Bram Steeman Kapellenstraat 21/2 9280 Denderbelle 2009-2010 1 C u r s u s C h e m i e : D e r d e w e t e n s c h a p p e n a u t e u r : B r r a m S t e e m a n
1. Zuivere stof mengsel 1.1. Stoffen en stofeigenschappen - Stof- en voorwerpeigenschappen (zie labomateriaal) Voorbeeld: Erlenmeyer (stof: glas) Stofeigenschappen Voorwerpeigenschappen - Breekbaar - Doorzichtig - Hitte bestendig - Maataanduiding - Afsluitbaar - Platte bodem - Hals - Kwalitatieve/Kwantitatieve stofeigenschappen Niet meetbaar Meetbaar Kwalitatieve stofeig. Kwantitatieve stofeig. - Kleurloos - Smaak - Geur -... - Magneet - Elektrische geleidbaarheid - Hitte bestendigheid - Warmtegeleiding - ph (zuurtegraad) - Oplosbaarheid - θ K, θ S (kookpunt, smeltpunt) - Massadichtheid - Viscositeit (vloeibaarheid) 2 C u r s u s C h e m i e : D e r d e w e t e n s c h a p p e n a u t e u r : B r a m S t e e m a n
1.2. Mengsels en zuivere stoffen - Een zuivere stof is een stof, die enkel identieke moleculen bevat en is gekenmerkt door welbepaalde fysische constanten. - Een mengsel is een verzameling van verschillende stoffen, bestanddelen of componenten van het mengsel genoemd. fysische constanten: Voorbeeld: H 2O Kookpunt: 100 C Smeltpunt: 0 C Elektrische geleidbaarheid: 0 S 1.3. Scheiden van mengsel Heterogene mengsels A) Decanteren : Dit is gewoon afgieten, je kan hiermee een vaste stof van een vloeistof scheiden, als bij de vaste stoffen de partikeltjes voldoende groot zijn om te bezinken. B) Afscheiden : Hiermee kan je twee vloeistoffen van elkaar scheiden, na (Met scheitrechter) ontmengen. C) Filtreren : Hiermee kan je een vaste stof, wat het residu zal zijn, en een vloeistof, wat het filtraat zal zijn, scheiden. D) Centrifugeren : Met deze methode kan je een vloeistof en een vaste stof die moeilijk bezinkt scheiden. Het bezinken wordt versneld door de snelle draaisnelheid van de centrifugetrommel. Homogene mengsels A) Destilleren : - Ten eerste kan je hiermee een vaste stof van een vloeistof scheiden, zo kan je een oplosmiddel verkrijgen. - Je kan ook een vloeistof van een vloeistof scheiden indien de kookpunten voldoende ver uit elkaar liggen. 3 C u r s u s C h e m i e : D e r d e w e t e n s c h a p p e n a u t e u r : B r a m S t e e m a n
B) Kristalliseren : Hiermee kan je een vaste stof van een vloeistof scheiden, om een opgeloste vaste stof te verkrijgen. C) Extractie : Door deze methode kan je een vaste stof van een vloestof afzonderen, op basis van verschil in oplosbaarheid in een extractiemiddel. D) Adsorptie : De stof die men uit een homogeen mengsel wil afscheiden wordt vastgehecht aan het oppervlak van een andere stof. (het adsorptiemiddel) 4 C u r s u s C h e m i e : D e r d e w e t e n s c h a p p e n a u t e u r : B r a m S t e e m a n
2. Van samengestelde tot enkelvoudige stof 2.1. Inleiding Mengsels Zuivere stoffen Nieuwe, andere stoffen Scheidingstechnieken (Fysisch) (Chemisch) 2.2. Mogelijkheid 1: samengesteld enkelvoudig Suiker (C 6 H 12 O 6 ) Koolstof (C) Water (H 2 O) Ontleden, analyse, ontbinding Toestel van Hofmann Zuurstofgas of Waterstofgas of Dizuurstof (O 2 ) Diwaterstof (H 2 ) ( pluspool) (minpool) 5 C u r s u s C h e m i e : D e r d e w e t e n s c h a p p e n a u t e u r : B r a m S t e e m a n
Soorten Voorbeeld: - Suiker Thermolyse (warmte) - H 2 O Elektrolyse (elektronisch) - / Fotolyse (licht) - Recycleren van kunststoffen Pyrolyse (zonder O 2 ) 2.3. Mogelijkheid 2: enkelvoudig samengesteld Voorbeeld: - H 2 + O 2 H 2 O - Mg + O 2 MgO Synthese 2.4. Mogelijkheid 3: subsitutie Voorbeeld: - AB + CD AD + CB - Mg + HCl MgCl 2 + H 2 Uitwisselingsreactie 2.5. Elementen/atoomsoorten atomen & atoomstructuren Elementen/atoomsoorten Voorbeeld: Steenkool Grafiet Diamant (c) zwart Grijs kleurloos hard zacht zeer hard Opmerking: Koolstof (c) C 60 (Buckminsterfullereen) 6 C u r s u s C h e m i e : D e r d e w e t e n s c h a p p e n a u t e u r : B r a m S t e e m a n
Atomen & atoomstructuren Voorbeeld: - Grafiet Hexagonale schikking - Diamant Tetraëdrische schikking Tekeningen - Hexagonale schikking - Tetraëdrische schikking Opmerking: Fotosynthese Organisme Chlorofyl (bladgroen) Zon 6 CO 2 + 6 H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 7 C u r s u s C h e m i e : D e r d e w e t e n s c h a p p e n a u t e u r : B r a m S t e e m a n
3. Enkele belangrijke 3.1. Metalen en niet-metalen Zie handboek 3.2. Dizuurstof Methode 1 enkelvoudige stoffen KClO 3 (kaliumchloraat) MnO 2 (mangaandioxide) Methode 2 Toestel van Hofmann Eigenschappen - Slecht oposbaar in water - Geen kleur - Geen geur - Geen smaak - Onbrandbaar, maar noodzakelijk voor verbranding Industrieel O 2 wordt hoofdzakelijk verkregen door destillatie van vloeibaar gemaakte lucht. 8 C u r s u s C h e m i e : D e r d e w e t e n s c h a p p e n a u t e u r : B r a m S t e e m a n
Natuur CO 2 + H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 Opmerking: Samenstelling van lucht: - 78 % N 2-21 % O 2-0,9 % edelgassen - 0,03 % CO 2 (+ waterdamp) Opmerking: O 3 (ozon) wordt gevormd door sterke elektrische ontladingen in de atmosfeer, en ook door UV-straling. 3.3. Diwaterstof Methode 1 Toestel van Hofmann Methode 2 Zn + 2 HCl H 2 + ZnCl 2 Voorkomen op aarde Niet in de natuur Eigenschappen - Reukloos - Kleurloos - Brandbaar - Mengsel met lucht is explosief 9 C u r s u s C h e m i e : D e r d e w e t e n s c h a p p e n a u t e u r : B r a m S t e e m a n
Toepassingen 3.4. Edelgassen - Diwaterstof wordt gebruikt als brandstof in raketten. - Dit is de vulling in een onbemande ballon. - Er zijn 6 edelgassen. Naam Symbool Gebruik - Helium He Vulling in luchtballon, koelmiddel, gas in duikerklok - Neon Ne Neonverlichting, tv-buis - Argon Ar Gloeilampvulling - Krypton Kr Tl-buizen - Xenon Xe Zonnebank - Radon Rn Een geneeskrachtige bron 10 C u r s u s C h e m i e : D e r d e w e t e n s c h a p p e n a u t e u r : B r a m S t e e m a n
4. De chemische reacties 4.1. Kenmerken van een chemische reactie Voorbeeld 1 Wit krijt + zoutzuur (HCl) Het krijt is verdwenen, wat overblijft weten we niet. Voorbeeld 2 Keukenzout + Fenolftaline NaOH + Fenolftaline Kleurloos Violet Indicator, aanwijzer Voorbeeld 3 CuSO 4 Koningsblauw Geconcentreerd NH 3 Voorbeeld 4 H 2 SO 4 (18 C) + NaOH (18 C) Temperatuur 90 C Voorbeeld 5 H 2 SO 4 + Cu + Zn Spanning Conclusie - Er ontstaan andere (nieuwe) stofeigenschappen - De structuur van de stoffen wordt gewijzigd Notatie Reagentia Reactieproducten - Reagerende stoffen Reactiepijl - Uitgangsstoffen 11 C u r s u s C h e m i e : D e r d e w e t e n s c h a p p e n a u t e u r : B r a m S t e e m a n
Het deeltjesmodel 1. + + (Zelf te tekenen) 2. + (Zelf te tekenen) Opmerking: - Exo-energetische reacties (is een reactie waarbij energie vrijkomt) - Endo-energetische reacties (is een reactie waarbij energie wordt toegevoegd) - Exotherm (is een reactie waarbij warmte vrijkomt) - Endotherm (is een reactie waarbij warmte wordt toegevoegd) 4.2. Belangrijke principes geldig voor alle chemische reacties Wet van behoud van massa of wet van Lavoisier De wet: In een gesloten systeem, is de massa van de reagentia gelijk aan de massa van de reactieproducten. Gevolg: Door chemische processen kunnen er geen atomen of atoomsoorten bijkomen of verloren gaan. Voorbeeld: 2 KI + Pb (NO 3 ) 2 PbI 2 + 2KNO 3 Dit is geel Deze pijl wijst erop dat de stof naar onder zal gaan in de proefbuis 12 C u r s u s C h e m i e : D e r d e w e t e n s c h a p p e n a u t e u r : B r a m S t e e m a n
Symbolische voorstelling van chemische reacties: reactievergelijking Voorbeeld: De verbranding van magnesiumlint 2 Mg + O 2 2 MgO 13 C u r s u s C h e m i e : D e r d e w e t e n s c h a p p e n a u t e u r : B r a m S t e e m a n
5. Atoombouw, periodiek systeem en chemische binding 5.1. Samenstelling van een atoom (cem) Model Voorbeeld: - Trouwring 10000 triljoen atomen Au - Punt achter zin 100 miljard atomen Atoombouw 1. Mantel bevat elektronen (e - ) 1 2. Kern bestaat uit... 2 Protonen (p + ) neutronen (n ) Massa & lading van een atoom Deel p +, n, e - Abs. massa Rel. massa Abs. lading Rel. lading - Kern P + 1,66. 10-27 kg 1u + 1,6. 10-19 C + 1 e.l.e. n 1,66. 10-27 kg 1u / / - Mantel e - 0kg Ou - 1,6. 10-19 C - 1 e.l.e. U: Unit C: Coulomb e.l.e: elektronladingseenheid 14 C u r s u s C h e m i e : D e r d e w e t e n s c h a p p e n a u t e u r : B r a m S t e e m a n
Voorstelling van stoffen Voorstelling: X X: Naam van de stof Z: Massagetal, aantal p + + n = aantal kerndeeltjes Y: Atoomnummer, aantal p + = aantal e - Enkele voorbeelden: 1) Fe 26 p + 26 e - 30 n 2) Na 11 p + 11 e - 12 n 5.2. Atoommodel volgens Bohr Banen Schillen Energieniveaus - Orbits K L M N O P Q n 1 2 3 4 5 6 7 2n 2n 2 2 8 18 32 32 32 32 - Regel 1: e - hebben een zo laag mogelijke energie-inhoud Plaatsing op de laagste baan. - Regel 2: Maximum 2n 2 e - op de n-schil (max 32). - Regel 3: Maximum 8 e - op de buitenste schil. Er was eens... Dalton (1800) Thompson (1904) Rutherford (1911) Bohr (1914) 15 C u r s u s C h e m i e : D e r d e w e t e n s c h a p p e n a u t e u r : B r a m S t e e m a n
Atoomnr. Stof K L M N 1 H 1 2 He 2 3 Li 2 1 4 Be 2 2 5 B 2 3 6 C 2 4 7 N 2 5 8 O 2 6 9 F 2 7 10 Ne 2 8 11 Na 2 8 1 12 Mg 2 8 2 13 Al 2 8 3 14 Si 2 8 4 15 P 2 8 5 16 S 2 8 6 17 Cl 2 8 7 18 Ar 2 8 8 19 K 2 8 8 1 20 Ca 2 8 8 2 16 C u r s u s C h e m i e : D e r d e w e t e n s c h a p p e n a u t e u r : B r a m S t e e m a n
5.3. Periodiek systeem van de elementen (PSE) Inleiding : Een vereenvoudigde versie is opgesteld door Dimitri Mendeljev, hij leefde van 1834 tot 1907, hij zorgde voor de classificatie van de elementen. Dit gebeurde op twee manieren, - Stijgende massa (vlnr) - Eigenschappen (vbno) Niet ontdekt :Sommige vakjes in de tabel van Mendeljev waren niet ingevuld, Mendeljev zei dat in deze vakjes stoffen kwamen die nog niet ontdekt waren. Hij had gelijk, later werden deze stoffen gevonden: - 21 Sc - 32 Ge - 31 Ga PSE: Een verbeterde versie van de tabel van Mendeljev. De kolommen in het PSE: groepen. Dit zijn ze : I a : Alkalimetalen II a : Aardalkalimetalen III a : Aardmetalen/boorgroep IV a : Koolstofgroep V a VI a : Stikstofgroep : Zuurstofgroep VII a : Halogenen 0 : Edelgassen I a II a III a IV a V a VI a VII a 0 1 H He 2 Li Be B C N O F Ne 3 Na Mg Al Si P S C Ar 4 K Ca Aantal schillen Valentie e - = Aantal e - op buitenste schil 17 C u r s u s C h e m i e : D e r d e w e t e n s c h a p p e n a u t e u r : B r a m S t e e m a n
Opmerking: Edelgassen zijn inert Octetstructuur = edelgasconfiguratie 8 valentie-e - 5.4. Gegevens uit het PSE A r Relatieve atoommassa : een onbenoemd getal dat uitdrukt hoeveel keer de massa van de stroom groter is dan de unit. Voorbeeld : A r (F) = 19.0 abs. m v/e atoom = A r (atoom). u Absolute m van een atoom F: A r (F).u = 19,0. 1,66.10-27 kg = 3,15. 10-26 kg M r Relatieve moleculemassa : Theorie, zie handboek Voorbeeld : M r (H 2 SO 4 ) 2A r (H) + A r (S) + 4A r (O) 2. 1,0 + 32,1 + 4. 16,0 98,1 Mol Mol en molaire massa : Eenheid van hoeveelheid stof Voorbeeld : - 1 mol O 2 : Hoeveelheid mol die 6,023. 10 23 moleculen bevat. - 1 mol Na: 6,023. 10 23 atomen Na 18 C u r s u s C h e m i e : D e r d e w e t e n s c h a p p e n a u t e u r : B r a m S t e e m a n
Molaire massa v/e stof : Absolute massa van 1 mol van die stof. Voorbeeld : M r (H 3 PO 4 ) 3A r (H) + A r (P) + 4A r (O) 3. 1,0 + 31,0 + 4. 16,0 98,0 De molaire massa van H 3 PO 4 is 98,0 g/mol Oefeningen : Bereken de molaire massa van Stof HClN MgO CH 4 (NH 4 ) 2 SO 4 Oplossing 50,5 g/mol 40,4 g/mol 16,0 g/mol 132,5 g/mol Aantal mol stof, aantal moleculen Aantal mol v/e stof : N = Voorbeeld : Bereken hoeveelheid mol stof en hoeveel moleculen er zijn in 49 g H 2 SO 4. - M r(h 2SO 4)= 2A r(h) + A r(s) + 4A r(o) = 2(1,0) + (32,1) + 4(16,0) = 98,1 De molaire massa van H 2SO 4 is 98,1g/mol - N=,, / = 0,499 mol - 0,499 mol. 6,023.10 23 moleculen/mol = 3,01. 10 23 moleculen Oefeningen : Doe dit ook voor Formule Opl. moleculen Opl. aantal mol 14 g Cl 2 1,2. 10 23 0,20 mol 4,0 NaOH 6,0. 10 23 0,1 mol 1,8 HCl 3,0. 10 22 0,049 mol 19 C u r s u s C h e m i e : D e r d e w e t e n s c h a p p e n a u t e u r : B r a m S t e e m a n
ENW (elektronegatieve waarde) - Alle elementen proberen een edelgasconfiguratie te bereiken. Ze proberen hun buitenste schil volledig te vullen (octetstructuur). - De elektronegatieve waarde is een maatgetal dat uitdrukt hoe sterk de neiging is van een atoom is om elektronen op te nemen. Opmerking 1: Edelgassen hebben geen elektronegatieve waarde, want *Voorbeelden zie cursus de buitenste schil is volledig gevuld. Ze vertonen geen neiging om e - op te nemen/af te staan. * Opmerking 2: Elementen uit de linkergroepen hebben een kleine elektronegatieve waarde. Ze zullen gemakkelijk e - afstaan. * Opmerking 3: Elementen uit de rechtergroep (behalve edelgassen) hebben een grote elektronegatieve waarde. Ze zullen gemakkelijk e - opnemen. 5.5. De chemische binding Ionbinding - Gebeurt tussen een metaal en een niet-metaal - ENW > 1,6(6) - Voorbeeld*: 11Na (2 8 1) en 17Cl (2 8 7) * Meer voorbeelden in de cursus, uitleg equivalentieregel. 11 p + 11 p + 11 e - 10 e - 0 + Na + Na Na + + e - Cl + e - Cl - Na + Cl + e - [Na + ] [Cl - ] + e - 17 p + 17 p + 17 e - 18 e - 0 - Cl - NaCl 20 C u r s u s C h e m i e : D e r d e w e t e n s c h a p p e n a u t e u r : B r a m S t e e m a n
Totale elektronenoverdracht! + Metaalionen Ze trekken elkaar aan - Niet-metaalionen coulombkrachten ionenrooster Voorbeelden: Alle kook- en smeltpunten zijn uitgedrukt in C θ S θ K AgBr 430 1533 Al 2 O 3 2037 2977 KCl 772 1407 MgO 2927 3627 NaOH 319 1387 Covalente binding/atoombinding ENW = 0, geen elektronenverschuiving - Gebeurt tussen een niet-metaal en een niet-metaal. - ENW 1,6(6) - Hoogstens elektronenverschuiving. - Gemeenschappelijk elektronenpaar: doublet - Lewisnotatie: - /Elektronenstipmodel: - Voorbeelden*: BV 1: H en H 2,1 2,1 ENW = 0 BV 2: Cl en Cl 3,5 3,5 ENW = 0.. Binding zelf te tekenen Binding zelf te tekenen H - H Cl - Cl 21 C u r s u s C h e m i e : D e r d e w e t e n s c h a p p e n a u t e u r : B r a m S t e e m a n
BV 3: H en Cl 2,1 3,5 Binding zelf te tekenen, ook de deltatekens worden zelf geplaatst. H - Cl *Meer voorbeelden in de cursus. ENW = 0,9 1,6(6) BV 4: H en C 2,1 2,5 ENW = 0,4 1,6(6) BV 5: C en Cl 2,5 3,0 ENW = 0,5 1,6(6) Binding zelf te tekenen, ook de deltatekens worden zelf geplaatst. H H - C - H H Binding zelf te tekenen, ook de deltatekens worden zelf geplaatst. Cl Cl - C - Cl Cl BV 6: N en O 3,0 3,5 ENW = 0,5 1,6(6) Binding zelf te tekenen, ook de deltatekens worden zelf geplaatst. O = N - O - N = O 22 C u r s u s C h e m i e : D e r d e w e t e n s c h a p p e n a u t e u r : B r a m S t e e m a n
Tussen deze moleculen zitten zwakke krachten of Vanderwaals-krachten. Alle kook- en smeltpunten zijn uitgedrukt in C θ S θ K Fase CO 2-205 -131 Gas HCl -114-85 Gas H 2 O 0 100 Vloeistof CH 4-182 -161 Gas Opmerking 1: Aantal atoombindingen: 8 het groepsnr. waar de stof in staat Uitkomst: 4, aantal atoombindingen Uitzondering: H, 1 atoombinding Metaalbinding - Tussen een metaal en zichzelf - positieve metaalionen: vrije elektronen - Voorbeeld: Warmtegeleiding Elektrische geleiding Binding zelf te tekenen 23 C u r s u s C h e m i e : D e r d e w e t e n s c h a p p e n a u t e u r : B r a m S t e e m a n