ijzersnoer zo ver? *19 Bladgoud Van goud bestaat maar één niet-radioactieve isotoop: 197 Au. Dit is tevens de enige isotoop van goud die in de natuur voorkomt. a Leg uit wat dit betekent voor de relatieve atoommassa van goud. Goud heeft een zeer hoge dichtheid: 19,3 kg dm 3. Bladgoud wordt gebruikt voor versieringen van voedsel. Voor het maken van bladgoud wordt 1,0 kg goud platgewalst totdat het een oppervlakte heeft van 500 m 2. b Bereken de dikte van het bladgoud in millimeter. c Een goudatoom heeft een atoomstraal van 144 10 12 m. Bereken hoeveel atomen er in bladgoud maximaal op elkaar liggen. d Geef een mogelijke reden waarom het bladgoud niet dunner wordt gemaakt. Bij sommige hoofdstukken zijn examenopgaven opgenomen. Dit is apart aangeduid met naar: examen - jaartal Het is bij mengsels handig om uit te kunnen drukken hoe groot het gehalte van de verschillende stoffen in het mengsel is. Afhankelijk van de aard van het mengsel kan dat op verschillende manieren. De significantie waarin je deze gehaltes aangeeft, is afhankelijk van hoe nauwkeurig het gebruikte glaswerk is geweest. Samenstelling van mengsels Het gehalte van een stof in een mengsel kun je uitdrukken in massa-eenheden. Het gaat dan om het aantal delen dat de stof van het geheel uitmaakt. Wanneer het om honderdste delen gaat, spreekt men van een percentage. Wanneer het gehalte erg laag is, drukt men het uit in miljoenste of zelfs miljardste delen. Deze worden aangeduid als parts per million, ppm, of parts per billion, ppb. De formules waarmee percentage, ppm en ppb worden berekend, lijken erg op elkaar. Wel is het belangrijk te weten van welke grootheid het gehalte wordt berekend. m stof m mengsel m deel m geheel massa% = 100 = 100 m massa ppm = deel m geheel 10 6 m massa ppb = deel m geheel 10 9 Bij gassen en vloeistoffen wordt als gehalte vaak het volumepercentage genomen. V stof V mengsel V deel V geheel volume% = 100 = 100 EXPERIMENT 1 Massapercentage ijzer in staalwol Grootheid en eenheid Een grootheid is iets wat je kunt meten, bijvoorbeeld tijd, afstand of massa. Het symbool van een grootheid wordt altijd cursief weergegeven. Daaraan kun je een grootheid herkennen. Een grootheid wordt uitgedrukt in een eenheid. Internationaal zijn er afspraken gemaakt welke eenheden men gebruikt bij welke grootheden. Zo wordt de grootheid V van volume uitgedrukt in de eenheid m 3 en de grootheid m van massa in de eenheid kg. In Binas tabel 3 en 4 staan de grootheden met hun juiste eenheden vermeld. De eenheid is afhankelijk van wat je meet en waarmee je meet. Zo kun je de afstand tussen jeu-de-boulesballen met een rolmaat meten (figuur 8). De eenheid die op de rolmaat staat, is centimeter. De afstand tussen sterren is veel groter. Daarom wordt deze afstand in lichtjaren uitgedrukt. 3 Rekenen aan gehaltes In deze paragraaf leer je: hoe het gehalte van een stof in een mengsel op verschillende manieren kan worden uitgedrukt; het verschil tussen een grootheid en een eenheid aan te geven; het verschil tussen een meetwaarde en een telwaarde aan te geven; te beschrijven hoe de afrondingsregels bij berekeningen met meetwaarden moeten worden toegepast. figuur 8 afstand meten met behulp van een rolmaat 24 25