1 Hoe worden samengestelde stoffen geordend, voorgesteld en
advertisement
Op weg met chemie is de naam van de nieuwste boekenreeks voor het vak chemie van uitgeverij Plantyn. Op weg met chemie stelt de gebruiksvriendelijkheid voor de leerkracht en leerling voorop. Door alles te bundelen in 1 overzichtelijk, duidelijk gestructureerd leerwerkboek in vierkleurendruk zorgt Op weg met chemie ervoor dat de leerstof chemie makkelijker aan te leren en te leren is en dit via een kant-enklare, chronologische lesopbouw. Het leerwerkboek bevat alle theorie en oefeningen. Daarnaast wordt een ruim aanbod interactieve oefeningen online aangeboden via www.knooppunt.net. OP WEG MET CHEMIE Leerwerkboek 1 uur scheikunde ISBN 978-90-301-9551-1 2 A. Capon • J. Jansen • M. Meeus • E. Onkelinx • N. Rotty • G. Speelmans • A. Surings • A. Vangerven 9 7 8 90 3 0 1 9 5 5 1 1 OWCH21W_cover.indd 1 14-01-2009 15:04:48 Inhoud 1 Hoe worden samengestelde stoffen geordend, voorgesteld en benoemd? 10 1.1 Anorganische en organische stoffen 1.1.1 Anorganische of minerale stoffen 1.1.2 Organische stoffen of koolstofverbindingen 1.1.3 1.2 1.2.1 1.2.2 1.2.3 1.2.4 1.3 1.3.1 1.3.2 2 2.1 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 Intermezzo 1: oxidatiegetal Intermezzo 2: het opstellen van een brutoformule An Bm met behulp van oxidatiegetallen Stofklassen / Karakteristieke groep Anorganische stofklassen Oxiden Hydroxiden Zuren Zouten Oefenen en testen Organische stofklassen Waarom zijn er miljoenen organische stoffen? Alkanen Oefenen en testen Samenvatting Leesstukje: Veilig doelgericht stockeren van stoffen 11 12 13 2.2.4 Bereiding van ternaire zuren 2.2.5 Bereiding van zouten uit de enkelvoudige stoffen 2.2.6 Bereiding van zouten uit de oxiden 2.2.7 Bereiding van een zout uit een hydroxide en een zuur Intermezzo: aantonen van een zuur of een hydroxide Labo Oefenen en testen Samenvatting Leesstukje : Op zoek naar minerale grondstoffen en edelstenen 3 16 16 16 17 17 19 20 22 22 24 25 26 28 Een chemische kijk op anorganische stoffen 34 Samenhang tussen stofklassen Omzettingen tussen stofklassen Verbranding van metalen Bereiding van hydroxiden Bereiding van niet-metaaloxiden 34 35 35 35 36 3.1 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.2 4 Een chemische kijk op organische stoffen Alkanen Voorkomen in de natuur Eigenschappen Toepassingen Aardolie Oefenen en testen Samenvatting Leesstukje: Van stoffen met ‘levenskracht’ tot ‘kunststoffen’ Water, een uitzonderlijke stof! Water, een stof met opvallende eigenschappen 4.2 Polaire en apolaire stoffen 4.3 Dipoolmoleculen 4.4 Wat gebeurt er als je stoffen in water brengt? 4.4.1 Elektrische geleiding: elektrolyten en niet-elektrolyten 4.4.2 Het oplossen van ionverbindingen in water (elektrolyten) 36 36 36 37 37 38 42 45 46 52 52 53 53 55 55 00 57 58 62 4.1 62 63 64 65 66 67 3 OWMC2_FM 01-08.indd 3 6/3/09 11:33:28 AM 4.4.3 Het oplossen van covalente verbindingen in water – Apolair covalente verbindingen – Polair covalente verbindingen (elektrolyten / niet-elektrolyten) Oefenen en testen Samenvatting Leesstukje: Water, plat of bruisend, hard of zacht? 5 Hoeveel opgeloste stof bevat een waterige oplossing? 5.1 5.1.1 5.1.2 5.2 Concentratie Massaconcentratie Molaire concentratie Berekeningen met concentratie en stofhoeveelheid 5.2.1 Berekenen van de concentratie van een oplossing 5.2.2 Bereiden van oplossingen met een bepaalde concentratie Labo Oefenen en testen Samenvatting Leesstukje: Elke stof kan giftig zijn! 68 68 69 70 72 74 80 81 82 82 83 83 84 85 87 89 90 6.3.1 Bereiden van slecht oplosbare verbindingen 6.3.2 Kwalitatieve analyse van bepaalde ionsoorten in een waterige oplossing 6.3.3 Bepaalde ionen afzonderen uit een oplossing Labo Oefenen en testen Samenvatting Leesstukje: Chemie in het leven van elke dag 7 6.1 6.1.1 6.1.2 6.2 6.2.1 6.2.2 6.3 Samenvoeging van elektrolytoplossingen met vorming van een neerslag Intermezzo: Samenvoegen van elektrolytoplossingen Vorming van een neerslag bij het samenvoegen van elektrolytoplossingen Voorbeeld Werkwijze Andere voorbeelden van neerslagreacties Het samenvoegen van een koperdinitraatoplossing met een kaliumhydroxide-oplossing Het samenvoegen van een magnesiumdijodideoplossing met een trinatriumfosfaatoplossing Toepassingen van neerslagreacties 104 105 106 110 111 116 Vorming van een gas bij het samenvoegen van elektrolytoplossingen 117 7.1.1 Voorbeeld van een gasvormingsreactie 117 7.1.2 Voorbeeld 2: vorming van CO2 118 7.2 Toepassingen van gasvormingsreacties 119 Labo 120 Oefenen en testen 121 Samenvatting 122 Leesstukje: Eén atoom meer of minder, wat maakt het uit? 123 98 8.1 98 8.2 99 99 101 103 7.1 8 6 Samenvoeging van elektrolytoplossingen met vorming van een gas 103 8.3 8.4 102 102 102 103 Samenvoeging van elektrolytoplossingen met vorming van water: zuur-basereacties Geleidbaarheidsonderzoek bij het samenvoegen van een zuur- en een hydroxideoplossing Samenvoegen van een NaOH-oplossing met een H2SO4-oplossing De zuurgraad van een waterige oplossing (pH-waarde) Toepassingen van neutralisatiereacties Labo Oefenen en testen Samenvatting Overzichtschema: Samenvoeging van elektrolytoplossingen Leesstukje: Van zouten, vitriool en logen tot zuren en basen 132 133 135 135 137 137 139 141 00 143 4 OWMC2_FM 01-08.indd 4 6/3/09 11:33:28 AM 9 9.1 9.1.1 9.1.2 9.1.3 9.1.4 9.1.5 9.2 9.3 9.4 Verbrandingsreacties, een vorm van oxidatie en reductie Wat is een verbranding? Brandbare stof Dizuurstof (O2) Gevormde oxiden Energie-aspect van een verbranding Reactie-omstandigheden Een verbranding, tevens een oxidatie en een reductie Een redoxreactie, ook mogelijk zonder O2? Het opstellen van redoxreactievergelijkingen 150 150 151 151 153 155 155 156 9.4.1 Roosten van ZnS 9.4.2 Reactie tussen aluminium en diijzertrioxide (thermietreactie) Labo Oefenen en testen Samenvatting Leesstukje: Branden, verbranden: van lucifervlammetje tot verbrandingsoven ADDENDA Veilig werken in het schoollaboratorium Register Periodiek systeem van de elementen 160 160 161 163 166 168 174 00 179 158 159 5 OWMC2_FM 01-08.indd 5 6/3/09 11:33:29 AM Chemie is overal 6 OWMC2_FM 01-08.indd 6 6/3/09 11:33:29 AM Chemie in actie! Zoals je reeds weet is chemie de wetenschap die bestudeert hoe atomen en moleculen zich ordenen tot stoffen met een bepaald uitzicht en bepaalde eigenschappen. Vorig jaar heb je vooral geleerd hoe uit stoffenmengsels zuivere stoffen kunnen verkregen worden door een juiste scheidingstechniek te kiezen. Je hebt ook vastgesteld dat de zuivere stoffen worden ingedeeld in enkelvoudige en samengestelde stoffen, naargelang hun moleculen atomen van één of meerdere atoomsoorten bevatten. Zeer belangrijk was het inzicht dat alle stoffen rondom jou zijn opgebouwd uit atomen. In het Periodiek Systeem van de Chemische Elementen zijn alle tot nog toe gekende atoomsoorten geordend in groepen en perioden in relatie tot hun elektronenstructuur. Je leerde hoe atomen zich door interactie tussen hun elektronenmantels aan elkaar kunnen binden en zich zo verenigen tot grote roosters van atomen, ionen of moleculen. Naargelang hun bindingstype (atoombindingen, ionbindingen of metaalbindingen) zullen stoffen verschillende eigenschappen vertonen en zich ook onderling anders gedragen. Je weet ook reeds dat een chemische reactie in feite niets anders is dan een herschikking van atomen tot andere stabiele combinaties. Chemische reacties gaan ook steeds gepaard met een energieomzetting: hetzij een verbruik (endo-energetische reactie) of een productie (exo-energetische reactie) van energie. Bij chemische reacties is het vooral belangrijk te weten hoeveel van elke soort reagerende moleculen met elkaar kunnen en moeten reageren om een bepaalde hoeveelheid reactieproduct te leveren. Dus niet zozeer de massa’s of volumes van reagentia zijn erg belangrijk, maar wel het aantal deeltjes. Chemici tellen deze aantallen in een aangepaste eenheid: de “mol”, waarbij 1 mol overeenstemt met 6,023.1023 deeltjes. Dit leerjaar verneem je meer over enkele belangrijke soorten chemische reacties. Daartoe moet je ook een idee verwerven over de ordening van de stoffen in stofklassen en hun typische eigenschappen. Met belangrijke enkelvoudige stoffen heb je vorig jaar reeds kennisgemaakt. Nu verneem je meer over belangrijke anorganische en organische stofklassen. Je zult ook grondiger kennis maken met de wonderlijke eigenschappen van de stof “water”. Het is namelijk zo dat vele chemische reacties slechts kunnen plaatsgrijpen in aanwezigheid van water. Daarbij ontstaan allerlei opgeloste stoffen, neerslagen van vaste kristallijne stoffen en gassen. Soms worden er ook nieuwe watermoleculen gevormd. Ook de verbrandingsreactie wordt grondiger bestudeerd en in relatie gebracht met de meer universele begrippen van oxidatie en reductie. Je zal merken dat talrijke ogenschijnlijk verschillende stofomzettingen in feite te verklaren zijn door enkele eenvoudige chemische principes zoals ionverbindingsreacties en reacties met overdracht van elektronen tussen de reagerende deeltjes. Om dit beter begrijpbaar te maken en eenvoudig voor te stellen hebben de chemici daartoe een specifieke symbolentaal ontwikkeld. De basis daarvan heb je reeds vorig jaar geleerd. Dit leerjaar wordt die symbolentaal verder ontwikkeld naargelang je nieuwe stofklassen en reactiesoorten leert kennen. Een chemicus bestudeert de samenstelling, de eigenschappen en de omzettingen van stoffen. Je leeft in een dagdagelijkse wereld van stoffen en chemische reacties! 7 OWMC2_FM 01-08.indd 7 6/3/09 11:34:27 AM OWMC2_FM 01-08.indd 8 6/3/09 11:34:27 AM 1. HOE WORDEN SAMENGESTELDE STOFFEN GEORDEND, VOORGESTELD EN BENOEMD? Hoe worden samengestelde stoffen geordend, voorgesteld en benoemd? Hoofdstuk 1 9 OWCH21W 9-32.indd 9 6/3/09 4:23:25 PM 1. HOE WORDEN SAMENGESTELDE STOFFEN GEORDEND, VOORGESTELD EN BENOEMD? 1 Hoe worden samengestelde stoffen geordend, voorgesteld en benoemd? Bekijk en bedenk 1 Methanol 5 Propaangas 2 Kwartsgesteente 6 Asprine 3 Kaars 4 Suiker 7 Soda (of bakpoeder) 8 Ontstopper Welke stoffen herken je in één oogwenk? Zouden alle afgebeelde stoffen tot eenzelfde grote categorie behoren? Ken je typische stofeigenschappen van deze stoffen? Weet je waar deze stoffen in de natuur of in het dagelijks leven voorkomen? Weet je nog hoe we samengestelde stoffen onderscheiden van enkelvoudige? 10 | 1 Hoe worden samengestelde stoffen geordend, voorgesteld en benoemd? OWCH21W 9-32.indd 10 6/3/09 4:23:35 PM 1. HOE WORDEN SAMENGESTELDE STOFFEN GEORDEND, VOORGESTELD EN BENOEMD? CH3OH SiO2 CxH2x+2 Acetylsalicylzuur C6H4(CO2CH3)COOH C4H10 C12H22O12 NaHCO3 NaOH Bekijk aandachtig de bijhorende formules. Enig idee welke twee grote onderverdelingen je kan maken bij de samengestelde stoffen? Leer de chemie 1.1 Anorganische en organische stoffen Je kunt samengestelde stoffen indelen volgens • het uitzicht bv. de aggregatietoestand, de kleur, de kristalstructuur, … • typische eigenschappen bv. giftig, brandbaar, zuur, ... • de toepassing en het gebruik bv. geneesmiddelen, kunststoffen, detergenten, kleurstoffen, ... 1 Hoe worden samengestelde stoffen geordend, | 11 voorgesteld en benoemd? OWCH21W 9-32.indd 11 6/3/09 4:24:29 PM 1. HOE WORDEN SAMENGESTELDE STOFFEN GEORDEND, VOORGESTELD EN BENOEMD? Mengsels Zuivere stoffen Enkelvoudige stoffen Samengestelde stoffen Brutoformule Brutoformule Ex ExE’yE’’z H2 O3 P4 S8 Mg K Fe Cu He H2O CO2 CaO NaCl, BaBr2 H2SO4 Zoals vorig jaar reeds besproken, delen chemici stoffen in op basis van hun chemische samenstelling. Enkelvoudige stoffen zijn steeds anorganische stoffen. Samengestelde stoffen kunnen onderverdeeld worden in: – anorganische stoffen (minerale verbindingen): – organische stoffen (koolstofverbindingen): Vorig schooljaar heb je reeds de eigenschappen van enkele enkelvoudige stoffen bestudeerd. In dit hoofdstuk worden alleen de samengestelde stoffen behandeld. 1.1.1 Anorganische stoffen of minerale stoffen • Deze stoffen komen meestal (maar niet uitsluitend) voor in de dode natuur (bodem, water, lucht). • Van deze stoffen vind je zowel ionverbindingen, covalente verbindingen of metalen. • De moleculen van deze stoffen zijn meestal relatief klein en opgebouwd uit atomen van alle elementen in het P.S.E. Voorbeelden: • Lucht bevat 78% stikstofgas (N2), 21% zuurstofgas (O2) en o.a. een hoeveelheid waterdamp (H2O) en koolstofdioxide (CO2). • Zeewater bevat zouten als bv. keukenzout (NaCl) en calciumdichloride (CaCl2). • In aardlagen en gesteenten komen vele soorten minerale verbindingen voor. Er zijn ongeveer 3000 verschillende mineralen bekend, maar het grootste gedeelte van de aardkorst bestaat uit ongeveer 40 mineralen o.a. kwarts en calciet. Vele mineralen hebben een eenvoudige samenstelling, andere een meer complexe. Voorbeelden: kwarts (SiO2), Mineralen 12 | 1 Hoe worden samengestelde stoffen geordend, voorgesteld en benoemd? OWCH21W 9-32.indd 12 6/3/09 5:30:59 PM 1. HOE WORDEN SAMENGESTELDE STOFFEN GEORDEND, VOORGESTELD EN BENOEMD? zinkblende (ZnS), loodglans (PbS), cupriet (Cu2O), hematiet (Fe2O3), calciet (krijt, marmer, aragoniet: alle CaCO3), bariet (BaSO4 ). 1.1.2 Organische verbindingen of koolstofverbindingen • Deze stoffen komen voor in de levende natuur maar kunnen ook synthetisch bereid worden (bv. geneesmiddelen, kunststoffen). • De moleculen van deze stoffen zijn opgebouwd uit atomen van slechts een beperkt aantal elementen waaronder altijd C en meestal H, vaak O, soms N, S, F, Cl, Br ... • De grootte van de moleculen in de koolstofchemie gaat van klein (enkele atomen) tot zeer groot (duizenden atomen). Je treft hier hoofdzakelijk covalente verbindingen aan. Voorbeelden: • Methaan (aardgas, mijngas of moerasgas, CH4), propaan (C3H8 of CH3 CH2 CH3) • Alcohol: bv. ethanol (drankalcohol, C2H6O of CH3 CH2OH) • Azijnzuur (in azijn, C2H4O2 of CH3 COOH) • Vetten, plantaardige oliën: bv. oliezuur (9-octadeceenzuur, C18H34O2) • Suikers: bv. glucose (druivensuiker, C6H12O6) • Talrijke koolstofverbindingen kunnen ook synthetisch worden bereid, o.a. – kunststoffen als polyvinylchloride (PVC, (CH2 CHCl)n ) – vitaminen: bv. vitamine C (ascorbinezuur, C6H8O6) – geneesmiddelen, kleurstoffen, lijmen.... 1 Brandend aardgas 2 Olie 3 Azijn 5 Tennisracket 6 Geneesmiddel 7 Lijm 4 Pintje bier Merk op: Een bepaalde stof, zowel organisch als anrganisch die in een labo of industrieel is bereid, is volledig identiek aan de stof die je eventueel aantreft in de levende of dode natuur. Bv. ethanol (alcohol), vervaardigd uit aardolie is precies dezelfde stof als de ethanol die je in bier of wijn aantreft. 1 Hoe worden samengestelde stoffen geordend, | 13 voorgesteld en benoemd? OWCH21W 9-32.indd 13 6/3/09 4:25:25 PM 1. HOE WORDEN SAMENGESTELDE STOFFEN GEORDEND, VOORGESTELD EN BENOEMD? Intermezzo 1: oxidatiegetal Om op een snelle wijze de brutoformule van een verbinding te kunnen opstellen, maak je gebruik van het oxidatiegetal (soms ook wel oxidatietrap genoemd) van de betrokken atomen. Het oxidatiegetal wordt voorgesteld door OG. Het oxidatiegetal van een gebonden atoom is de lading die het draagt. Deze lading kan reëel zijn (ionen) of denkbeeldig. • Het oxidatiegetal wordt weergegeoen door een Romeins cijfer, voorafgegaan door een ⴙ of ⴚ teken. • Bij een ionbinding komt het OG overeen met de lading van het ion. bv. natriumchloride, NaCl Na1Cl1 OG(Na) I OG(Cl) I • Bij een covalente binding is het OG de lading die het atoom krijgt als het bindend doublet zou verschoven zijn naar het atoom met de hoogste EN-waarde*. Concreet betekent dit dat het atoom met de grootste EN-waarde een negatief OG zal krijgen, het atoom met de kleinste EN-waarde een positief OG. bv. waterstofchloride, HCl H-Cl EN-waarde H 2,1 Cl 3,0 OG(H) I OG(Cl) I Het oxidatiegetal van de meeste elementen varieert tussen welbepaalde extreme waarden. Deze waarden hangen af van het aantal valentie-elektronen (het groepsnummer in het P.S.E. met korte perioden). • Het hoogste positieve oxidatiegetal is steeds gelijk aan het groepsnummer. • Het laagste negatieve oxidatiegetal is steeds gelijk aan het groepsnummer min acht. P.S.E. met lange perioden 1 2 13 14 15 16 17 Groepsnummer (P.S.E. met korte perioden) I II III IV V VI VII I II III IV V VI VII IV III II I Hoogste positieve OG Laagste negatieve OG bestaat niet Intermezzo 2: het opstellen van een brutoformule AnBm met behulp van oxidatiegetallen Methode: • A en B stellen een atoom of een atoomgroep voor, n en m de indices. • De indices (n en m) krijgen de volgende benamingen: 1 mono, 2 di, 3 tri, 4 tetra, 5 penta, 6 hexa, 7 hepta, 8 octa, 9 nona, 10 deca. • Het atoom met de kleinste EN-waarde krijgt een positief OG. Dit atoom wordt meestal links geschreven in de brutoformule. Het atoom met de grootste EN-waarde krijgt een negatief OG (meestal rechts geschreven in de brutoformule). 14 | 1 Hoe worden samengestelde stoffen geordend, voorgesteld en benoemd? OWCH21W 9-32.indd 14 6/3/09 4:26:29 PM 1. HOE WORDEN SAMENGESTELDE STOFFEN GEORDEND, VOORGESTELD EN BENOEMD? • Het totale oxidatiegetal van een atoomgroep (兺OG) is gelijk aan de som van de oxidatiegetallen van de samenstellende atomen. – In een molecule is 兺OG van de samenstellende atomen gelijk aan nul. – In een polyatomisch ion (ion, samengesteld uit meerdere atomen, bv. NO31) is 兺OG van de samenstellende atomen gelijk aan de lading van het polyatomisch ion. Je vindt de waarde van het totale oxidatiegetal van een atoomgroep terug in onderstaande tabel. • Belangrijkste elementen en atoomgroep met hun positieve oxidatiegetallen Symbool OG Symbool OG Symbool OG Symbool OG H I Mg II Cu I,II C II,IV Li I Ca II Hg I,II P III,V Na I Ba II Fe II,III N I,II,III,IV,V K I Al III Pb II,IV S IV,VI NH4 I Zn II Au III Cl I,III,V,VII Ag I • Belangrijkste elementen (en atoomgroepen) met hun negatief oxidatiegetal (zie verder bij de stofklassen) Element OG Atoomgroep oOG Atoomgroep oOG F I NO3 I SO4 II Cl I ClO3 I CO3 II Br I BrO3 I PO4 III I I IO3 I O II OH I S II Voorbeelden: Binaire verbindingen Verbinding tussen C en O Mg Ternaire verbindingen en S Ca en SO4 Al en ClO3 EN-waarde 2.5 3.5 1.2 2.5 Teken van OG Groepsnummer IV VI II VI II geen III geen Waarde van OG IV II II II II II III I 1 2 1 1 1 1 1 3 Aantalverhouding Brutoformule * CO2 MgS CaSO4 Al(ClO3)3 In het P.S.E. vind je voor elk element de overeenstemmende EN-waarde (elektronegatieve waarde). Dit getal (tussen 0,7 en 4,0 ) is een maat voor de aantrekkingskracht die een atoom van dit element uitoefent op een vreemd elektron. 1 Hoe worden samengestelde stoffen geordend, | 15 voorgesteld en benoemd? OWCH21W 9-32.indd 15 6/3/09 4:26:30 PM 1. HOE WORDEN SAMENGESTELDE STOFFEN GEORDEND, VOORGESTELD EN BENOEMD? 1.1.3 Stofklassen/Karakteristieke groep Anorganische en organische samengestelde stoffen worden verder onderverdeeld in meerdere stofklassen. Een stofklasse bevat stoffen met analoge chemische (en vaak ook fysische) eigenschappen. Deze overeenkomst in eigenschappen wordt verklaard door een analoge chemische structuur: namelijk de aanwezigheid van één of meer, op een welbepaalde wijze gebonden atomen in de moleculen van deze stoffen. Dit gemeenschappelijk onderdeel in de moleculen van deze stoffen wordt karakteristieke of functionele groep genoemd. Zo onderscheiden we in de anorganische chemie oxiden, zuren, hydroxiden en zouten. In de organische chemie zijn er meerdere stofklassen, maar hier beperken we ons tot de stofklasse van de alkanen. In dit hoofdstuk bestudeer je de structuur en de naamgeving. De chemische eigenschappen en de samenhang tussen de verschillende stofklassen vind je in de volgende hoofdstukken. 1.2 Anorganische stofklassen 1.2.1 Oxiden Voorbeelden CaO: calciumoxide K2O: dikaliumoxide SO2: zwaveldioxide N2O5: distikstofpentaoxide Oxiden zijn binaire verbindingen van een metaal of een niet-metaal met zuurstof (O). Karakteristieke groep: is zuurstof. Algemene formule MnOm metaaloxide (nM)nOm Rozijnen worden behandeld met zwaveldioxide voor lange bewaring Naamvorming (n)-naam van het metaal (m)-oxide niet-metaaloxide (n)-naam van het niet-metaal (m)-oxide Opstellen van brutoformules met behulp van oxidatiegetallen Verbinding tussen 1 2 3 4 5 6 OG Aantalverhouding (indices) Ca II 1 O II 1 Na I 2 O II 1 Al III 2 O II 3 N V 2 O II 5 Cl VII 2 O II 7 N III 2 O II 3 Brutoformule Naam CaO calciumoxide Na2O dinatriumoxide Al2O3 dialuminiumtrioxide N2O5 distikstofpentaoxide Cl2O7 dichloorheptaoxide N2O3 distikstoftrioxide 16 | 1 Hoe worden samengestelde stoffen geordend, voorgesteld en benoemd? OWCH21W 9-32.indd 16 6/3/09 4:26:30 PM 1. HOE WORDEN SAMENGESTELDE STOFFEN GEORDEND, VOORGESTELD EN BENOEMD? 1.2.2 Hydroxiden Voorbeelden KOH: kaliumhydroxide Al(OH)3: aluminiumtrihydroxide Ba(OH)2: bariumdihydroxide Pb(OH)4: loodtetrahydroxide Hydroxiden zijn verbindingen van een metaal met een hydroxide-groep (OH). Karakteristieke groep is de hydroxide-groep. Algemene formule Naamvorming naam van het metaal (m)-hydroxide M(OH)m : metaalhydroxide Hydroxiden vertonen base-eigenschappen. Daarom worden hydroxiden ook basen genoemd. Opstellen van brutoformules met behulp van oxidatiegetallen Het totale oxidatiegetal van de OH-groep is I (som van II (O) en I (H)). Het aantal OHgroepen in de brutoformule wordt dus bepaald door het oxidatiegetal van het metaal. Verbinding tussen OG Aantalverhouding Brutoformule (indices) Na I 1 OH I 1 Ca II 1 OH I 2 Fe III 1 OH I 3 Fe II 1 OH I 2 1 2 3 4 Naam NaOH natriumhydroxide Ca(OH)2 calciumdihydroxide Fe(OH)3 ijzertrihydroxide Fe(OH)2 ijzerdihydroxide 1.2.3 Zuren Voorbeelden HCl: waterstofchloride H2S: diwaterstofsulfide H2SO4: diwaterstofsulfaat HNO3: waterstofnitraat Zuren zijn verbindingen van waterstof (H) met een zuurrest (Z). De karakteristieke groep is waterstof. Algemene formule HnZ Naamvorming (n) waterstof naam van de zuurrestgroep Een autobatterij bevat zwavelzuur 1 Hoe worden samengestelde stoffen geordend, | 17 voorgesteld en benoemd? OWCH21W 9-32.indd 17 6/3/09 4:26:36 PM 1. HOE WORDEN SAMENGESTELDE STOFFEN GEORDEND, VOORGESTELD EN BENOEMD? Chemici maken een onderscheid tussen binaire zuren en ternaire zuren. Binaire zuren Ternaire zuren (oxozuren) De zuurrest (Z) is een niet-metaal. Z is een atoomgroep bestaande uit een niet-metaal (uitgezonderd O en F) en enkele zuurstofatomen. Algemene formule Algemene formule Hn(nM) Hn(nM)Op Naamvorming Naamvorming (n) waterstof verkorte (verlatijnste) naam van het niet-metaal IDE (n) waterstof verkorte (verlatijnste) naam van het niet-metaal AAT Voorbeeld Voorbeeld HCl waterstofchloride H2SO4 diwaterstofsulfaat Opstellen van brutoformules met behulp van oxidatiegetallen 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Verbinding tussen OG Aantalverhouding (indices) H I 1 F I 1 H I 1 Cl I 1 H I 1 I I 1 H I 2 S II 1 H I 2 CO3 II 1 H I 2 SO4 II 1 H I 1 NO3 I 1 H I 3 PO4 III 1 H I 1 ClO3 I 1 Brutoformule Naam HF waterstoffluoride HCl waterstofchloride HI waterstofjodide H2S diwaterstofsulfide H2CO3 diwaterstofcarbonaat H2SO4 diwaterstofsulfaat HNO3 waterstofnitraat H3PO4 triwaterstoffosfaat HClO3 waterstofchloraat * Opmerking: De uitgang –AAT wordt in de naam van ternaire zuren gebruikt als het oxidatiegetal van het niet-metaal maximaal is (d.w.z. OG = groepsnummer). Ternaire zuren met Cl, Br en I vormen hierop een uitzondering. 18 | 1 Hoe worden samengestelde stoffen geordend, voorgesteld en benoemd? OWCH21W 9-32.indd 18 6/3/09 4:26:41 PM 1. HOE WORDEN SAMENGESTELDE STOFFEN GEORDEND, VOORGESTELD EN BENOEMD? 1.2.4 Zouten Voorbeelden NaCl: natriumchloride Al2(CO3)3: dialuminiumtricarbonaat Pb(NO3)4: loodtetranitraat Li2S: dilithiumsulfide FeSO4 : ijzer(II) sulfaat Zouten zijn verbindingen van een metaal met een zuurrest. Zouten hebben dus geen specifieke karakteristieke groep. Algemene formule Naamvorming (n) naam van het metaal (m) naam van de zuurrest MnZm Opstellen van brutoformules met behulp van oxidatiegetallen Verbinding tussen 1 2 3 4 5 6 7 OG Aantalverhouding (indices) Ba II 1 Cl I 2 Al III 2 S II 3 Mg II 3 PO4 III 2 Na I 2 CO3 II 1 Fe III 1 IO3 I 3 Zn II 1 SO4 II 1 Ag I 1 NO3 I 1 NaCl en CaCl2 zijn veelgebruikte strooizouten Brutoformule Naam BaCl2 bariumdichloride Al2S3 dialuminiumtrisulfide Mg3(PO4)2 trimagnesiumdifosfaat Na2CO3 dinatriumcarbonaat Fe(IO3)3 ijzertrijodaat ZnSO4 zinksulfaat AgNO3 zilvernitraat Antimosproducten bevatten meestal ijzersulfaat ( FeSO4) 1 Hoe worden samengestelde stoffen geordend, | 19 voorgesteld en benoemd? OWCH21W 9-32.indd 19 6/3/09 4:26:41 PM 1. HOE WORDEN SAMENGESTELDE STOFFEN GEORDEND, VOORGESTELD EN BENOEMD? Oefenen en testen 1 Vervolledig de volgende brutoformules met behulp van de juiste indices. Eventueel moet je haakjes toevoegen. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Ag2 O Al O C* O Li O Mg F Na O N# O N* O Pb* O Al2 S3 Ca Br Ca S H IO3 Li NO3 Mg Br Hg* S Na S Pb# S AlPO4 Ba ClO3 CaCO3 HNO3 H PO4 Li CO3 Li BrO3 Na CO3 Na SO4 *: maximaal oxidatiegetal #: minimaal oxidatiegetal 2 Noteer de passende brutoformules. 0 dilithiumsulfide 1 Li2S 5 tribariumdifosfaat dialuminiumtrioxide 6 calciumdibromaat 2 koolstofmono-oxide 7 dikwiksulfaat 3 dizilversulfaat 8 waterstofnitraat 4 magnesiumdihydroxide 9 triwaterstoffosfaat 3 Noteer de passende brutoformules. Maak gebruik van het OG! 0 K 1 Mg 2 Al 3 Na 1 nitraat 2 3 4 carbonaat hydroxide chloraat 5 fosfaat 6 oxide KNO3 K2CO3 K3PO4 K2O KOH KClO3 4 Noteer de brutoformule van de volgende verbindingen. Maak waar nodig gebruik van het maximaal oxidatiegetal. 0 lithium oxide 1 aluminium 2 zink 3 waterstof 4 ijzer 6 koper 7 kwik 8 aluminium 9 zilver Li2O 5 natrium hydroxide van 20 | 1 Hoe worden samengestelde stoffen geordend, voorgesteld en benoemd? OWCH21W 9-32.indd 20 6/3/09 4:26:42 PM aluminiumtribariumdichlobromide ride A Al OG III B Br OG I waterstofnitraat dikaliumoxide calciumcarbonaat koperdifluoride ijzerdijodide trinatriumfosfaat magnesiumdihydroxide loodsulfaat 1. HOE WORDEN SAMENGESTELDE STOFFEN GEORDEND, VOORGESTELD EN BENOEMD? 5 Noteer het chemisch symbool en oxidatiegetal van de atomen en/of atoomgroepen (A en B) in volgende verbindingen. A OG B OG 6 Noteer de juiste brutoformule en de juiste systematische naam van de volgende verbindingen. Maak gebruik van het OG! A B Brutoformule AnBm Systematische naam 0 Ba Cl BaCl2 bariumdichloride 1 Al CO3 2 Mg NO3 3 Cu* OH 4 Pb* PO4 5 Li SO4 6 Fe* BrO3 *: maximaal oxidatiegetal 7 Vervolledig onderstaande tabel. Nr. A OG(A) B OG(B) Brutoformule AnBm Systematische naam 0 Ba II ClO3 I Ba(ClO3)2 bariumdichloraat 1 Li IO3 2 H SO4 3 Al BrO3 4 Na Br 5 Ag IO3 6 Pb* ClO3 7 Zn I 8 Cu# PO4 9 Cu* IO3 10 Fe# PO4 *: maximaal oxidatiegetal #: minimaal oxidatiegetal 1 Hoe worden samengestelde stoffen geordend, | 21 voorgesteld en benoemd? OWCH21W 9-32.indd 21 6/3/09 4:26:44 PM 1. HOE WORDEN SAMENGESTELDE STOFFEN GEORDEND, VOORGESTELD EN BENOEMD? 1.3 Organische stofklassen 1.3.1 Waarom zijn er miljoenen organische stoffen? Ondanks het geringe aantal verschillende atoomsoorten die voorkomen in organische verbindingen bestaan er miljoenen organische stoffen. Deze enorme verscheidenheid aan mogelijke koolstofverbindingen is toe te schrijven aan drie factoren. • Het vermogen om ketens te vormen tussen C-atomen onderling. Deze ketens kunnen open of gesloten (ringstructuren) zijn, vertakt of niet vertakt. H H C H H C H H C H H H C H H C H H H H C C C C H H H C H C C (pentaan) C C H HH H H (dimethylpropaan) H H H H HH H H C H C H H H (cyclohexaan) • Het voorkomen van enkelvoudige, dubbele of drievoudige bindingen tussen de C-atomen onderling. Zowel C C, C C, als C⬅C kunnen voorkomen. H H H C H C C H H C H H C H C C H H H (1-buteen) C H H (2-butyn) • de verschillende bindingsmogelijkheden tussen het C-atoom en heteroatomen als O, N, S, P, F, Cl, Br, I... (bv. C O H, C O C, C O ... ). Elke verschillende bindingswijze geeft aanleiding tot de vorming van een andere verbindingsklassen (stofklassen). H H H C C H H H O (ethanol, alcohol) H H C H H H O C H (methoxymethaan) H H C O C H H (ethanal) 22 | 1 Hoe worden samengestelde stoffen geordend, voorgesteld en benoemd? OWCH21W 9-32.indd 22 6/3/09 4:26:44 PM 1. HOE WORDEN SAMENGESTELDE STOFFEN GEORDEND, VOORGESTELD EN BENOEMD? Voorbeelden Brutoformule Naam en structuurformule C5H12 n-pentaan H H C H H C H H C H C H H H C H H methylbutaan H H H C H H C H C H C H HH H C6H12 H C cyclohexaan H H H H C C C H H H C C H H C H H H 1-hexeen H H C H H C H H C H H H C C H C H H 2-hexeen H H H C H C H H C H C H C C H C2H6O H H methoxymethaan H C H H O H C H H ethanol H H H C C H H O H 1 Hoe worden samengestelde stoffen geordend, | 23 voorgesteld en benoemd? OWCH21W 9-32.indd 23 6/3/09 4:26:46 PM 1. HOE WORDEN SAMENGESTELDE STOFFEN GEORDEND, VOORGESTELD EN BENOEMD? 1.3.2 Alkanen De eenvoudigste organische verbindingen zijn de koolwaterstoffen (KWS). De moleculen van deze verbindingen bevatten alleen C- en H-atomen. Een belangrijke deelgroep van de koolwaterstoffen zijn de alkanen. We beperken ons tot de niet-vertakte alkanen. Bij de alkanen: • is elk C-atoom omringd door vier bindingspartners. • komen alleen enkelvoudige C-C-bindingen voor. Om deze reden noemt men de alkanen verzadigde koolwaterstoffen. Aantal Brutoformule C-atomen 1 Structuurformule CH4 H H C Eenvoudige structuurformule Naam CH4 methaan CH3 CH3 ethaan CH3 CH2 CH3 propaan CH3 CH2 CH2 CH3 butaan H H 2 C2H6 H H C H H 3 C3H8 H 4 C4H10 H H H H C C C H H H H H H H C C C C H H H H H H 5 C5H12 CH3 (CH2)3 CH3 pentaan 6 C6H14 CH3 (CH2)4 CH3 hexaan 7 C7H16 CH3 (CH2)5 CH3 heptaan 8 C8H18 CH3 (CH2)6 CH3 octaan 9 C9H20 CH3 (CH2)7 CH3 nonaan 10 C10H22 CH3 (CH2)8 CH3 decaan 24 | 1 Hoe worden samengestelde stoffen geordend, voorgesteld en benoemd? OWCH21W 9-32.indd 24 6/3/09 4:27:10 PM 1. HOE WORDEN SAMENGESTELDE STOFFEN GEORDEND, VOORGESTELD EN BENOEMD? Aardolie, benzine en dieselolie : allemaal mengsels van alkanen Algemene brutoformule Naamvorming CnH2n2 Grieks telwoord (vanaf vijf koolstoffen) AAN Alkanen bevatten geen functionele groep. Oefenen en testen 1 Noteer de vereenvoudigde structuurformules. 0 propaan 1 2 CH3CH2CH3 3 ethaan methaan 4 pentaan heptaan 5 hexaan 1 Hoe worden samengestelde stoffen geordend, | 25 voorgesteld en benoemd? OWCH21W 9-32.indd 25 6/3/09 4:27:11 PM 1. HOE WORDEN SAMENGESTELDE STOFFEN GEORDEND, VOORGESTELD EN BENOEMD? SAMENVATTING Doel Je leerde de indeling kennen van de samengestelde stoffen in: • anorganische stoffen met als stofklassen – oxiden – hydroxiden – zuren – zouten • organische stoffen (koolstofverbindingen) met een belangrijke stofklasse – alkanen Het belangrijkste onthouden! Anorganische stoffen Organische stoffen • Komen voor in levenloze materie (gesteenten, mineralen, zee en atmosfeer) en kunnen ook synthetisch worden bereid • Komen vooral voor in levende materie, kunnen ook synthetisch worden bereid. • Zijn zowel ionverbindingen, covalente verbindingen als metaalverbindingen. • Zijn hoofdzakelijk covalente verbindingen • Hebben relatief kleine moleculen waarin atomen van bijna alle elementen kunnen voorkomen. • Vormen kleine tot grote moleculen, opgebouwd uit atomen van een beperkt aantal elementen : C, H en de heteroatomen O, S, N, P, halogenen (F, Cl, Br, I) • Worden onderverdeeld in meerdere stofklassen, o.a. oxiden, hydroxiden, zuren en zouten. • De miljoenen koolstofverbindingen worden onderverdeeld in meerdere stofklassen, o.a. alkanen. 26 | 1 Hoe worden samengestelde stoffen geordend, voorgesteld en benoemd? OWCH21W 9-32.indd 26 6/3/09 4:27:49 PM 1. HOE WORDEN SAMENGESTELDE STOFFEN GEORDEND, VOORGESTELD EN BENOEMD? Stofklassen van de anorganische stoffen Naam stofklasse algemene Naamgeving formule Voorbeeld AnBm (n) ⴙ Naam van A ⴙ (m) naam van B Metaaloxide MnOm (n) metaal (m) oxide Al2O3 dialuminiumtrioxide Nietmetaaloxide (nM)nOm (n) niet-metaal (m) oxide N2O5 distikstofpentaoxide Hydroxide M(OH)m metaal (m) hydroxide Pb(OH)4 loodtetrahydroxide Zuren HnZ (n) waterstof (m) zuurrest Binaire zuren HnMm(n) (n) waterstof (m) niet-metaalIDE H2S Ternaire zuren Hn(nMO)m (n) waterstof (m) niet-metaalAAT diwaterstofsulfide H3PO4 triwaterstoffosfaat Zouten MZ (n) metaal (m) zuurrest CaBr2 calciumdibromide Na2CO3 dinatriumcarbonaat Stofklasse van de organische stoffen Naam stofklasse algemene brutoformule naamvorming voorbeeld Alkanen CnH2n2 Griekse telwoord – AAN C5H12 pentaan Belangrijke begrippen alkanen anorganische stoffen / minerale stoffen binaire verbinding hydroxiden karakteristieke of functionele groep koolstofverbindingen / organische stoffen koolwaterstoffen (KWS) oxidatiegetal (positief OG / negatief OG) oxiden (metaaloxiden / niet-metaaloxiden) stofklassen ternaire verbinding zouten zuren (binaire / ternaire) zuurrest 1 Hoe worden samengestelde stoffen geordend, | 27 voorgesteld en benoemd? OWCH21W 9-32.indd 27 6/3/09 4:27:58 PM 1. HOE WORDEN SAMENGESTELDE STOFFEN GEORDEND, VOORGESTELD EN BENOEMD? Leesstukje 1 Veilig en doelgericht stockeren van stoffen We leven in een wereld van stoffen 1 4 2 3 5 6 We halen grondstoffen uit de natuur, die in allerlei chemische processen in laboratoria en fabrieken kunnen omgezet worden in nieuwe stoffen. Stoffen worden vervoerd langs de weg, over water of in de lucht. Ze worden opgeslagen in grote industriële opslagtanks, in allerlei kleinere vervoerbare verpakkingen en soms uiteindelijk in handige gebruiksvriendelijke en veilige behouders, doosjes of flesjes. Op elk verwerkingsniveau worden stoffen geordend en volgens een bepaald systeem gestockeerd. Veiligheid speelt hierbij een zeer belangrijke rol. Een goede etikettering informeert bondig over risico’s en gebruik van de stoffen. Gassen worden anders opgeslagen dan vloeistoffen en vaste stoffen. Stoffen die met elkaar chemisch hevig kunnen reageren worden zo ver mogelijk van elkaar gescheiden, zonodig in aparte opslagruimten. Vele stoffen moeten door hun verpakking afgeschermd worden van de buitenlucht, om contact met luchtzuurstof of met andere stoffen in de omgeving te vermijden. Naast veiligheid worden nog andere normen gebruikt om stoffen op een overzichtelijke wijze te bewaren. In een supermarkt bijvoorbeeld vind je een allegaartje van producten: veiligheid, toepassingsgebied, reclame, en niet te vergeten, de gebruiksvriendelijkheid van de rangschikking, staan er centraal. Voedingswaren worden er gescheiden van drogisterijproducten zoals verven, ontvlekkers, lijmen, verzorgingsproducten en van wasproducten, meststoffen en sproeimiddelen voor de tuin. Vleeswaren, vis en verse zuivelproducten vergen bijzondere hygiënische zorg zoals een lage bewaartemperatuur uit voorzorg tegen voedselbederf. 28 | 1 Hoe worden samengestelde stoffen geordend, voorgesteld en benoemd? OWCH21W 9-32.indd 28 6/3/09 4:28:06 PM 1. HOE WORDEN SAMENGESTELDE STOFFEN GEORDEND, VOORGESTELD EN BENOEMD? Een blik in de apotheek Ook een apotheker beheert dagelijks een duizendtal producten. Nochtans, als men een voorschrift voor geneesmiddelen afgeeft dan valt het op dat de apotheker van dienst onmiddellijk het voorgeschreven geneesmiddel vindt tussen de honderden geneesmiddelen die zich in de kasten bevinden. Dit wijst er op dat geneesmiddelen niet zomaar kris kras door elkaar bewaard worden maar dat daarbij bepaalde regels gehanteerd worden die tot een goede en overzichtelijke ordening van de overvloed aan genees- en verzorgingsmiddelen leiden. Eerst en vooral zijn er wettelijke verplichtingen: bepaalde geneesmiddelen moeten achter slot in een gifkast worden bewaard en andere niet. Er bestaan ook giflijsten. Deze bevatten de namen van bepaalde grondstoffen voor farmaceutische bereidingen die zeer voorzichtig moeten gebruikt kunnen worden om bepaalde zalven, poeders en crèmes op voorschrift van een geneesheer te bereiden. Niet alle producten horen echter thuis in een gifkast. Die zal men bijvoorbeeld indelen in: - vloeibare producten die via de mond moeten ingenomen worden ( bv. siropen) - vloeibare producten die via een injectienaald in het lichaam moeten gebracht worden - neus- en oordruppels - vaste producten zoals tabletten - zalven en oliën die via de huid in het lichaam dringen - veterinaire producten voor huisdieren of voor veeteelt Verdovende en stimulerende middelen moeten altijd gescheiden blijven van de overige geneesmiddelen. Vele producten kunnen gewoon bewaard worden bij kamertemperatuur maar sommige vereisen toch een specifiek temperatuursgebied voor bewaring bv. tussen 2 °C en 8 °C in een ijskast of zelfs bij heel lage temperatuur in een diepvries. Binnen de wettelijke normen en de specifieke bewaarinstructies vanwege de geneesmiddelenproducenten kan elke apotheker een overzichtelijk en gebruiksvriendelijk stockeersyteem uitwerken volgens zijn eigen inzichten. Sommigen verkiezen een alfabetische rangschikking op basis van de handelsnamen. Anderen ordenen eerder volgens de aard van de actieve bestanddelen in de geneesmiddelen of volgens de wijze van toediening aan patiënten. Vroeger waren de apothekers ook verantwoordelijk voor de grondstoffen die ze gebruikten bij de bereiding van zalfjes, crèmes, siropen, ... Er bestond een dienst die geregeld bij de apotheker langskwam om de zuiverheid en de kwaliteit van de gebruikte stoffen te controleren. De identificatiereacties en zuiverheidscontroles gebeurden meestal door kleurtests, smeltpuntbepalingen en door reacties waarbij gassen met een specifieke geur vrijkwamen. Tegenwoordig zijn de farmaceutische firma’s zelf verantwoordelijk voor de inhoud, de zuiverheid en de kwaliteit van de geleverde producten. De apothekers voeren bijna geen chemische reacties meer uit. Bij de bereiding van zalven en crèmes vertrekt men meestal van vetten en water. Na het toevoegen van een emulgator wordt het geheel apgewarmd tot ongeveer 60°C en vervolgens verwerkt tot een zalf of crème. Vele geneesmiddelen in tabletvorm hebben een specifieke kleur of vorm. Hiervoor zijn verschillende redenen. Eerst en vooral psychologische: slaaptabletten bijvoorbeeld hebben meestal een blauwe of witte kleur maar nooit rood. Op heel wat tabletten staan ook figuurtjes, letters of soms cijfers. De reden hiervan is dat men de tabletten toxicologisch moet herkennen. Door de figuurtjes op de tabletten weet men tot welke grote groep van geneesmiddelen ze behoren. Zo kan men de tabletten identificeren zonder te beschikken over de bijsluiter of het doosje. In noodgevallen kan een vlugge identificatie zeer belangrijk zijn! 1 Hoe worden samengestelde stoffen geordend, | 29 voorgesteld en benoemd? OWCH21W 9-32.indd 29 6/3/09 4:36:23 PM 1. HOE WORDEN SAMENGESTELDE STOFFEN GEORDEND, VOORGESTELD EN BENOEMD? Bij het gebruik van azijnzuur, fosforzuur, natriumhydroxide en bepaalde hormonale preparaten gebruikt men handschoenen omdat deze stoffen de huid kunnen aantasten. De indeling van de geneesmiddelen bij een apotheker heeft tot doel het vlug vinden van deze geneesmiddelen om de patiënt vlugger te kunnen bedienen: zo zal de apotheker bijvoorbeeld een indeling maken op basis van giftig of niet-giftig: hij baseert zich vooral op veiligheid, toepassing en gebruik. Een chemicus bekijkt de stoffen met een andere bril Chemici zijn er op uit om gelijkenissen of verschillen te vinden in structuur en eigenschappen van de moleculen waaruit de stoffen zijn opgebouwd. Zo wordt in de chemie nog altijd de ruwe opdeling gedaan in anorganische (of minerale stoffen) en organische stoffen (of koolstofverbindingen). Op basis van hun chemische samenstelling hebben chemici de gewoonte om de stoffen onder te verdelen in – Anorganische stoffen of minerale stoffen: de moleculen zijn opgebouwd uit atomen van allerlei elementen uit het P.S.E. – Organische stoffen of koolstofverbindingen: de moleculen zijn opgebouwd uit atomen van slechts een beperkt aantal elementen, altijd C en bijna steeds H en verder vaak O, soms nog N, S, F, Cl, Br … Deze beide groepen kunnen volgens hun structuur en eigenschappen verder onderverdeeld worden in stofklassen, bv. zuren, hydroxiden, zouten, oxiden, koolwaterstoffen, alcoholen, vetten, suikers, eiwitten, … Een chemicus is dus meer geïnteresseerd in de chemische samenstelling van de zuivere stoffen en minder in de toepassingen ervan. Een bepaalde stof kan inderdaad heel veel toepassingen kennen. Denk maar aan de duizenden stoffen die uit aardolie kunnen verkregen worden: brandstoffen, farmaceutica, meststoffen, kleurstoffen ... Alcoholen worden, weliswaar in aangepaste verpakking, zowel verkocht als brandstof, oplosmiddel, voedingsmiddel en ontsmettingsmiddel en toch bevatten deze, chemisch gezien, allemaal éénzelfde atomengroep ( C O H) waardoor een alcohol zich onderscheidt van andere stoffen. De chemici hebben daarom steeds gezocht naar een rationele klassering van de zuivere stoffen, zoals biologen zoeken naar een indeling van het planten- en dierenrijk, en geologen naar een classificatie voor gesteenten en mineralen. Kijk ook, onder begeleiding van je leerkracht, eens rond in het chemicaliënmagazijn van het schoollabo. De chemicaliën zijn er geordend volgens de chemische stofklassen. Sommige zitten wellicht ook in een afgesloten gifkast. Organische stoffen worden gescheiden van de anorganische. Zuren en basen staan niet willekeurig door elkaar. Brandbare solventen worden bewaard in een geventileerde kast, in flessen op een opvangbodem of in een zandbak. Gassen worden bewaard in metalen gascilinders, voorzien van veiligheidsventielen. Sommige metalen, zoals lithium, natrium, kalium en calcium worden bewaard onder petroleum omdat ze 30 | 1 Hoe worden samengestelde stoffen geordend, voorgesteld en benoemd? OWCH21W 9-32.indd 30 6/3/09 4:44:13 PM 1. HOE WORDEN SAMENGESTELDE STOFFEN GEORDEND, VOORGESTELD EN BENOEMD? hevig kunnen reageren met zuurstof, stikstof en water uit de omgevingslucht. Er zijn zelfs stoffen, zoals fosfor, die absoluut niet in contact mogen komen met de lucht omwille van het gevaar van spontane ontbranding. In het schoollabo zijn de criteria om chemicaliën te stockeren vooral gericht op veiligheid en herkenbaarheid van de chemische stofklassen en/of de chemische elementen. Soms zal de leerkracht stoffensets samenstellen in functie van hun gebruik bij een bepaald experiment. Regelmatig moet gecontroleerd worden of alle verpakkingen en flessen nog voldoende veilig zijn. Chemicaliën die, door reactie met de omgevingslucht, deels zijn omgezet in andere stoffen, moeten best verwijderd worden. Dankzij het eeuwenlange speurwerk van chemici en allerlei ambachtslieden is langzaam een universele en rationele classificatie van stoffen ontstaan uit de chaos van stoffen en producten die in het alledaagse leven en in de ambachtelijke wereld gebruikt worden. Het is wel spijtig dat deze universele chemische naamgeving voor stoffen en stofklassen, nog niet algemeen bruikbaar is in de omgangstaal. Denk maar aan woorden zoals ‘vitriool’ en ‘loog’ waarvan het soms moeilijk te achterhalen is wat er juist mee bedoeld wordt. Ten onrechte worden soms aan stoffen die in de natuur voorkomen andere eigenschappen toegekend dan diezelfde stoffen die door synthese in een laboratorium worden bereid. Dit is niet juist want zij zijn opgebouwd uit precies dezelfde moleculen. Deze stoffen vertonen dan uiteraard ook dezelfde chemische en fysische eigenschappen. Het is wel mogelijk dat de stoffen die men uit de natuur haalt in feite nog stoffenmengsels zijn en dus minder zuiver zijn dan de synthetische laboratoriumstoffen. Hierdoor vertonen zij andere, al of niet gunstige, eigenschappen die bijvoorbeeld tot uiting kunnen komen in hun geneeskundige toepassing. Denk hier eens over na of zoek het eens op 1. Ook bij jou thuis zijn heel wat chemische producten te vinden! Speur ze op en onderzoek eens hoe ze bewaard worden. Zijn ze voldoende veilig opgeslagen? Zijn ze voorzien van duidelijke en begrijpbare etiketten? 2. Zoek eens op wat de betekenis is van gevaarcodes en waarschuwingen die je aantreft op tankwagens en grote wegtransporten. 3. Bekijk eens, samen met je leerkracht , de ordening van chemicaliën in het schoollaboratorium. 4. Vraag eens in de apotheek of drogisterij in jouw buurt hoe men er de stoffen ordent en bewaart. 1 Hoe worden samengestelde stoffen geordend, | 31 voorgesteld en benoemd? OWCH21W 9-32.indd 31 6/3/09 4:52:56 PM OWCH21W 9-32.indd 32 6/3/09 5:01:48 PM 2. EEN CHEMISCHE KIJK OP ANORGANISCHE STOFFEN Een chemische kijk op anorganische stoffen Hoofdstuk 2 33 OWCH21W 33-50.indd 33 6/3/09 5:46:23 PM 2. EEN CHEMISCHE KIJK OP ANORGANISCHE STOFFEN 2 Een chemische kijk op anorganische stoffen Bekijk en bedenk 3 Rennie 2 Gips 1 Vuurwerk 5 Roest 4 Kwartskristallen 7 Aantasting van beelden 6 pH-meter 8 Gekleurd glas Welke processen herken je in bovenstaande situaties? Welke stoffen zijn hierbij betrokken? Uit welke stofklasse? Leer de chemie 2.1 Samenhang tussen stofklassen Bij chemische reacties worden stoffen omgezet in andere stoffen. Een stof uit een bepaalde stofklasse wordt omgezet in een stof uit een andere stofklasse. Dit wordt voorgesteld in onderstaand schema. Voor de eenvoud zijn de indices niet vermeld. 5 M 5 MZ nM 1 3 6 MO 6 MZ (nM )O 2 4 M OH Reeks A 7 MZ 7 HZ Reeks B 34 | 2 Een chemische kijk op anorganische stoffen OWCH21W 33-50.indd 34 6/3/09 5:46:45 PM • Tussen de stoffen uit beide reeksen (A en B) reageren tegenoverliggende stoffen tot een zout (overgang 5, 6, 7). Zouten (MZ) kunnen dus op vele verschillende wijzen gevormd worden. 2. EEN CHEMISCHE KIJK OP ANORGANISCHE STOFFEN • Binnen een reeks (A of B) kan een stof uit elke stofklasse omgezet worden in een stof uit elke andere stofklasse. Dit zie je in reeksen A en B. In reeks A kan een metaaloxide MO omgezet worden in een metaal M, in een metaalhydroxide MOH en in een zout MZ. In reeks B kan een zuur HZ omgezet worden in een zout MZ, in een niet-metaaloxide (nM)O en (voor binaire zuren) in een niet-metaal (nM). Opmerking: welke omzettingen in de praktijk ook effectief goed verlopen, hangt af van vele factoren, bv. temperatuur en verdelingsgraad van de stoffen. In dit hoofdstuk wordt niet gestreefd naar volledigheid en evenmin naar een volledige verklaring van de weergegeven chemische reacties; er worden alleen representatieve voorbeelden gegeven. 2.2 Omzettingen tussen stofklassen Hier worden de omzettingen uitgewerkt zoals ze vermeld staan in bovenstaand schema. Om de correcte brutoformule van een stof te schrijven, maak je gebruik van het OG. 2.2.1 Verbranding van metalen M ( O2) → MO 2 Mg O2 → 2 MgO (zie foto) 4 Al 3 O2 → 2 Al2O3 2 Fe O2 → 2 FeO Brandend magnesium Brandend ijzer Door verbranding van metalen verkrijg je metaaloxiden. Dergelijke reacties, waarbij metalen reageren met dizuurstof uit de lucht, zijn doorgaans niet gewenst. Met allerlei middelen (galvaniseren, roestvrije legeringen) tracht men de aantasting van metalen zo veel mogelijk tegen te werken. 2.2.2 Bereiding van hydroxiden MO ( H2O) → MOH + CaO H2O → Ca(OH)2 (blussen van kalk) Na2O H2O → 2 NaOH CaO(v) Oxiden van sterke metalen (groep Ia en IIa in het P.S.E.) reageren met water en vormen hydroxiden (basen). Deze oxiden worden dan ook basevormende oxiden genoemd. (wit poeder) H2O Ca (OH)2 (gebluste kalk) (witte pasta) 2 Een chemische kijk op anorganische stoffen | 35 OWCH21W 33-50.indd 35 6/3/09 5:49:08 PM prop watten (enkele druppels NaOH opl) 2. EEN CHEMISCHE KIJK OP ANORGANISCHE STOFFEN 2.2.3 Bereiding van niet-metaaloxiden nM ( O2) → nMO C O2 → CO2 (verbranding van houtskool) S8 8 O2 → 8 SO2 (zie afbeelding) TREKKAST brandende zwavel N2 is erg stabiel (|N⬅N|). Denk hierbij aan distikstof als belangrijkste component in de lucht. Slechts bij zeer hoge temperaturen (bv. in een ontploffingsmotor of bij bliksem) reageert het met dizuurstof tot NO en verder tot NO2. 2.2.4 Bereiding van ternaire zuren (nM)O ( H2O) → HZ SO3 H2O → H2SO4 P2O5 3 H2O → 2 H3PO4 (zie afbeelding) Vele niet-metaaloxiden reageren met water en vormen een ternair zuur. Deze oxiden noem je zuurvormende oxiden. Voorbeelden zijn CO2, SO2, SO3, N2O5 en P2O5. Enkele van deze niet-metaaloxiden + P2O5 (v) (SO2, CO2, N2O5 …) zijn oorzaak van de voor het milieu schadelijke zure regen. H2O H3PO4 +1 druppel base (opl.) + FF - indicator 2.2.5 Bereiding van zouten uit de enkelvoudige stoffen M (nM)→ MZ 2 Na Cl2 → 2 NaCl 8 Fe S8 → 8 FeS Zn I2 → ZnI2 witte rook (NaCl) Na (v) Bij de reactie van een metaal met een niet-metaal ontstaat een binair zout. Cl 2 (g) 2.2.6 Bereiding van zouten uit de oxiden MO ((nM)O) → MZ CaO CO2 → CaCO3 Omdat meerdere metaaloxiden en niet-metaaloxiden reageren met water tot respectievelijk een hydroxide en een ternair zuur, zal een neutralisatiereactie tussen een zuur en een hydroxide echter vaker voorkomen in oplossing. 36 | 2 Een chemische kijk op anorganische stoffen OWCH21W 33-50.indd 36 6/3/09 5:49:32 PM 2.2.7 Bereiding van een zout uit een hydroxide en een zuur Zuren en basen neutraliseren elkaar en vormen water en een zout. Deze neutralisatiereactie is de belangrijkste chemische eigenschap van de hydroxiden en de zuren. H3PO4 3 NaOH → Na3PO4 3 H2O H2SO4 2 NaOH → Na2SO4 2 H2O Opmerking: Er zijn, onder bepaalde omstandigheden, nog andere omzettingen mogelijk dan die vermeld in het bovenstaande schema op p 34. 2. EEN CHEMISCHE KIJK OP ANORGANISCHE STOFFEN MOH HZ → MZ H2O H2 Enkele voorbeelden: + • de reactie van een metaal met een zuur bv. Mg 2 HCl → MgCl2 H2 Een sterk metaal reageert met een zuur en vormt een zout en diwaterstof. HCI (opl.) Mg hevige gasontwikkeling • de ontleding van een zout bv. – elektrolyse van ZnI2 Zn ( v ) ZnI2 E (elektrisch) Zn I2 Dit is de omgekeerde reactie van 2.2.5 (omzetting 5 in het schema). – thermolyse van CaCO3 CaCO3 T↑ CaO + CO2 CaCO3 Ca(OH)2 +H2O T↑ CaO + CO2 +H2O + I2 Zn Ι2 (opl.) H2CO3 Intermezzo: aantonen van een zuur of een hydroxide Hoe kun je nu weten of er in water zuren of hydroxiden aanwezig zijn? Dat is niet zo eenvoudig! Het opsporen van zuren of hydroxiden in een waterige oplossing kan gebeuren door middel van: Kalksteen CaCO3 Calciumcarbonaat + CO2 - H2O Ca(OH)2 Calciumhydroxide • de smaak (bv. een zure smaak); Δ Ti + H2O CaO Calciumoxide • de tast (bv. een hydroxideoplossing voelt zeepachtig en zacht aan); • de pH-waarde, meestal variërend tussen 0 en 14. Vanzelfsprekend moet je hierbij met de grootste omzichtigheid te werk gaan. Proeven van onbekende chemicaliën doe je sowieso nooit en ook het huidcontact met dergelijke oplossingen kan erg gevaarlijk zijn. De pH-waarde meet je met een elektrische of digitale pH-meter of met behulp van indicatoren. Indicatoren zijn meestal organische kleurstoffen met een vrij complexe molecuulstructuur. Ze kunnen, naargelang de zuurgraad, twee of meer verschillende kleuren aannemen. Een kleuromslag treedt op 2 Een chemische kijk op anorganische stoffen | 37 OWCH21W 33-50.indd 37 6/3/09 5:49:36 PM 2. EEN CHEMISCHE KIJK OP ANORGANISCHE STOFFEN bij een bepaalde zuurgraad. Deze stoffen indiceren door hun typische kleur het zure of basische karakter van een waterige oplossing. (Zie p 38) In de praktijk gebruik je meestal indicatoren in oplossing of geabsorbeerd op papierstrookjes. Overzicht: zuur neutraal basisch <7 7 >7 zure kleur neutrale kleur basische kleur pH-waarde indicator lakmoes LM rood methyloranje MO rood geel geel fenolftaleïne FF kleurloos kleurloos paars thymolblauw TB rood geel blauw universele indicator UI rood blauw oranje geel groen blauw Opmerking: een universele indicator is een mengsel van verschillende indicatoren. Labo 1 Reactie van zink met dijood Opstelling Benodigdheden – dijood | – zinkpoeder – alcohol (ethanol) Werkwijze Doe in een reageerbuis een snuifje dijood en een iets grotere hoeveelheid zinkpoeder. Plaats de reageerbuis in het rek. Giet 3 tot 4 ml alcohol in een andere reageerbuis. Pipetteer voorzichtig enkele druppels alcohol bij het zink-dijoodmengsel. Wot neem je waar? Wanneer er niets meer verandert, voeg je nog enkele druppels alcohol toe. Blijf toevoegen tot alle dijood verdwenen is. Voeg daarna de rest van de alcohol toe. Stop de reageerbuis af en schud krachtig (houd de stop vast). De alcoholische oplossing moet praktisch kleurloos zijn en er blijft een weinig zink over! Noteer de reactievergelijkingen van de optredende reacties. Benoem alle deelnemende stoffen en stofklassen. 38 | 2 Een chemische kijk op anorganische stoffen OWCH21W 33-50.indd 38 6/3/09 5:49:40 PM 2 Verhitten van koper en verdere reactie met zwavelzuur Opstelling 2. EEN CHEMISCHE KIJK OP ANORGANISCHE STOFFEN Benodigdheden – koperpoeder – verdunde zwavelzuuroplossing 1 Werkwijze Verwarm in een pyrexreageerbuis een weinig koperpoeder met een krachtige vlam. Wat neem je waar? Breng een kleine hoeveelheid van de gevormde stof in een tweede reageerbuis. Voeg daaraan enkele ml verdunde zwavelzuuroplossing toe. Stop de reageerbuis af en schud krachtig. Ontstop de reageerbuis en verwarm het mengsel kortstondig met een matige vlam. Noteer de kleurverandering in de oplossing: Noteer de reactievergelijkingen van de optredende reacties. Benoem alle deelnemende stoffen en stofklassen. 3 Reacties van calcium en calciumverbindingen Opstelling Benodigdheden – calcium (enkele korrels) R15; S8, 24/25, 43 – fenolftaleïneoplossing – marmer of calciumcarbonaatpoeder – klein lepeltje – rietje 2 Een chemische kijk op anorganische stoffen | 39 OWCH21W 33-50.indd 39 6/3/09 5:49:42 PM 2. EEN CHEMISCHE KIJK OP ANORGANISCHE STOFFEN Werkwijze Vul een reageerbuis met voor 1/3 met water en plaats die in een reageerbuisrek. Voeg met een klein lepeltje enkele calciumkorrels toe. In geen geval mag je de calciumkorrels en het verkregen reactiemengsel met je huid in aanraking laten komen! Wat neem je waar? Filtreer het reactiemengsel en verdeel het filtraat over drie reageerbuizen. Voer vervolgens volgende reacties uit: Basische reactie van Ca(OH)2: Aan enkele druppels (max. 1 ml) van het filtraat voeg je een paar druppels fenolftaleïneoplossing toe. Waarneming: Bereiding van CaCO3 en Ca(HCO3)2: Blaas (veiligheidsbril!) met een lang rietje of pipet voorzichtig in het tweede deel van het filtraat. Waarneming: CO2 vormt met Ca(OH)2 het onoplos-brare CaCO3. Blijft door blasen. Waarneming: Verder blazen (toevoegen van CO2) zorgt voor vorming van het onlosbare Ca(HCO3)2: de oplossing wordt helderder. Op deze reactie steunt de verwering van kalkrotsen (mergel, krijt, marmer) en de vorming van grotten. Bereiding van CaCl2: Druppel enkele ml van een verdunde waterstofchlorideoplossing bij een ander deel van het filtraat waaraan enkele druppels fenolftaleïneoplossing zijn toegevoegd. Waarneming: Noteer de reactievergelijkingen van de optredende reacties. Benoem alle deelnemende stoffen en stofklassen. 4 Reactie van CaCO3 met een zuur Opstelling Benodigdheden – verdunde waterstofchlorideoplossing (c 0,1 mol/l) – marmer, krijt of calciumcarbonaatpoeder – calciumdihydroxideoplossing ( kalkwater) – wiek of houtspaander 40 | 2 Een chemische kijk op anorganische stoffen OWCH21W 33-50.indd 40 6/3/09 5:49:43 PM 2. EEN CHEMISCHE KIJK OP ANORGANISCHE STOFFEN Breng in een erlenmeyer een kleine hoeveelheid marmer, krijt of calciumcarbonaatpoeder. Voeg hieraan enkele ml van een verdunde waterstofchlorideoplossing toe. Waarneming: Breng een brandende wiek in de erlenmeyer. Waarneming: Verbind de erlenmeyer (zie opstelling) met een recipiënt dat kalkwater bevat. Waarneming: Noteer de reactievergelijkingen van de optredende reacties. Benoem alle deelnemende stoffen en stofklassen. Alle omzettingen vind je terug in het volgende schema: CaO (v) Ca (v) Ca(HCO3)2 (opl.) CaCO3 2HCl Ca(OH)2 (v en opl.) CaCl2 (opl.) CaCO3 (v) CaCl2 H2O CO2 5 Geheimschrift Opstelling Benodigdheden – fenolftaleïneoplossing – een basische oplossing (bv. zeer verdunde natriumhydroxideoplossing) in een kleine sproeier – glasstaaf Werkwijze Schrijf met een glasstaaf, gedrenkt in een fenolftaleïneoplossing een geheime boodschap op een blad papier. Ontcijfer die door het blad te besproeien met een basische oplossing (bv. natriumhydroxide). 2 Een chemische kijk op anorganische stoffen | 41 OWCH21W 33-50.indd 41 6/3/09 5:49:45 PM 2. EEN CHEMISCHE KIJK OP ANORGANISCHE STOFFEN Oefenen en testen 1 Zoek de fout in onderstaande zinnen. Noteer de verbetering 0 Bij de ternaire zuren is het oxidatiegetal van elk niet-metaalatoom steeds negatief. correct: het zuurstof atoom of correct: bij binaire zuren 1 Dialuminiumsulfaat is een anorganisch ternair zout. 2 In de formule van ternaire zuren en zouten komt steeds het element zuurstof en een metaal voor. 3 De formule van een fosfaat bevat naast de PO34 groep nog water of een metaal. 4 Binaire zouten zijn verbindingen van waterstof met een niet-metaal. 2 Verbeter waar nodig en schrijf de algemene reactievergelijking voor de omzettingen tussen stofklassen. 0 zuurstof gas ontsnapt bij de substitutiereacties van sommige metalen met zuuroplossingen. correct: waterstofgas 1 Sommige metaaloxiden zijn zuurvormend bij contact met water. 2 Bij de thermische ontleding van ternaire zouten ontstaan metalen en niet-metaaloxiden. 3 In waterige oplossing reageert looddinitraat met HCl tot loodchloride en een ander zuur. 4 Sommige metalen reageren met oplossingen van zouten ter vorming van o.a. waterstofgas. 5 Zouten kunnen ontstaan wanneer metalen reageren met zuren, hydroxiden of andere zouten. 6 Ongebluste kalk, CaO, ontstaat naast koolstofdioxide in de thermische ontleding van marmer, CaCO3. 42 | 2 Een chemische kijk op anorganische stoffen OWCH21W 33-50.indd 42 6/3/09 5:49:58 PM en 2 Een metaal kan worden omgezet in een zout door een reactie met een een of 3 Sterke metalen worden door zuren omgezet in een 4 Een metaaloxide kan met een 5 Een metaaloxide en een niet-metaaloxide verkrijg je door de thermische ontleding van een 6 Waterstofgas ontsnapt bij de reactie van sommige metalen met 7 Een zout ontstaat door de synthese van een met een 2. EEN CHEMISCHE KIJK OP ANORGANISCHE STOFFEN 3 Vervolledig de volgende zinnen. Illustreer dit ook met een reactievergelijking. 1 Een hydroxide reageert met een zuur tot een en reageren tot een met een en water. of een of van een 2 Een chemische kijk op anorganische stoffen | 43 OWCH21W 33-50.indd 43 6/3/09 5:49:59 PM 2. EEN CHEMISCHE KIJK OP ANORGANISCHE STOFFEN 4 Wat hoort waar thuis? Noteer de letter (A tot J) van je keuze achter het gegeven. Door een juiste selectie komt elk ant woord slechts één maal aan bod. Gegeven 0 2 Mg 1 O↑2 1 Antwoord → 2 MgO H Keuzemogelijkheden A de vorming van een hydroxide de ontleding van water B de vorming van waterstofgas en een zout 2 de thermische ontleding van calciumcarbonaat C de vorming van water en een zout 3 de fotochemische ontleding van zilverchloride D de vorming van een M en een zout 4 de reactie tussen een metaal en een niet-metaal E de vorming van een zout 5 de reactie tussen een metaal en een zout F de vorming van een MO en een nMO 6 de reactie tussen water en een niet-metaaloxide G de vorming van een M en een nM 7 de reactie tussen een metaal en een zuur H verbranding 8 de reactie tussen een metaaloxide en water I elektrolyse 9 de reactie tussen een zuur en een hydroxide J de vorming van een zuur 44 | 2 Een chemische kijk op anorganische stoffen OWCH21W 33-50.indd 44 6/3/09 5:49:59 PM SAMENVATTING Je leerde de omzettingen tussen de verschillende anorganische stofklassen: • de bereiding van metaal- en niet-metaaloxiden; • de bereiding van hydroxiden en zuren; • de bereiding van zouten. 2. EEN CHEMISCHE KIJK OP ANORGANISCHE STOFFEN Doel Het belangrijkste onthouden! M 5 MZ 5 nM 1 3 MO 6 MZ 6 (nM)O 2 4 MOH 7 MZ 7 HZ Reeks A Reeks B Bereiding van metaaloxiden M niet-metaaloxiden nM hydroxiden MO zuren nMO M MO HZ zouten → MO → nMO → MOH → HZ nM → MZ nMO → MZ MOH → Belangrijke begrippen basevormend oxide hydroxiden indicator neutralisatiereactie oxiden O2 O2 H2O H2O MZ H2O pH-waarde zouten zuren zuurgraad (zuur, neutraal, basisch milieu) zuurvormend oxide 2 Een chemische kijk op anorganische stoffen | 45 OWCH21W 33-50.indd 45 6/3/09 5:50:00 PM 2. EEN CHEMISCHE KIJK OP ANORGANISCHE STOFFEN Leesstukje 2 Op zoek naar minerale grondstoffen en edelstenen aluminium 8% ijzer 5% calcium 4% rest 8% silicium 28% zuurstof 47% Somen stelling van de aard korst Van erts tot metaal … Talrijke stoffen kunnen via chemische processen worden omgezet in allerlei materialen en voorwerpen die je dagelijks gebruikt, maar moeten eerst ontgonnen worden uit de zee, uit de lucht of uit de dunne aardkorst. De dikte van de aardkorst schommelt tussen 30 en 65 km. Onderstel dat de aarde zo groot zou zijn als je hoofd, dan zou de aardkorst slechts de dikte hebben van je huid. Sommige chemische elementen komen veel meer voor dan andere, en niet alle gesteenten die een bepaald element bevatten, zijn geschikt voor de ontginning en productie van dat element. Soms is dat gehalte zelfs zo laag dat ontginning economisch niet de moeite loont. Andere chemische elementen zijn zeer zeldzaam en komen slechts in een zeer laag gehalte in één bepaald mineraal voor. De opsporing van mineralen is hoofdzakelijk het werk van geologen, terwijl de winning van mineralen uit gesteenten en van zuivere stoffen uit mineralen het werkterrein is van de industriële chemie. De methoden om zuivere stoffen te bereiden uit mineralen worden vooraf op kleine schaal in chemische laboratoria uitgetest. 46 | 2 Een chemische kijk op anorganische stoffen OWCH21W 33-50.indd 46 6/3/09 5:53:54 PM 2. EEN CHEMISCHE KIJK OP ANORGANISCHE STOFFEN De grondstoffen voor het verkrijgen van zuivere anorganische stoffen bevinden zich vooral in de gesteenten in de aardkorst. Grondstoffen voor organische stoffen daarentegen bevinden zich in planten en dieren of in de min of meer vergane restanten ervan, zoals aardolie, aardgas, bruinkool, turf en steenkool. Gesteenten waarin zich interessante grondstoffen bevinden voor de aanmaak van anorganische stoffen, noem je ook ertsen. Ertsen zijn gesteenten waarin zich interessante mineralen bevinden, die na vrijmaking uit het erts via allerlei fysicochemische methoden omgezet kunnen worden in nuttige enkelvoudige of samengestelde stoffen. Vooral mineralen waarin zich metaalatomen bevinden, zijn interessante grondstoffen. Een rijk erts is een erts met een hoog gehalte aan een bepaald mineraal. Een rijk kopererts bevat dus een hoog gehalte aan koperhoudende mineralen. Kopermetaal bv. wordt verkregen uit de ontginning in de kopermijnen van die ertsen, die rijk zijn aan koperhoudende mineralen, zoals malachiet (Cu2(OH)2CO3 ), azuriet (Cu3(OH)CO3 )2 , chalcopyriet (CuFeS2 ) of borniet (Cu5FeS4 ). Een eerste opdracht is ertsgesteenten te vinden die voldoende mineralen bevatten met een hoog kopergehalte. Meestal bevinden zich in die ertslagen ook nog mineralen van andere metalen. De tweede opdracht bestaat uit het afzonderen van het koperhoudende mineraal uit de ertsgesteenten en vervolgens moet het kopermetaal uit de koperhoudende mineralen gehaald worden. Dat is zeker geen eenvoudige zaak! Eeuwenlang hebben volkeren zich op ambachtelijke wijze beziggehouden met de winning van metalen uit ertsen. Allerlei technieken werden daartoe getest, met vallen en opstaan. Een elementair chemisch proces dat daarbij een grote rol speelt, is de verhitting van mineralen (zouten en oxiden) in aanwezigheid van koolstof (bv. in houtskool, in restas uit kampvuren of uit haardas). Hogere verhittingstemperaturen, waardoor onder meer zouten gemakkelijker ontbinden in oxiden, werden bereikt door vernuftige systemen van blaasbalgen en gecontroleerde luchttoevoer in de ovens. In moderne chemische taal kunnen we dit vereenvoudigd als volgt voorstellen: CuCO3 → CuO → CO2 CuO ⫹ C → Cu ⫹ CO Het eerste handboek, waarin op een min of meer systematische wijze de ertsontginning beschreven werd, verscheen in 1556, met als titel ‘De Re Metallica’. Het was het levenswerk van de Saksisch-Duitse natuurkundige Georg Bauer (verlatijnst tot Georg Agricola) (1494-1555), waaraan hij ongeveer 25 jaar had gewerkt en dat gepubliceerd werd één jaar na zijn overlijden. FPO FPO 2 Een chemische kijk op anorganische stoffen | 47 OWCH21W 33-50.indd 47 6/3/09 7:05:27 PM 2. EEN CHEMISCHE KIJK OP ANORGANISCHE STOFFEN Het geschitter van goud Nadat in Californië goud was gevonden, ontstond er in 1848 een ware ‘goldrush’ (stormloop op zoek naar goud) naar deze streek. Overal werd in gebergten en in rivieren naar goudklompjes (‘nuggets’) of goudstof gezocht. In dat Eldorado dolven ze voor meer dan 200 miljoen dollar goud op. Het leven van deze tienduizenden pioniers was hard en vol ontberingen. In de meeste gevallen stond de goudvondst amper in verhouding tot de stroom euforische geruchten, zodat weinigen rijk zijn geworden. Naast het harde leven was er ook nog het niet te onderschatten gevaar van een maatschappij waarin meestal alleen de wet van de sterkste gold. Nadien zijn er nog meerdere van deze ‘goldrushes’ geweest. Telkens wanneer er een goudader werd aangetroffen, ontstond er een stormloop van avonturiers op deze streken (bv. in Australië en Zuid-Afrika en tegenwoordig nog in Centraal-Afrika). Goud is en blijft een duur metaal en de zoektocht naar goud blijft zeker nog een groot aantal mensen aanspreken. Het is dan ook spectaculair om goud zomaar in je zeef te zien blinken. En dan te weten dat voor metalen zoals ijzer of zink ingewikkelde procedures met hoogovens nodig zijn! Niet alle goud vind je evenwel zomaar in rivierslib. Goudmijnen, die tot de diepste mijnen ter wereld behoren en soms 3 à 4 km diep zijn, leveren de grootste opbrengst. Waarom vinden we wel goudklompjes, maar geen zuiver ijzer? Chemici en geologen hebben een eenvoudig antwoord op de vraag waarom je in de vrije natuur goudklompjes vindt en geen ijzerblokjes: goud, zilver en platina zijn edele metalen, maar koper, ijzer en zink niet. Maar wat betekent ‘edel’ in dit verband? Daarvoor moeten we teruggaan naar de edelgassen. Het heliumatoom bv. bezit twee elektronen die de eerste elektronenschil volledig opvullen en daardoor een zeer stabiele toestand van het atoom veroorzaken. Alle andere edelgassen hebben acht elektronen op de buitenste elektronenschil. Atomen met een zogenaamde edelgasconfiguratie zijn zeer stabiel. Ze vormen praktisch nooit moleculen met andere atomen. Edele metalen hebben ook een stabiele elektronenconfiguratie, al is die wel iets ingewikkelder dan bij de edelgassen. Het gevolg daarvan is dat edele metalen moeilijk worden aangetast door andere stoffen. De meeste andere atoomsoorten hebben geen stabiele elektronenconfiguratie. Niet-edele metalen trachten een stabielere toestand te bereiken door hun valentie-elektronen af te geven aan niet-metaal atomen. Door die overdracht worden chemische bindingen gevormd. Zo krijgen ze een stabielere structuur. Daarbij komt energie vrij in de vorm van warmte of straling. We kunnen dan ook begrijpen dat er energie nodig is om die bindingen opnieuw te breken. Om de bindingen in bv. ijzererts te verbreken gebruikt men zeer hoge temperaturen in hoogovens. Op die manier wordt het ijzermetaal, d. w.z. de enkelvoudige stof ijzer, vrijgezet. 48 | 2 Een chemische kijk op anorganische stoffen OWCH21W 33-50.indd 48 6/3/09 6:19:58 PM 2. EEN CHEMISCHE KIJK OP ANORGANISCHE STOFFEN Het neusje van de zalm: diamanten en edelstenen Zuid-Afrika is niet enkel beroemd om zijn goudmijnen maar nog meer om zijn diamantontginning. Diamanten bezitten een typische kristalstructuur, waardoor ze lichtstralen sterk kunnen breken. Zuivere diamanten schitteren dan ook in het licht. Daardoor en omwille van hun zeldzaamheid zijn ze ook zeer kostbaar. Maar ook minder zeldzame stoffen kunnen mooie kristallen vormen (bv. kwarts en keukenzout). Vele stoffen vormen zelfs zodanig kleine kristalletjes dat je ze zonder technische hulpmiddelen niet eens kunt merken of aantonen. Zelfs het doodgewoon ijzermetaal is opgebouwd uit minuscule kristallen. Het Atomium in Brussel is daar een reuzegrote voorstelling van. Edelstenen hebben de mensen steeds geboeid. Reeds duizenden jaren wordt ernaar gezocht, ervoor gevochten en gestolen en zijn ze gegeerd. De meeste edelstenen zijn mineralen. Wat ze onderscheidt van andere mineralen is dat ze een mooie kleur hebben en vaak ook zeldzaam zijn. Het basismineraal waaruit ze zijn opgebouwd kan wel zeer veel voorkomen. Zo bestaan opalen voornamelijk uit siliciumdioxide, hetzelfde mineraal als in zand. Maar in een edelsteen als opaal is dit basismineraal nog vermengd met kleine hoeveelheden van andere stoffen, die er een extra mooie kleur aan geven. De meeste edelstenen zijn gevormd uit gesmolten gesteenten en dit bij extreem hoge temperaturen en onder zeer hoge druk, d.w.z. in de diepere aardlagen. Tijdens de afkoeling van het gesmolten gesteente kristalliseerden de edelstenen. Soms ontstonden kleine kristalletjes, maar soms ook zeer grote. Hoe groter, hoe kostbaarder de edelsteen. Edelstenen hebben een duidelijke kristalvorm, d.w.z. dat de atomen erin op een welbepaalde wijze gerangschikt zijn. De oppervlakken van de edelsteenkristallen reflecteren het invallende licht, waardoor de edelstenen gaan glinsteren. Geslepen kristallen werken ook als een soort prisma dat invallend wit licht doet opsplitsen in kleuren, waardoor sommige juweeledelstenen nog in waarde stijgen. Wanneer een edelsteen wordt opgegraven, is hij doorgaans ruw van vorm en oppervlak en vuil. Ervaren bewerkers van edelstenen kunnen de kleurenpracht en schittering van edelstenen verhogen door de ruwe kristallen vakkundig te snijden en te slijpen, zodat de natuurlijke kristalvormen tevoorschijn komen. De prachtige schittering in licht en de zeldzaamheid van zuivere diamanten verhogen hun waarde aanzienlijk. Denk hier eens over na of zoek het eens op: 1. : Welke soorten chemische bindingen kenmerken de stoffen waaruit edelstenen zijn opgebouwd? 2. Bepaalde edelstenen hebben dezelfde kristalvorm en toch verschillende kleurschakeringen. Hoe komt dat? 3. Kunnen mineralen ook gebruikt worden voor de productie van niet-metalen? 4. De aardkorst bevat meer aluminium dan ijzer en toch is ijzer goedkoper. Hoe leg je dat uit? 2 Een chemische kijk op anorganische stoffen | 49 OWCH21W 33-50.indd 49 6/3/09 6:34:46 PM 6. SAMENVOEGING VAN ELEKTROLYTOPLOSSINGEN MET VORMING VAN EEN NEERSLAG Samenvoeging van elektrolytoplossingen met vorming van een neerslag Hoofdstuk 6 97 OWCH21W 097-114.indd 97 6/3/09 2:25:24 PM 6 Samenvoeging van elektrolytoplossingen met vorming van een neerslag Intermezzo: Samenvoegen van elektrolytoplossingen In een elektrolytoplossing komt de opgeloste stof voor als vrij gehydrateerde ionen. Als twee elektrolytoplossingen worden samengevoegd, worden meerdere ionen bij elkaar gebracht. Voorbeelden Ba(NO3)-oplossing Na2SO4-oplossing Er wordt een wit neerslag gevormd. neerslagvorming Na2S-oplossing HCl-oplossing Er wordt een gas gevormd. gasontwikkeling HCl-oplossing NaOH-oplossing Er is geen waarneembare reactie. Bij toevoeging van een HCl-oplossing aan de door fenolftaleïne paars gekleurde NaOH-oplossing verdwijnt de kleur. neutralisatiereactie Waarom deze reactie zo genoemd wordt, leer je in hoofdstuk 8. Na2SO4-oplossing KCl-oplossing Er is geen waarneembare reactie. Elk van deze mogelijkheden wordt verder uitgewerkt in de volgende hoofdstukken. In dit hoofdstuk komt de vorming van een neerslag aan bod. 6. SAMENVOEGING VAN ELEKTROLYTOPLOSSINGEN MET VORMING VAN EEN NEERSLAG Bekijk en bedenk 1 Neerslag 2 Neerslag in een lichaamsader 3 Neerslag op een waterkraan 5 Neerslag bij kaasbereiding 6 Neerslag bij een gekookt eitje 4 Neerslag als contrastmiddel bij darmonderzoek 7 Neerslag in de oceaan 8 Neerslag in de zwart-wit fotografie 98 | 6 Samenvoeging van elektrolytoplossingen met vorming van een neerslag OWCH21W 097-114.indd 98 6/3/09 2:25:45 PM Is het begrip ‘neerslag’ een synoniem voor regen? In welke foto’s vind je een neerslag terug? In welke aggregatietoestand komt een neerslag voor? De neerslagen in de foto’s zijn niet altijd ontstaan vanuit elektrolytoplossingen in water. Hoe een neerslag wordt gevormd door samenvoeging van elektrolytoplossingen, vind je hieronder. Leer de chemie 6.1 Vorming van een neerslag bij het samenvoegen van elektrolytoplossingen 6.1.1 Voorbeeld Reeks 1 Na2SO4-oplossing H2SO4-oplossing Al2(SO4)3-oplossing BaCl2 wit neerslag wit neerslag wit neerslag Ba(NO3)2 wit neerslag wit neerslag wit neerslag BaBr2 wit neerslag wit neerslag wit neerslag Reeks 2 6. SAMENVOEGING VAN ELEKTROLYTOPLOSSINGEN MET VORMING VAN EEN NEERSLAG Voeg telkens twee van de onderstaande reeksen elektrolytoplossingen samen. Wat neem je waar? Je stelt vast dat er telkens een witte neerslag ontstaat. Hoe kun je dat verklaren? De vorming van een neerslag is het gevolg van een combinatie tussen positieve en negatieve ionen in waterig midden. Om deze nieuwe combinatie bij het samenvoegen van twee elektrolytoplossingen te achterhalen schrijf je altijd de splitsingsreactie (ionisatie of dissociatie) van de betrokken elektrolyten. Bv. voor het eerste elektrolyt van elke reeks: Na2SO4→ 2 Na1 SO24 BaCl2 → Ba2 2 Cl1- 6 Samenvoeging van elektrolytoplossingen met vorming | 99 van een neerslag OWCH21W 097-114.indd 99 6/3/09 2:26:33 PM Voor een aantal van de bovenstaande experimenten werden de volgende ionen samengevoegd: Na2SO4 BaCl2 → 2 Na1 SO2 Ba2 2 Cl1→ wit neerslag 4 1 22 1→ 2 H SO4 Ba 2 NO3 → wit neerslag H2SO4 Ba(NO3)2 2 6 Br1Al2(SO4)3 3 BaBr2 → 2 Al3 3 SO2 3 Ba → wit neerslag 4 Bij alle elektrolytmengsels werd een oplossing die sulfaationen (SO2) bevat toegevoegd aan een 4 2 oplossing die bariumionen (Ba ) bevat. Het is dus logisch dat de combinatie deze twee ionsoorten leidt tot de vorming van een neerslag van BaSO4 vormen. De stof bariumsulfaat is immers moeilijk oplosbaar in water. macroscopisch + Na2SO4 (opl.) BaCI2 (opl.) neerslag van BaSO4 modelvoorstelling + + + + --- + -- + + + -- + -+ + + + -- - - - ++ - ++ ++ - ++ - ++ Ba2+ + 2 CI1++ 2 Na1+ + SO42- + - + - - + + - + -+ - + + + + -- -- ++ -- ++ -- ++ ++ ++ -- BaSO4 + 2 Na1+ + 2 Cl1+ ++ -- + 6. SAMENVOEGING VAN ELEKTROLYTOPLOSSINGEN MET VORMING VAN EEN NEERSLAG De chemische interactie van deze ionencombinatie kan voor elk van de experimenten geschreven worden door de volgende essentiële ionenreactievergelijking: Ba2 SO42- → BaSO4↓ (↓ betekent dat er een neerslag wordt gevormd) Deze reactievergelijking wordt gelezen als: • bariumionen (Ba2) en sulfaationen (SO2) combineren tot een neerslag van BaSO4; 4 2 • of een Ba -oplossing reageert met een SO2-oplossing en vormt een neerslag van BaSO4. 4 Opmerking Tussen de overige positieve en negatieve ionsoorten in de respectieve lijke mengsels zijn blijkbaar te kleine aantrekkingskrachten werkzaam, zodat er geen combinatie tussen bv. de Na1-ionen en de Cl1--ionen optreedt. Deze ionen fungeren dus enkel als toeschouwer bij het eigenlijke reactieproces. Ze blijven onveranderd in de oplossing aanwezig en komen daarom niet voor in de essentiële ionenreactievergelijking. We kunnen deze ionen wel inbrengen in de stoffenreactievergelijking. Dan wordt de nadruk gelegd op de reagentia en de verkregen reactieproducten. Voor het eerste experiment wordt dat: Na2SO4 (opl) BaCl2 (opl) → BaSO4↓ 2 NaCl (opl) Om te weten welke ionsoorten niet combineren tot een neerslag kun je gebruikmaken van een oplosbaarheidstabel. De ionen van makkelijk oplosbare elektrolyten blijven naast elkaar bestaan. Bij het samenvoegen van ionen van moeilijk oplosbare elektrolyten wordt meestal een neerslag gevormd. 100 | 6 Samenvoeging van elektrolytoplossingen met vorming van een neerslag OWCH21W 097-114.indd 100 6/3/09 2:26:38 PM Oplosbaarheidstabel van ionverbindingen goed oplosbaar slecht oplosbaar natriumzouten (Na1) kaliumzouten (K1) alle alle nitraten (NO1) 3 1chloriden (Cl ) alle alle, behalve bromiden (Br1-) alle, behalve Ag1, Hg1, Pb2 jodiden (I1-) alle, behalve Ag1, Hg1, Hg2 en Pb2 sulfaten (SO2) 4 alle, behalve Ba2 (, Pb2 en Ca2: matig oplosbaar) sulfiden (S2-) Na1, K1, NH1 , Mg2, 4 2 2 Ba , Ca alle andere fosfaten (PO3) 4 Na1, K1, NH1 4 alle andere ) carbonaten (CO23 Na1, K1, NH1 4 alle andere hydroxiden (OH1-) Na1, K1 (Mg2, Ba2, Ca2: matig) alle andere Ag1 (, Hg1, Pb2: matig oplosbaar) 6.1.2 Werkwijze Om een reactie bij het samenvoegen van twee elektrolytoplossingen te ontrafelen moet je dus drie stappen uitwerken: de splitsingsreactie (ionisatie of dissociatie) van beide elektrolyten schrijven; 2 de combinatie van deze twee reacties schrijven, er rekening mee houden dat de som van het aantal positieve ionladingen en het aantal negatieve ionladingen gelijk moet zijn aan nul en op basis van de oplosbaarheidstabel uitzoeken welke ionen combineren; 3 de essentiële ionenreactievergelijking schrijven en eventueel de stoffenreactievergelijking opstellen. 6. SAMENVOEGING VAN ELEKTROLYTOPLOSSINGEN MET VORMING VAN EEN NEERSLAG 1 Voorbeeld: het samenvoegen van een Al2(SO4)3-oplossing met een BaBr2-oplossing 1 Al2(SO4)3 → 2 Al3 3 SO24 BaBr2 → Ba2 2 Br1- 2 2 3 Al3 3 SO24 ? BaSO4 is niet oplosbaar. 2 3 Ba 6 Br1- → 3 BaSO4↓ 2 Al3 6 Br1 ? essentiële ionenreactievergelijking: Ba2 SO2→ BaSO4↓ 4 stoffenreactievergelijking: Al2(SO4)3 (opl) 3 BaBr2 (opl) → BaSO4↓ 2 AlBr3 (opl) 6 Samenvoeging van elektrolytoplossingen met vorming | 101 van een neerslag OWCH21W 097-114.indd 101 6/3/09 2:26:39 PM 6.2 Andere voorbeelden van neerslagreacties 6.2.1 Het samenvoegen van een koperdinitraatoplossing met een kaliumhydroxide-oplossing Bij het samenvoegen van een Cu(NO3)2-oplossing met een KOH-oplossing ontstaat een blauw neerslag. Uitwerking volgens de bovenstaande werkwijze geeft: 1 Cu(NO3)2 → Cu2 2 NO13 KOH → K1 OH12 Cu(NO3)2 (opl) KOH(opl) Cu(OH)2-neerslag ? Alle oplossingen met kaliumionen en nitraten zijn oplosbaar. Cu2 2 NO31- 2 K1 2 OH1- → Cu(OH)2↓ 2 NO1 2 K1 3 ? Cu2 en OH1- moeten verantwoordelijk zijn voor het blauw neerslag. 3 essentiële ionenreactievergelijking: Cu2 stoffenreactievergelijking: 2 OH1- → Cu(OH)2↓ Cu(NO3)2 (opl) 2 KOH (opl) → Cu(OH)2↓ 2 KNO3 (opl) 6. SAMENVOEGING VAN ELEKTROLYTOPLOSSINGEN MET VORMING VAN EEN NEERSLAG 6.2.2 Het samenvoegen van een magnesiumdijodideoplossing met een trinatriumfosfaat-oplossing Bij het samenvoegen van een MgI2-oplossing met een Na3PO4-oplossing ontstaat een wit neerslag. Uitwerking volgens de bovenstaande werkwijze geeft: 1 MgI2 → Mg2 2 I1Na3PO4 → 3 Na1 PO34 2 MgI2 (opl) ? Alle oplossingen met natriumionen zijn oplosbaar. 2 11 3 Mg 6 I 6 Na 2 PO3→ Mg3(PO4)2↓ 6 I1- 6 Na1 4 Mg2 en PO34 Na3PO4 (opl) Mg3(PO4)2-neerslag ? moeten verantwoordelijk zijn voor het wit neerslag. 3 essentiële ionenreactievergelijking: 3 Mg2 2 PO34 stoffenreactievergelijking: → Mg3(PO4)2↓ 3 MgI2 (opl) 2 Na3PO4 (opl) → Mg3(PO4)2↓ 6 NaI (opl) Neerslagreacties treden op bij het samenvoegen van welbepaalde elektrolytoplossingen AB en CD. Bepaalde ionsoorten combineren en vormen een vaste stof die zeer moeilijk oplost in water. Deze stof bezinkt na enige tijd en vormt dan een neerslag. A(opl) D- (opl) → AD↓ Of algemeen: m An n Dm- → AmDn↓ Welke soorten positieve en negatieve ionen met elkaar een neerslag vormen, kun je afleiden uit de oplosbaarheidstabel. 102 | 6 Samenvoeging van elektrolytoplossingen met vorming van een neerslag OWCH21W 097-114.indd 102 6/3/09 2:26:40 PM 6.3 Toepassingen van neerslagreacties 6.3.1 Bereiding van moeilijk oplosbare verbindingen Om een moeilijk oplosbare verbinding AD te bereiden vertrek je met twee oplossingen van goed oplosbare elektrolyten. Het eerste elektrolyt levert A-ionen, het tweede elektrolyt D--ionen. geschikte stoffen kun je opzoeken aan de hand van de oplosbaarheidstabel. Bij het samenvoegen van de twee elektrolytoplossingen slaat de gewenste stof AD neer. De overige ionen van beide elektrolytoplossingen moeten wel vrij in de oplossing blijven. samenvoegen van de elektrolytoplossing en AB en CD: A B- C D- → AD↓ C BVoorbeeld: bereiding van AgBr (lichtgevoelige stof in de fotografie) benodigde ionen: Ag1 oplosbaar elektrolyt: AgNO3 Br1alle bromiden zijn oplosbaar, bv. KBr neerslag: AgBr resterende ionen: K1 en NO1Deze ionen blijven vrij in oplossing. 3 + 1 AgNO3 → Ag1 NO13 KBr → K1 Br12 Deze ionen blijven vrije ionen. 1 Br1- → AgBr↓ NO1- K1 Ag1 NO1 K 3 3 AgNO3 ( opl.) KBr ( opl. ) gelige neerslag van AgBr neerslag 6.3.2 Kwalitatieve analyse van bepaalde ionsoorten in een waterige oplossing Bepaalde ionen in waterige oplossing kunnen aangetoond worden door een neerslag te vormen met het desbetreffende ion. In de oplosbaarheidstabel ga je na welk ion een neerslag vormt met dit op te sporen ion. 6. SAMENVOEGING VAN ELEKTROLYTOPLOSSINGEN MET VORMING VAN EEN NEERSLAG 3 essentiële ionenreactievergelijking: Ag1 Br1→ AgBr↓ stoffenreactievergelijking: AgNO3 (opl) KBr (opl) → AgBr↓ KNO3 (opl) Door filtratie kan AgBr worden afgescheiden en de K1 en NO1-ionen blijven in oplossing. 3 Voorbeeld 1: zijn er SO2-ionen aanwezig in de oplossing? 4 In de oplosbaarheidstabel vind je dat positieve Ba2-ionen een wit neerslag vormen met negatieve SO2-ionen. 4 Ba2 SO2→ BaSO4↓ 4 De vorming van een wit neerslag bij toevoeging van een Ba (NO3)2 oplossing kan dus wijzen op de aanwezigheid van sulfaationen in de oplossing. Ba2 -ionen vormt en echter ook met andere ionen een neerslag, nl. met carbonaat-, fosfaat- en hydroxide-ionen. Om de aanwezigheid van sulfaationen eenduidig aan te tonen zijn er dus nog andere onderzoeksmethoden nodig. 6 Samenvoeging van elektrolytoplossingen met vorming | 103 van een neerslag OWCH21W 097-114.indd 103 6/3/09 2:26:40 PM Voorbeeld 2: een oplossing bevat Ba(NO3)2 of Pb(NO3)2. Welk van beide stoffen is aanwezig in de elektrolytoplossing? De opgeloste ionen zijn: mogelijkheid 1: Ba2 en NO13 mogelijkheid 2: Pb2 en NO13 In de oplosbaarheidstabel vind je dat Pb2-ionen een neerslag vormen met Br1--ionen. Met Ba2 vormt Br1- geen neerslag. Mogelijkheid 1 Mogelijkheid 2 De oplossing bevat Ba2-ionen. De oplossing bevat Pb2-ionen. toevoeging van een KBr-oplossing toevoeging van een KBr-oplossing Ba2 2 NO1 2 K1 2 Br13 Pb2 2 NO1 2 K1 2 Br1- → 3 PbBr2↓ 2 K1 2 NO13- Alle ionen blijven naast elkaar bestaan: er is geen neerslagvorming. vorming van een neerslag van PbBr2 6.3.3 Bepaalde ionsoorten afzonderen uit een oplossing Een gegeven oplossing bevat drie verschillende metaalionen. Deze moeten aangetoond worden door ze van elkaar te scheiden. Algemene werkwijze: 6. SAMENVOEGING VAN ELEKTROLYTOPLOSSINGEN MET VORMING VAN EEN NEERSLAG • Voeg één elektrolytoplossing toe met een negatieve ionsoort die met slechts één van de drie metaalionen een neerslag vormt. Ba2+ 1+ Ag proefoplossing Cu2+ • Na filtratie voeg je aan het filtraat een tweede elektrolytoplossing toe die slechts met een van de twee resterende metaalionen een neerslag vormt. + NaCl AgCl • Na nieuwe filtratie blijven alleen ionen van het derde metaal aanwezig in het filtraat. Ba2+ Cu2+ Voorbeeld: een oplossing bevat Ba2-, Ag1- en Cu2-ionen. Om deze ionen van elkaar te scheiden voeg je aan de elektrolytoplossing een NaCl-oplossing toe. Ag1 Cl1- → AgCl ↓ De chloride-ionen vormen geen neerslag met Ba2 en Cu2. Je filtreert het mengsel. Het filtraat bevat nog Ba2- en Cu2-ionen. Aan het filtraat voeg je een Na2SO4-oplossing toe. Ba2 SO2→ BaSO4 ↓ 4 Sulfaationen vormen geen neerslag met Cu2. Je filtreert het mengsel. Het filtraat bevat nog Cu2-ionen. Deze kun je eventueel nog verwijderen door de toevoeging van een NaOH-oplossing. Cu2 2 OH1- → Cu(OH)2 ↓ + Na2SO4 BaSO4 Cu2+ + NaOH Cu(OH)2 104 | 6 Samenvoeging van elektrolytoplossingen met vorming van een neerslag OWCH21W 097-114.indd 104 6/3/09 2:26:42 PM Labo Vorming van een neerslag: algemene werkwijze Een aantal elektrolytoplossingen wordt gegeven. Tenzij anders is aangegeven, breng je van elke oplossing hoogstens 2 cm in een reageerbuis. Bij het samenvoegen neem je deerste reageerbuis bovenaan vast en breng je ze op ooghoogte. Voeg van de tweede oplossing eerst een minimale hoeveelheid toe, eventueel met een plasticpipet. Je kunt de reageerbuis afstoppen en ermee schudden, maar daardoor kun je de vorming van een neerslag en het bezinken ervan minder goed waarnemen. Zet de reageerbuis in het rek en observeer af en toe het bezinken. Noteer de kleur van de eventuele neerslag. Deze neerslag kan je afzonderen door filtrate. 1 Vorming van neerslagen door het samenvoegen van oplossingen Opstelling Benodigdheden – zinkdinitraatoplossing (Zn(NO3)2) – dinatriumcarbonaatoplossing (Na2CO3) bariumdichloride-oplossing (BaCl2) diwaterstofsulfaatoplossing (c 0,1 mol/l) (H2SO4) ijzertribromide-oplossing (FeBr3) dikaliumsulfide-oplossing (K2S) Werkwijze Voegenkele ml van de volgende oplossingen samen: 6. SAMENVOEGING VAN ELEKTROLYTOPLOSSINGEN MET VORMING VAN EEN NEERSLAG – – – – • zinkdinitraatoplossing en dinatriumcarbonaatoplossing; • bariumdichloride-oplossing en diwaterstofsulfaatoplossing; • ijzertribromide-oplossing en dikaliumsulfide-oplossing. Noteer in jouw verslag je waarneming en schrijf de opeenvolgende stappen uit voor de optredende reacties. 6 Samenvoeging van elektrolytoplossingen met vorming | 105 van een neerslag OWCH21W 097-114.indd 105 6/3/09 2:26:43 PM 2 Vorming van een neerslag op twee verschillende wijzen Opstelling Benodigdheden – oplossingen met de gevraagde ionen Vorm op twee verschillende wijzen de volgende neerslagen: • een neerslag van Cu(OH)2; • een neerslag van CaCO3. Werkwijze Zoek zelfstandig de gevraagde gegevens op. Gebruik de algemene werkwijze. Noteer je waarneming en schrijf de opeenvolgende stappen uit voor de optredende reacties. 3 Bewijs de aanwezigheid van bepaalde stoffen in oplossing Werk een methode uit om het volgende aan te tonen: a Leidingwater bevat Cl1--ionen. 6. SAMENVOEGING VAN ELEKTROLYTOPLOSSINGEN MET VORMING VAN EEN NEERSLAG b Zeezout bevat I- -ionen. c Het etiket van mineraalwater bevat veel informatie over aanwezige ionen. Van welke opgeloste mineralen kunnen die ionen afkomstig zijn? d De blauwe kleur van Cu2-oplossingen is te wijten aan de aanwezigheid van gehydrateerde Cu2-ionen. Dat kun je aantonen door deze ionen neer te slaan en de kleur van de overblijvende oplossing te observeren. Oefenen en testen 1 Welke elektrolyten zijn goed () en welke zijn slecht (-) oplosbaar? 0 H2SO4 1 5 Ag3PO4 Ba(NO3)2 6 Fe(OH)2 2 CaBr2 7 K2CO3 3 Al2(SO4)3 8 K2S 4 Mg(OH)2 9 HgI2 106 | 6 Samenvoeging van elektrolytoplossingen met vorming van een neerslag OWCH21W 097-114.indd 106 6/3/09 2:26:44 PM 2 Welke reactie geeft correct (J) de splitsingsreactie (ionisatie of dissociatie) weer van het elektrolyt bij oplossing in water? Welke zijn fout (F)? Verbeter daarna de reactievergelijking. 0 MgCl2 → Mg2 Cl-2 1 Ba(NO3)2 → Ba2 2 NO-3 2 Ag2SO4 → 2 Ag2 4 SO- 3 Cu(CO3)2 → Cu2 2CO13 4 HgSO4 → Hg1 SO-4 5 K3PO4 → 3 K 4 PO3- 6 Ca(OH)2 → Ca2 2 OH- 7 Zn3(PO4)2 → 3 Zn2 2 PO34 8 Al2S3 → 2 Al3- 3 S2 9 Na2CO3 → 2 Na CO23 F MgCl2 → Mg2 2 Cl1- 3 Twee elektrolytoplossingen worden samengevoegd. Gebruik de gegeven werkwijze (drie stappen) om te achterhalen of er een neerslag wordt gevormd. Voorbeeld zie pagina 102 dialuminiumtrisulfaat- en bariumdinitraatoplossing 1. 1. 2. 2. 3. 3. calciumdichloride- en trinatriumfosfaatoplossing bariumdijodide- en dizilversulfaatoplossing 1. 1. 2. 2. 3. 3. 6. SAMENVOEGING VAN ELEKTROLYTOPLOSSINGEN MET VORMING VAN EEN NEERSLAG zilvernitraat- en kaliumbromide-oplossing 6 Samenvoeging van elektrolytoplossingen met vorming | 107 van een neerslag OWCH21W 097-114.indd 107 6/3/09 2:26:45 PM 4 Noteer telkens twee elektrolytoplossingen die je kunt samenvoegen om de onderstaande neerslag te verkrijgen. Schrijf daarna de stoffenreactievergelijking. 0 PbI2 1 BaSO4 2 AgCl 3 CaCO3 4 Mg3(PO4)2 5 Al2S3 6 Ni3(PO4)2 Pb(NO3)2 en KI Pb(NO3)2 (opl) 2 KI (opl) → PbI2 ↓ 2 KNO3 (opl) 6. SAMENVOEGING VAN ELEKTROLYTOPLOSSINGEN MET VORMING VAN EEN NEERSLAG 5 Welke van de gegeven elektrolytoplossingen is bruikbaar om de volgende stoffen (of ionen), opgelost in water, via een neerslagreactie aan te tonen? 0 Cu2 AlCl3 MgSO4 K2CO3 NaOH Ag2SO4 Pb(NO3)2 1 Ca2 AlCl3 MgSO4 K2CO3 NaOH Ag2SO4 Pb(NO3)2 2 Cl1- AlCl3 MgSO4 K2CO3 NaOH Ag2SO4 Pb(NO3)2 3 Ag1 AlCl3 MgSO4 K2CO3 NaOH Ag2SO4 Pb(NO3)2 4 Mg2 AlCl3 MgSO4 K2CO3 NaOH Ag2SO4 Pb(NO3)2 5 OH1- AlCl3 MgSO4 K2CO3 NaOH Ag2SO4 Pb(NO3)2 6 Pb2 AlCl3 MgSO4 K2CO3 NaOH Ag2SO4 Pb(NO3)2 NaBr AlCl3 MgSO4 K2CO3 NaOH Ag2SO4 Pb(NO3)2 NaNO3 AlCl3 MgSO4 K2CO3 NaOH Ag2SO4 Pb(NO3)2 K3PO4 AlCl3 MgSO4 K2CO3 NaOH Ag2SO4 Pb(NO3)2 7 8 9 108 | 6 Samenvoeging van elektrolytoplossingen met vorming van een neerslag OWCH21W 097-114.indd 108 6/3/09 2:26:45 PM 6 Je moet aantonen welk van beide ionen in een gegeven oplossing voorkomt. Dat doe je door er een elektrolytoplossing aan toe te voegen die met slechts één van de ionen een neerslag vormt. Geef aan welk elektrolyt daarvoor in aanmerking komt. Indien geen van de mogelijke keuzes voldoet, noteer dan zelf een elektrolyt. Aan te tonen stof 0 Cu2 of Ca2 Keuzemogelijkheden MgCl2 Zn(NO3)2 MgSO4 K3PO4 Ag2SO4 Pb(NO3)2 1 Cl1- of OH1- MgCl2 MgSO4 K3PO4 Zn(NO3)2 Ag2SO4 Pb(NO3)2 2 Mg2of Ca2 MgCl2 MgSO4 K3PO4 Zn(NO3)2 Ag2SO4 Pb(NO3)2 3 Pb2 of Al3 MgCl2 MgSO4 K3PO4 Zn(NO3)2 Ag2SO4 Pb(NO3)2 4 SO2of Cl14 MgCl2 MgSO4 K3PO4 Zn(NO3)2 Ag2SO4 Pb(NO3)2 Je eigen keuze 7 Een gegeven oplossing bevat twee of meer ionsoorten. Probeer deze ionsoorten aan te tonen en van elkaar te scheiden via neerslagvorming. Geef het werkschema. Ag en Ba2 we voegen een NaBr-oplossing toe. Ag Br- → AgBr↓ De bromide-ionen vormen geen neerslag met Ba2. Het mengsel filtreren: Het filtraat bevat nog Ba2-ionen. Deze kun je verwijderen door toevoeging van een SO24 oplossing 1 Pb2 en Al3 2 chloride, hydroxide en sulfaationen 3 Cu2, Ca2, Mg2 en Ag1 6. SAMENVOEGING VAN ELEKTROLYTOPLOSSINGEN MET VORMING VAN EEN NEERSLAG 0 6 Samenvoeging van elektrolytoplossingen met vorming | 109 van een neerslag OWCH21W 097-114.indd 109 6/3/09 2:26:45 PM SAMENVATTING Doel Je leerde • dat bij de samenvoeging van twee elektrolytoplossingen een neerslag kan worden gevormd; • dat deze neerslagvorming kan worden aangewend om bepaalde stoffen te bereiden, om ionsoorten te scheiden of om het voorkomen van ionsoorten in een oplossing aan te tonen. Het belangrijkste onthouden! Bij het samenvoegen van twee elektrolytoplossingen (AB (opl) en CD (opl)) kan een combinatie tussen positieve en negatieve ionen plaatsgrijpen waarbij een neerslag wordt gevormd. Dat is een vaste stof die zeer moeilijk oplost in water. A(opl) D- (opl) → AD↓ Of algemeen: m An n Dm- → AmDn↓ 6. SAMENVOEGING VAN ELEKTROLYTOPLOSSINGEN MET VORMING VAN EEN NEERSLAG Welke soorten positieve en negatieve ionen met elkaar een neerslag vormen, kun je afleiden uit de oplosbaarheidstabel. Om de optredende reactie te kennen gebruik je steeds de volgende stappen: Algemeen Voorbeeld het samenvoegen van een Al2(SO4)3oplossing met een BaBr2-oplossing 1 de splitsingsreactie (ionisatie of dissociatie) van beide elektrolyten schrijven; Al2(SO4)3 → 2 Al3 3 SO24 BaBr2 → Ba2 2 Br1- 2 de combinatie van deze twee reacties schrijven, BaSO4 is niet oplosbaar. er rekening mee houden dat de som van het ? 3 2aantal positieve ionladingen en het aantal 2 Al 3 SO4 3 Ba2 6 Br1- → .. negatieve ionladingen gelijk moet zijn aan nul ? en op basis van de oplosbaarheidstabel ... 3 BaSO4↓ 2 Al3 6 Br1uitzoeken welke ionen combineren; 3 de essentiële ionenreactievergelijking schrijven en eventueel de stoffenreactievergelijking opstellen. Ba2 SO2→ BaSO4↓ 4 Al2(SO4)3 (opl) 3 BaBr2 (opl) → 3 BaSO4↓ 2 AlBr3 (opl) Toepassingen: • een moeilijk oplosbare stof bereiden; • de aanwezigheid van een bepaalde ionsoort in een waterige oplossing aantonen; • bepaalde ionsoorten in een oplossing aantonen en verwijderen. Belangrijke begrippen elektrolytoplossing essentiële ionenreactievergelijking neerslag neerslagvorming oplosbaarheidstabel splitsingsreactie (ionisatie/dissociatie) stoffenreactievergelijking 110 | 6 Samenvoeging van elektrolytoplossingen met vorming van een neerslag OWCH21W 097-114.indd 110 6/3/09 2:26:46 PM Leesstukje 6 Chemie in het leven van elke dag Is je keuken thuis ook een laboratorium? 6. SAMENVOEGING VAN ELEKTROLYTOPLOSSINGEN MET VORMING VAN EEN NEERSLAG Is koken en eten meer dan een louter culinaire aangelegenheid? Zeker. Kijk maar even mee in de provisiekast, de afwasbak en onder de deksels van potten en pannen. Dan merk je meteen dat een chef-kok en een chemicus meer met elkaar gemeen hebben dan alleen maar de noodzaak om na hun werk de afwas te doen. Maar ook een huisvrouw of -man en een landbouwer zijn vaker met chemie bezig dan ze wel denken. Achter het fornuis Iedere kok die over de gezondheid van zijn gasten waakt, schotelt hen enkel vers of goed bewaard voedsel voor. Bedorven of rotte voedingswaren houden immers veel risico’s in: je wordt onwel of krijgt er zelfs een voedselvergiftiging van. Voedselbewaring is dan ook een delicaat punt waarbij additieven soms onontbeerlijk zijn. Een goede keukenpiet zal in zijn keuken vaak onbewust chemie bedrijven. Ook de boer en de tuinier, leveranciers van lekkere ingrediënten, weten wat chemie is. Omdat zij regelmatig dezelfde gewassen telen op hun percelen, kan de grond uitgeput raken. Is de bodem te zuur, dan pakken ze de kwaal aan met kalk: het is dan net of er een laagje sneeuw op 6 Samenvoeging van elektrolytoplossingen met vorming | 111 van een neerslag OWCH21W 097-114.indd 111 6/3/09 2:26:50 PM Leesstukje 1 de velden ligt. Als ze pesticiden gebruiken, krijgen ze vaak kritiek van milieugroeperingen, want is al dat chemisch spul wel gezond voor de mens? Er wordt inderdaad soms te kwistig omgesprongen met bepaalde producten. Nuttiger wordt de chemie dan weer bij biotechnologische toepassingen. Denk maar aan de bereiding van yoghurt, kaas en hoeveboter. Een indigestie? Ook al weet een goede kok met verse ingrediënten een culinair festijn voor te schotelen, toch kunnen zijn gerechten je zwaar op de maag liggen. Je neemt je toevlucht tot maagzout of bepaalde bronwaters, zoals Vichy, Perrier of Apollinaris, die bekend staan om hun hoge gehalte aan bicarbonaten. Zij steken de spijsvertering een handje toe. In het slechtste geval houd je er een indigestie aan over. Of als je te diep in het glas gekeken hebt, neem je met plezier een bruistabletje om die vervelende hoofdpijn weg te werken. Hardnekkige problemen, eenvoudige oplossingen 6. SAMENVOEGING VAN ELEKTROLYTOPLOSSINGEN MET VORMING VAN EEN NEERSLAG Veel ‘plongeurs’ (want zo heten bordenwassers in restaurants) ergeren zich dagelijks aan hard water: dat veroorzaakt kalkaanslag die vieze plekken achterlaat op bestek, glas- en eetservies. Een ervaren ‘plongeur’ weet dat het eenvoudig en goedkoop is om dat hardnekkige probleem aan te pakken met een oud huismiddeltje: kalkaanslag kan makkelijk ‘weggewerkt’ of opgelost worden met azijn. Wil je een afvoer ontstoppen? Neem dan soda (dinatriumcarbonaat: Na2CO3 ). En wist je dat natriumwaterstofcarbonaat (NaHCO3) het prima doet als wasverzachter of als badzout? Zeker milieubewuste mensen zoeken hun toevlucht tot dergelijke ‘ouderwetse’ technieken en beseffen dan vaak niet dat ze op dat ogenblik chemie beoefenen. Chemisch reinigen? En de vlijtige huisvrouw of huisman? Ook zij worden in hun dagelijkse bezigheden geconfronteerd met chemie, vaak onbewust. Neem nu poetsmiddelen om alles schitterend schoon en fris te houden. De industrie produceert een heel gamma aan onderhoudsproducten en samen met hun marketingafdelingen proberen zij zo veel mogelijk gebruikers voor hun product te winnen. Met een dergelijk uitgebreid pakket van concurrerende merken is het voor de consument niet altijd zo eenvoudig om door de bomen het bos nog te zien. Wat meer kennis van chemie vereenvoudigt heel wat verschijnselen! Wat hebben een mooie foto, kalkaanslag, een vuile rand in een kopje koffie of thee, een gekookt ei met een groenige schijn en water- en bodemanalyse nu met elkaar gemeen? Chemie kan je wat meer inzicht bieden in deze en andere verschijnselen in jouw leefomgeving. Je hebt al verschillende soorten anorganische stofklassen leren kennen, nl. oxiden, zuren, hydroxiden en zouten, evenals het onderscheid tussen elektrolyten en niet-elektrolyten. Vele verschijnselen in jouw leefwereld zijn in feite chemische reacties tussen elektrolyten. Ook het begrip ‘zuurtegraad’ speelt vaak een belangrijke rol. 112 | 6 Samenvoeging van elektrolytoplossingen met vorming van een neerslag OWCH21W 097-114.indd 112 6/3/09 2:32:50 PM Voorbeelden van reacties die gepaard gaan met de vorming van een onoplosbare vaste stof (neerslag):- zie hoofdstuk 6 – – – – – – – een gekookt ei met een groene verkleuring; een bruine rand in een vuil koffie- of theekopje; kalkaanslag in een koffiezetapparaat of kookpan of in een wasmachine; zeepaanslag (kalkzeep) na een bad met kalkrijk water; stalagmieten. stalactieten en grotvorming; neerslagvorming van zilverzouten in de klassieke fotografie; water- en bodemanalyse. Voorbeelden van reacties die gepaard gaan met het ontsnappen van een gas:- zie hoofdstuk 7 – – – – – het oplossen van een bruistablet; het gebruik van gist of bakpoeder bij het bakken van een brood of taart; een betere spijsvertering met mineraalwater dat koolzuurgas bevat of ontwikkelt in de maag;bederf en verrotting van vlees en vis: de afbraak van eiwitten tot onwelriekende stoffen zoals ammoniak en diwaterstofsulfide; gistings- en verzuringsreacties bij de omzetting van voedingsbestanddelen met vrijzetting van koolstofdioxide. 6. SAMENVOEGING VAN ELEKTROLYTOPLOSSINGEN MET VORMING VAN EEN NEERSLAG Voorbeelden van reacties die verband houden met veranderingen van de zuuregraad:- zie hoofdstuk 8 – het gebruik van maagzout (NaHCO3) bij zure oprispingen;– het kalken van zure grond; – de kleurverandering bij toevoeging van azijn tijdens de bereiding van rode kool - (rodekoolsap is een zuur/base-indicator); – de ontkalking van een koffiezetapparaat met azijn; 6 Samenvoeging van elektrolytoplossingen met vorming | 113 van een neerslag OWCH21W 097-114.indd 113 6/3/09 2:46:57 PM Leesstukje 1 – de controle van de zuurgraad van een aquarium; – de regulatie van de zuurgraad van ons bloed; – de bereiding van zuurvrije tafelolie door het ontzuren met loog (base-oplossing); – de bepaling van het vitamine C-gehalte in fruitsap; – de - bepaling van het gehalte aan koolzuurgas dat door een - bruistablet kan worden vrijgezet; – de bepaling van het gehalte aan vetzuren in oliën en vetten; – de verwijdering van resten van cement en kalk met zoutzuur; (HCl) – de verwijdering van roest met zoutzuur. Denk hier eens over na of zoek het eens op: 6. SAMENVOEGING VAN ELEKTROLYTOPLOSSINGEN MET VORMING VAN EEN NEERSLAG 1. Een nieuwe modetrend in de restaurantwereld is het moleculaire koken. Wat bedoelt men daarmee? Is dat werkelijk zo nieuw of zet men iets in de kijker wat in feite reeds lang gekend is bij voedingsdeskundigen en koks? 2. Welk ontkalkingsmiddel wordt bij jou thuis gebruikt om kranen of het koffiezetapparaat te ontkalken? 3. Waarom moet rijzend taartdeeg of brooddeeg voorzichtig behandeld worden? 114 | 6 Samenvoeging van elektrolytoplossingen met vorming van een neerslag OWCH21W 097-114.indd 114 6/3/09 3:01:33 PM
