scheikunde
advertisement
SCHEIKUNDE 4 VWO | GYMNASIUM THEORIE • HOOFDSTUK 1 ZUUR-BASE scheikunde 4 VWO | GYMNASIUM Auteurs Ilse Landa Joris Schouten Toon de Valk Bas Zoon Eindredactie Aonne Kerkstra Practicumbegeleiding Peter Verweij Tweede editie Malmberg ’s-Hertogenbosch www.nova-malmberg.nl THEORIE • HOOFDSTUK 1 ZUUR-BASE Inhoudsopgave Voorwoord 1 Chemisch rekenen Inhoud van hoofdstuk 1 uit de vorige editie is nu verdeeld over twee hoofdstukken. Hierdoor meer evenwichtige verdeling van de lesstof. 4 3 Organische chemie 5 Praktijk Goud6 Theorie 1 Atoombouw en periodiek systeem 10 2 De hoeveelheid stof 20 3 Rekenen aan gehaltes 24 4 Rekenen aan reacties 30 5Practicum 36 Maatschappij Studeren: Nucleair geneeskundige Fukushima 2Bindingstypen Praktijk Touchscreens van smartphones Theorie 1Metaalbinding 2 Molecuul- en atoombinding 3 Polaire atoombinding 4Ionbinding 5Practicum Maatschappij Studeren: Anorganisch chemicus AkzoNobel 79 Praktijk Hout: biobrandstof van de toekomst? 80 Theorie 1Verbrandingsreacties 84 2 Organische verbindingen 92 3 Systematische naamgeving 99 4 Fossiele brandstoffen 107 5 Duurzame brandstoffen 114 6Practicum 123 Maatschappij Studeren: Scheikunde Royal Dutch Shell 4Zouten 39 127 Praktijk Kunstmest128 Theorie 1 Verhoudingsformules van zouten 132 2 Oplosbaarheid van zouten 137 3 Bijzondere zouten 143 4 Rekenen aan zoutoplossingen 149 5Practicum 156 Maatschappij Steenzout en zeezout Drop 40 44 50 59 69 75 2 5Reacties in beweging Praktijk Katalysatoren brengen welvaart Theorie 1 Reactiewarmte meten 2 Reactiewarmte berekenen 3Reactiesnelheid 4 Beïnvloeding reactiesnelheid 5Practicum Maatschappij Studeren: Theoretisch chemicus Nuon 6 Evenwichten Praktijk Het koolzuurevenwicht Theorie 1Evenwichtsreacties 2Evenwichtsvoorwaarde 3 Bijzondere evenwichten 4 Beïnvloeding van evenwichten 5Practicum Maatschappij Studeren: Chemisch technoloog Oorlog en stikstof 159 160 Antwoorden 226 Register 228 Colofon 230 164 170 175 182 187 191 Betere verdeling van de lesstof in integrale leerlijn door sommige stof uit de bovenbouw al in leerjaar 3 te introduceren. 192 196 200 208 214 223 3 Voorwoord Nova is op zo’n manier opgebouwd, dat je de stof vanuit verschillende invalshoeken kunt benaderen. Elk hoofdstuk bestaat namelijk uit drie delen: P: de praktijk; voorbeelden van toepassingen van de theorie. T: de theorie; uitleg over scheikundige concepten, reacties, structuren, bindingstypen en experimenten. Aan het begin van elke paragraaf worden leerdoelen vermeld. Deze zijn afgeleid van de eindtermen uit de syllabus, waarin staat wat je voor je centraal examen allemaal moet kennen. M: de maatschappij; waarom is kennis van de theorie belangrijk voor jou, als onderdeel van die maatschappij? Bij alle drie de delen horen opdrachten. Jouw eigen werkwijze Je begint elk hoofdstuk met enkele digitale oriënterende opdrachten. Vanzelfsprekend bepaal je samen met je docent hoe je de stof uit het hoofdstuk daarna gaat behandelen. Je kunt op verschillende manieren met Nova werken. 1 Vind je het belangrijk om eerst de theoretische concepten te bestuderen, om daarna te kijken hoe die theorie in de praktijk en de maatschappij wordt gebruikt? In dat geval begin je met het T-deel en doe je daarna het P-deel en een van de M-delen. 2 Ben je vooral geïnteresseerd in toepassing, begin dan met het P-deel. Daarna doe je het T-deel en een van de M-delen. 3 Wanneer je interesse vooral uitgaat naar het belang van scheikunde voor de maatschappij, begin dan met een van de M-delen. De M-delen worden uitsluitend digitaal aangeboden. Vervolgens doe je het P-deel of ga je direct naar het T-deel. Iedereen sluit af met het beantwoorden van de eindopdracht aan het einde van het T-deel. Indien je de theorie voldoende beheerst, moet je de opdrachten van het P-deel kunnen oplossen. Opdrachten De opdrachten kennen een verschillende opbouw. Voor sommige opdrachten staat een *. Dat zijn extra pittige opdrachten. Bij sommige hoofdstukken zijn examenopgaven opgenomen. Soms zijn ze bewerkt (naar), soms zijn ze letterlijk overgenomen (bron). Zo word je goed voorbereid voor het examen. Als er een staat, heb je te maken met een opdracht uit de Chemieolympiade. Bij havo komt dat zelden voor, bij vwo/gymnasium gebeurt dat vaker. Dit zijn in het algemeen pittige opdrachten. HOOFDSTUK 1 Chemisch rekenen Alchemisten hebben eeuwenlang geprobeerd om lood in goud te veranderen. Baanbrekend wetenschappelijk onderzoek aan het begin van de twintigste eeuw heeft een atoommodel opgeleverd waarmee je nu eenvoudig kunt uitleggen dat het onmogelijk is om lood in goud te veranderen. Dat is de kracht van een goed model: het verklaart waargenomen eigenschappen en voorspelt de uitkomst van toekomstige experimenten. Oefenen Was je in staat de opdrachten van het P-deel op te lossen, maar wil je toch nog kijken of je de stof echt beheerst? Maak dan de digitale toets. Besef dat de Onthoud! aan het einde van de paragraaf slechts dient om de kern van de paragraaf nog eens aan te geven. Deze samenvattingen volstaan niet om een toets voor te bereiden. Wij wensen je succes en plezier met Nova! De auteurs 4 Praktijk Theorie Maatschappij Goud 6 1 Atoombouw en Studeren: Nucleair periodiek systeem 10 geneeskundige Fukushima 2 De hoeveelheid stof 20 3 Rekenen aan gehaltes 24 4 Rekenen aan reacties 30 5 Practicum 36 5 PRAKTIJK • HOOFDSTUK 1 CHEMISCH REKENEN PRAKTIJK • HOOFDSTUK 1 CHEMISCH REKENEN Praktijk Praktijk paragrafen geven de relevantie van het vak weer in aansprekende context. Goud Het is veel eenvoudiger en goedkoper om goud te winnen uit e-waste dan om het te winnen uit gouderts. ▶ figuur 2 e-waste binding. Gouderts wordt gevonden in mijnen of in rivieren. Gouderts waarbij het goud zichtbaar is, bevat ongeveer 30 mg goud per kilogram erts. Meestal is het gehalte goud in gouderts veel lager. Op dit moment is het beste ‘gouderts’ elektronisch afval: e-waste (figuur 2). Er is een enorme toename van dit afval, dat veelal bestaat uit oude computerprintplaten en mobieltjes. Het goudgehalte in e-waste is met gemiddeld 0,3 g goud per kilogram honderd keer hoger dan in natuurlijk gouderts. Het is dus veel eenvoudiger en goedkoper om goud te winnen uit e-waste dan om het uit gouderts te winnen. Mensen zijn altijd al gefascineerd geweest door het metaal goud. Het gebruik van goud staat voor rijkdom en macht. Al sinds de maskers van de farao’s, het El Dorado van de Inca’s tot aan de gouden tempel van de Sikhs in India. Die fascinatie is alleen maar toegenomen. Het metaal wordt vandaag de dag steeds meer gebruikt en vormt de fundering van de economie. Helaas is het winnen van goud een tijdrovend en kostbaar proces waarbij grote hoeveelheden afval worden geproduceerd. Het is daarom belangrijk dat we zuinig omgaan met het gebruikte goud en daarvan zo veel mogelijk terugwinnen. Goudkoorts Waardevol Voorkomen Goud is al sinds de tijd van de farao’s een belangrijk metaal (figuur 1). Dit komt vooral doordat het een glanzend metaal is en een bijzondere kleur heeft. Het roest niet, wordt niet dof en is goed te vervormen. Hierdoor wordt goud door veel mensen begeerd en blijft het een heel waardevol materiaal. Het atoomnummer van goud is 79 en het lijkt qua dichtheid veel op lood met atoomnummer 82. Vandaar dat alchemisten lood probeerden te veranderen in goud. Het symbool van goud is Au, afkomstig van het Latijnse woord aurum. Goud is een edelmetaal en reageert onder normale omstandigheden niet met andere stoffen. Het blijft daardoor heel lang behouden. Vanwege het gebrek aan reactiviteit komt goud in goudertsen meestal als de niet-ontleedbare stof goud voor en niet als element in een goudver- ◀ figuur 1 het masker van een farao 6 Toen in 1896 goud werd gevonden in de buurt van Dawson City in Canada, vormde dit de start van een goldrush (goudkoorts). Binnen enkele maanden kwamen vele duizenden mensen naar dit afgelegen gebied om hun geluk te beproeven. Goud zoeken was zwaar werk. De kleren die de goudgravers droegen, leden er zwaar onder. Dit heeft tot de ontwikkeling van de spijkerbroek geleid. Deze extra stevige broek sleet veel minder snel en was een goedkoop alternatief voor de toenmalige werkbroeken. Meestal werd je niet rijk van het zo moeizaam verkregen goud. Wanneer goudzoekers uit de bergen afdaalden naar de stad om het goud te wisselen en voorraden te halen, vielen ze vaak ten prooi aan bandieten en rovers. In de stad werden de goudzoekers verleid met bordelen, gokhallen en kroegen. Helaas raakte door het enorme aantal goudzoekers de goudvoorraad ter plaatse snel uitgeput, waarna de goudzoekers naar andere vindplaatsen wegtrokken. Goudwinning Het winnen van goud begint met een proefwinning om een goede vindplaats te zoeken. Meestal wordt een paar meter grond afgegraven waarna 7 ▲ figuur 3 goudwinning met een goudpan met behulp van een goudpan het goud wordt gezuiverd van de rest van de opgegraven aarde (figuur 3). Doordat de dichtheid van het goud veel hoger is dan die van de andere mineralen, blijft het goud na langdurig ronddraaien in de pan achter. Wanneer er tijdens zo’n proefwinning genoeg goud wordt gevonden, wordt er groter materieel ingezet om het gouderts vaak van enorme diepten naar de oppervlakte te brengen. Daarna wordt het gezuiverd. Dit PRAKTIJK • HOOFDSTUK 1 CHEMISCH REKENEN PRAKTIJK • HOOFDSTUK 1 CHEMISCH REKENEN ▶ figuur 4 milieuvervuiling na de breuk in een dam van een goudafvalbekken gebeurt meestal met de zeer schadelijke en giftige stof natriumcyanide en stoffen die ontstaan door het gebruik van zink. Natriumcyanide zorgt ervoor dat het goud reageert, oplost in water en vervolgens van de rest kan worden gescheiden. De onoplosbare delen van het gouderts worden verwijderd. Daarna wordt het opgeloste goud met behulp van een overmaat zink omgezet tot goud. Na toevoeging van zwavelzuur wordt het overtollige zink vervolgens omgezet en blijft het goud over. Dit geeft een zeer zure afvalstroom. ◀ figuur 6 minitaartjes van chocolade en bladgoud Opdrachten Bestudeer eerst de theorie van dit hoofdstuk voordat je de volgende opdrachten uitvoert. Zowel bij het zuiveringsproces als bij het mijnen van het gouderts ontstaat niet alleen giftig en bijtend afval, maar ook nog eens heel veel afval. De Dure gebakjes Dat het altijd gekker kan, bewijst dit hapje. In een restaurant in Dubai wordt al enige tijd de golden phoenix geserveerd (figuur 5). Deze cupcake met slagroom en chocolade is omlijst met goud. Het cakeje zelf is verpakt in bladgoud en daaroverheen zit goudstof. Voor dit gebakje zijn alleen de beste ingrediënten gebruikt. Alles is eetbaar en het behoort tot de duurste gerechten op de wereld. materialen in deze afvalstromen zijn niet meer te recyclen. Deze opgeloste stoffen worden opgeslagen in afvalbekkens (figuur 4). Het water wordt in deze bekkens langzaam verwijderd en het droge afval wordt opgeslagen. Voor een ring van 10 g puur goud ontstaat ongeveer 24 ton afval. Zuiverheid De toepasbaarheid van goud is gekoppeld aan de zuiverheid van het materiaal. Deze zuiverheid wordt uitgedrukt in karaat. Zuiver goud is 24 karaat. Een karaat goud komt overeen met 4,15 massaprocent goud. Zuiver goud is zacht en gemakkelijk te vervormen; daarom wordt het veelal gemengd met andere metalen waarbij legeringen worden gevormd. Deze legeringen hebben betere eigenschappen, zoals een veel grotere hardheid. Zo worden juwelen in Nederland meestal gemaakt van 14 karaat goud. De overige 10 karaat bestaat uit andere metalen, meestal zilver, koper of nikkel. Toepassingen van goud ▲ figuur 5 De golden phoenix cupcake kost meer dan duizend US dollar. 8 Ongeveer vijftig procent van het jaarlijks gedolven goud wordt gebruikt om er juwelen en sieraden van te maken. Goud is erg waardevast, waardoor het een veilige vorm van belegging is. Veel goud ligt op deze manier in kluizen opgeslagen. Sinds Griekenland een enorme staatsschuld heeft opgebouwd, is het vertrouwen in bijvoorbeeld de euro afgenomen en wordt er nog meer in goud belegd. Sinds 2012 wordt goud weer gebruikt als betaalmiddel. Zo betaalt China de olie die het koopt met goud. Ook heeft een aantal Amerikaanse staten een wet aangenomen waarin staat dat mag worden betaald met goud. Vroeger was goud onderpand voor de munteenheid van een land. Zo heeft De Nederlandsche Bank nog ongeveer vijftien miljard euro in 24 karaat goudreserves. Verder wordt goud veel gebruikt in elektronica als geleidend materiaal. Het is zo geschikt doordat het goed de stroom geleidt en het niet corrodeert, waardoor de stroomgeleiding na verloop van tijd niet vermindert. In de bouw wordt goud gebruikt als warmtereflecterend materiaal, in de geneeskunde als medicijn en in de chemische industrie als katalysator. Goud wordt zelfs gebruikt als ingrediënt in maaltijden (figuur 6). Het is een officieel erkend additief en heeft E-nummer 175. Het aantal toepassingen van goud neemt nog steeds toe en daarmee ook de vraag naar dit zeldzame edelmetaal. 1 Goud Goud komt als niet-ontleedbare stof in gouderts voor. IJzer komt meestal in een verbinding in ijzererts voor. a Geef de formule van goud. b Leg uit waarom ijzer meestal als verbinding in ijzererts voorkomt. 2 Goudwinning Het masker van de farao (figuur 1) bevat 11 kg 24 karaat goud. a Bereken hoeveel ton afval tegenwoordig bij het winnen van het goud voor het masker zou resteren. b Bereken hoeveel ton e-waste minimaal nodig is voor het winnen van 11 kg 24 karaat goud. c Leg uit welke scheidingsmethode kan worden gebruikt om de resten van het gouderts te scheiden van het opgeloste goud. d Leg uit waarom bij de reactie tussen opgelost goud en zink wordt gewerkt met een overmaat zink. De zure afvalstroom ontstaat bij het omzetten van het zink met behulp van zwavelzuur. In plaats van zink kan ook koolstof worden gebruikt. Wanneer koolstof wordt gebruikt, is er minder zink en zwavelzuur nodig. De koolstof kan worden hergebruikt. e Leg uit of het gebruik van koolstof voor de winning van goud vanuit milieuoogpunt moet worden gestimuleerd. f Bedenk zelf nog een chemische oplossing waarmee het gevaar van de zure afvalstroom kan worden verminderd. 3 Bruidstranen Goud wordt ook gebruikt in voedsel. Een bekend drankje dat goud bevat, is bruidstranen dat soms bij een huwelijk wordt gedronken. Bruidstranen bevat 24 karaat goud. a Leg uit waarom alleen 24 karaat goud wordt gebruikt. b E175 wordt meestal in zoetwaren gebruikt. Waarvoor zal het worden gebruikt? c Leg uit wat de voedingswaarde van goud is. 9 THEORIE • HOOFDSTUK 1 CHEMISCH REKENEN THEORIE REKENEN THEORIE••HOOFDSTUK HOOFDSTUK1 1CHEMISCH ZUUR-BASE 1 Atoombouw en periodiek systeem In deze paragraaf leer je: • de belangrijkste ontwikkelingen van het atoommodel te beschrijven; • het atoommodel van Bohr te beschrijven; • te beschrijven wat isotopen zijn; • te beschrijven wat de opbouw van het huidige periodiek systeem is; • de laatste ontwikkelingen in het periodiek systeem te benoemen. Wereldoorlog werkte hij in de Verenigde Staten mee aan de ontwikkeling van de atoombom. Als eerbetoon voor alle bijdragen die Bohr aan de scheikunde en natuurkunde heeft geleverd, is er een atoomsoort naar hem vernoemd: Bohrium, Bh. ▼ tabel 2 de elektronenschillen van het atoommodel van Bohr met hun maximale aantallen elektronen schil elektronen K 2 L 8 M 18 Het niveau van een beschaving hangt in grote mate samen met het beheersen van chemische Elke processen, zoals het winnen van ijzer, het stoken van alcohol, de productie vantheorieparagraaf cement en beton en het zieden van zeep. Toch duurde het tot ver in de negentiende start eeuw voordat wetenmet een opsomming schappers begonnen te begrijpen hoe deze technieken werken. Met de ontwikkeling van het van de leerdoelen. atoommodel vielen vele puzzelstukjes op hun plaats. James Chadwick, een leerling van Rutherford, ontdekte in 1932 het neutron waarmee het atoommodel compleet is. Het atoommodel beschrijft een atoom dat bestaat uit negatief geladen elektronen die in banen om een kleine kern van positief geladen protonen en neutrale neutronen heen cirkelen (tabel 3). Scheikunde vroeger en nu ▼ tabel 3 lading en massa van de bouwstenen van atomen Een van de eerste wetenschappers die een theorie opstelde over de eigenschappen van stoffen en de opbouw ervan, was Demokritos (circa 460–370 v.Chr.). Hij stelde dat materie niet eindeloos kan worden opgedeeld, maar dat je uiteindelijk bij een kleinste deeltje uitkomt dat niet langer deelbaar is. Dit deeltje noemde hij atoom, van het Griekse atomos: ondeelbaar. Het is haast onvoorstelbaar hoe dicht deze ruim tweeduizend jaar oude theorie bij de moderne scheikunde staat. Er zijn op dit moment (2016) 118 atoomsoorten bekend. De laatste paar zijn nog maar heel kort geleden ontdekt. Van deze 118 atoomsoorten komen er 92 in de natuur voor. De andere zijn de mens gemaakt. 1897 1911 1914 1932 Demokritos Thomson Rutherford Bohr Chadwick Dalton – + – + – – + + – – – + + + + + – – – + + + + + K-schil + + M-schil L-schil + + – + – – – – – – Ontwikkeling van het atoommodel In tabel 1 is de ontwikkeling van het atoommodel in de tijd weergegeven. Na Demokritos spreekt Dalton pas in 1808 weer over atomen als harde, ondeelbare deeltjes. Wanneer Thomson in 1897 het elektron ontdekt, betekent dit het einde van deze theorie. Als er negatief geladen deeltjes kunnen worden vrijgemaakt uit neutrale materie, dan moeten er ook positief geladen deeltjes bestaan. Ernest Rutherford stelde in 1911 experimenteel vast dat een atoom is opgebouwd uit een positieve kern met daaromheen een negatief geladen elektronenwolk. Niels Bohr verfijnde dit model door de elektronen een vaste baan rond de kern toe te kennen. Door dit te doen, kon hij een aantal niet eerder te verklaren verschijnselen uitleggen. Hij noemde deze banen elektronenschillen. Hoe verder een schil zich van de kern bevindt, hoe meer elektronen hij kan bevatten. In de eerste (K), de tweede (L) en de derde (M) schil passen respectievelijk twee, acht en achttien elektronen (tabel 2). Bohr ontving voor zijn werk in 1922 de Nobelprijs voor de Natuurkunde. Bohr was niet alleen een briljant theoreticus, in de Tweede 10 plaats lading (e) massa (u) proton (p +) atoomkern 1+ 1,0073 neutron (n) atoomkern 0 1,0087 elektron (e –) elektronenwolk 1– 0,000 55 De lading van een proton en elektron is zo klein dat het niet zinvol is om deze uit te drukken in de gebruikelijke eenheid voor lading: coulomb. De lading van een proton en een elektron is de kleinst mogelijke lading die kan voorkomen. Deze waarde wordt daarom het elementair ladingskwantum e genoemd. Een elementair ladingskwantum is gelijk aan 1,60∙10–19 C (Binas tabel 7A). ▼ tabel 1 de ontwikkeling van het atoommodel in de tijd circa 450 v.Chr. 1808 deeltje Atoomnummer en massagetal elektron proton neutron Het aantal protonen dat zich in de kern van een atoom bevindt, bepaalt de identiteit van het atoom. Dit aantal wordt het atoomnummer genoemd en wordt meestal links onder het atoomsymbool geplaatst, bijvoorbeeld 8O. Het aantal elektronen in een atoom is gelijk aan het aantal protonen, want een atoom is elektrisch neutraal. Het aantal protonen verandert bij een chemische reactie nooit. Behalve protonen bevinden zich in de kern ook neutronen. Deze bepalen mede de massa van het atoom, maar hebben geen invloed op de chemische eigenschappen. Van de meeste atoomsoorten bestaan meerdere isotopen. Isotopen zijn atomen die hetzelfde aantal protonen in de kern hebben, maar een verschillend aantal neutronen. Isotopen worden van elkaar onderscheiden door het massagetal: de som van het aantal protonen en neutronen dat zich in de kern van een atoom bevindt. Dit massagetal staat vaak links boven het atoomsymbool, maar wordt er ook wel achter geplaatst: 16O of O-16. De isotopen van de verschillende atoomsoorten zijn vermeld in Binas tabel 25A. In deze tabel staan onder meer het atoomnummer, het massagetal en het voorkomen in de natuur van de isotopen. Wanneer er geen percentage staat vermeld bij voorkomen in de natuur, dan is deze isotoop kunstmatig gemaakt. Voor atomen geldt: atoomnummer = aantal protonen = aantal elektronen massagetal = aantal protonen + aantal neutronen 11 THEORIE • HOOFDSTUK 1 CHEMISCH REKENEN THEORIE REKENEN THEORIE••HOOFDSTUK HOOFDSTUK1 1CHEMISCH ZUUR-BASE Voorbeeldopgave 1 Beschrijf volgens het atoommodel van Bohr de atoombouw van een 37 17Cl-atoom. Uitwerking 37 17Cl heeft atoomnummer 17. Het aantal protonen in de atoomkern is gelijk aan het atoomnummer. 37 17Cl heeft dus 17 protonen. Cl heeft het massagetal 37. massagetal = aantal protonen + aantal neutronen Invullen geeft: 37 = 17 + aantal neutronen. Er zijn dus 20 neutronen aanwezig in 37 17Cl. In de natuur komen van bijna alle atomen verschillende isotopen naast elkaar voor. Hierdoor is het gewogen gemiddelde van de atoommassa van een element vrijwel nooit gelijk aan de atoommassa van een enkele isotoop. De relatieve atoommassa A is een gewogen gemiddelde van de atoommassa’s van de verschillende isotopen. A is afhankelijk van de verhouding waarin de verschillende isotopen in de natuur voorkomen. Deze staan vermeld in Binas tabel 25A. In het periodiek systeem in Binas tabel 99 is de relatieve atoommassa van elk element vermeld. Voorbeeldopgave 2 37 17 Bereken de relatieve atoommassa van Cl. aantal elektronen = aantal protonen Uitwerking In Binas tabel 25A vind je: 35 Cl 34,968 85 u 75,78% 37 Cl 36,965 90 u 24,22% Er zijn dus 17 elektronen die als volgt over de schillen zijn verdeeld: K-schil: 2 L-schil: 8 M-schil: 7 De relatieve atoommassa is dan: 0,7578 × 34,968 85 + 0,2442 × 36,965 90 = 35,45 u. Deze waarde komt overeen met de relatieve atoommassa van 35,45 u die in Binas tabel 99 is gegeven. Het atoom 37 17Cl ziet er als volgt uit: Periodiek systeem der elementen Omdat er steeds meer elementen werden ontdekt, wilden wetenschappers ze systematisch kunnen rangschikken. Met alleen kennis van de atoommassa’s en de chemische eigenschappen was dat nog een hele klus. In de tweede helft van de negentiende eeuw waren er 56 elementen bekend. Verschillende wetenschappers waren ervan overtuigd dat er een ordening in de elementen moest kunnen worden aangebracht. Mendelejev was de eerste die met een overtuigend systeem kwam. Hij rangschikte de elementen naar oplopende atoommassa en naar eigenschappen van het element. Opzienbarend was het feit dat hij plekken openliet voor elementen die nog moesten worden ontdekt en waarvan hij de eigenschappen nauwkeurig voorspelde. Met de ontdekking van het element germanium, dat Mendelejev als eka-silicium had beschreven, kwam de erkenning dat zijn systeem juist was (tabel 4). Zijn periodiek systeem der elementen werd wereldwijd aanvaard. ▼ tabel 4 de voorspellingen van Mendelejev en de werkelijke eigenschappen van germanium kern Cl-37: 17 p+ en 20 n ▲ de atoombouw van Cl volgens het atoommodel van Bohr 37 17 Atoommassa Omdat de massa van atomen heel klein is, wordt de atomaire massa-eenheid u gebruikt. De precieze waarde van de atomaire massa-eenheid is als volgt gedefinieerd: 1u= 1 van de massa van één 126C-atoom; dit is gelijk aan 1,66∙10–27 kg (Binas tabel 7B). 12 Omdat in werkelijkheid de massa van een neutron en een proton niet precies gelijk is aan 1,0 u en de massa van de elektronen, hoe klein ook, wel meetelt, is de atoommassa niet gelijk aan het massagetal. In Binas tabel 25A vind je de atoommassa’s van de verschillende isotopen in vijf decimalen nauwkeurig. 12 eigenschap eka-silicium, voorspeld in 1871 germanium, ontdekt in 1886 atoommassa 72 u 72,3 u dichtheid 5,5 g cm–3 5,47 g cm–3 formule oxide XO2 GeO2 dichtheid oxide 4,7 g cm kookpunt chloride < 100 °C 4,703 g cm–3 –3 86 °C Perioden en groepen In het huidige periodiek systeem staan elementen in volgorde van atoomnummer van links naar rechts in perioden gerangschikt (figuur 1). Elke periode komt overeen met een schil volgens het atoommodel van Bohr. Naarmate het atoomnummer toeneemt, worden de perioden van het periodiek systeem steeds breder doordat het aantal elektronen in de opeenvolgende schillen toeneemt. Elementen met vergelijkbare eigenschappen staan onder elkaar in groepen. 13 THEORIE • HOOFDSTUK 1 CHEMISCH REKENEN THEORIE REKENEN THEORIE••HOOFDSTUK HOOFDSTUK1 1CHEMISCH ZUUR-BASE De eigenschappen, zoals reactiviteit, worden bepaald door het aantal elektronen in de buitenste schil: de valentie-elektronen. De elementen met hetzelfde aantal valentie-elektronen hebben dus overeenkomstige chemische eigenschappen. De verdeling van de elektronen over de schillen noemen we de elektronenconfiguratie. groep 3 11 Natrium 4 39,10 85,47 55 132,9 40,08 44,96 22 47,90 Calcium 38 87,62 Strontium 56 137,3 Scandium 39 88,91 Y Yttrium 57 138,9 Titaan 40 91,22 23 Silicium V Vanadium 41 92,91 24 52,01 25 54,94 26 55,85 17 B Boor 13 26,98 27 58,93 28 58,71 29 63,54 6 12,01 C Koolstof 14 28,09 Al Si 30 65,37 31 69,72 7 14,01 N Stikstof 15 Silicium 32 72,59 30,97 P Fosfor 33 74,92 8 16,00 O 72 178,5 Niobium 73 181,0 9 19,00 4,003 16 32,06 S Zwavel 34 78,96 10 De elementen van de niet-metalen zijn vaak gasvormig bij kamertemperatuur. Ze staan, op waterstof na, rechts in het periodiek systeem. De moleculen van een aantal niet-metalen zijn vaak ongelijk aan de atoomsoort, omdat ze zijn opgebouwd uit twee dezelfde atomen (tabel 5). Met het element stikstof kan dus zowel de niet-ontleedbare stof N2(g) als de atoomsoort N worden bedoeld. ▼ tabel 5 molecuulformules van niet-ontleedbare stoffen die bestaan uit twee dezelfde atomen 20,18 F Ne Zuurstof Fluor 17 Neon 35,45 18 39,95 Cl Ar Chloor 35 Argon 79,90 36 83,80 Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Chroom 42 95,94 Mangaan 43 (98) IJzer 44 101,1 Kobalt 45 102,9 Nikkel 46 106,4 Koper 47 107,9 Zink 48 112,4 Gallium 49 114,8 Germanium 50 118,7 Arseen 51 121,8 Seleen 52 127,6 Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te Zirkonium 18 16 Helium 5 symbool zwart vast blauw vloeistof rood gas (119) onontdekt naam 50,94 15 He 10,81 Aluminium 21 14 2 Magnesium 20 13 28,09 Si edelgassen 12 Molybdeem 74 183,8 Technetium 75 186,2 Ruthenium 76 190,2 Rhodium 77 192,2 Palladium 78 195,1 Zilver 79 197,0 Cadmium 80 200,6 Indium 81 204,4 Tin 82 Antimoon 207,2 83 209,0 Broom 53 Telluur 84 (210) Krypton 126,9 I Jood 85 54 131,3 Xe Xenon (210) 86 (222) Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Cesium 87 7 24,31 Rb Sr Rubidium 6 12 11 atoommassa 14 niet-metalen K Ca Sc Ti Kalium 37 atoomnummer andere metalen Beryllium Na Mg 19 5 4 10 (223) Barium 88 226,0 Lanthaan 89 227,0 Hafnium 104 (267) Tantaal 105 (268) Wolfraam 106 (269) Renium 107 (270) Osmium 108 (269) Iridium 109 (278) Platina 110 (281) Goud 111 (281) Kwik 112 (285) Thallium 113 (286) Lood 114 (289) Bismut 115 (288) Polonium 116 (293) Astaat 117 Radon (294) 118 (294) Fr Ra Ac Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og Francium Radium Actinium Rutherfordium Dubnium Seaborgium Bohrium Hassium Meitnerium Darmstadtium Roentgenium Copernicium Nihonium Flerovium Moscovium Livermorium Tennessine 3 22,99 9 overgangsmetalen 9,01 Li Be Lithium 8 Oganesson 140,1 59 140,9 60 144,2 61 146,9 62 150,4 63 152,0 64 157,2 65 158,9 66 162,5 67 164,9 68 167,3 69 168,9 70 173,0 71 175,0 Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Cerium 90 232,0 Praseodynium 91 231,0 Neodynium 92 238,0 Promethium 93 237,0 Samarium 94 239,0 Europium 95 241,1 Gadolinium 96 247,1 Terbium 97 249,1 Dysprosium 98 251,1 Holmium 99 254,1 Erbium 100 257,1 Thulium 101 258,1 Ytterbium 102 255 Lutetium 103 257 Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Thorium Protactinium Uraan Neptunium Plutonium Americium Curium Berkelium Californium Einsteinium Fermium Mendelevium Nobelium Lawrencium (122-153) element molecuulformule fluor F2(g) chloor Cl 2(g) broom Br 2(l) jood I2(s) zuurstof O2(g) stikstof N2(g) waterstof H2(g) (119) (120) (121) 58 Het periodiek systeem kan grofweg worden opgedeeld in twee groepen atoomsoorten: de metalen en de niet-metalen. Dit is met kleuren aangegeven in figuur 1. Voor metalen geldt dat de atoomsoort en de niet-ontleedbare stof dezelfde formule hebben. Zowel de niet-ontleedbare stof ijzer als de atoomsoort ijzer wordt aangeduid met hetzelfde symbool: Fe(s) en Fe. De metalen staan in het midden en links in het periodiek systeem en hebben vergelijkbare eigenschappen. Zo zijn de stoffen ijzer en zilver allebei glanzend en geleiden ze stroom en warmte goed. 2 7 aardalkalimetalen Waterstof 6,94 6 H 1 5 4 alkalimetalen 3 2 1,008 Metalen en niet-metalen periode 1 1 Nieuwe elementen Halverwege de twintigste eeuw waren er 92 elementen bekend. Inmiddels zijn er 118 elementen bekend. De elementen met een atoomnummer groter dan uranium (atoomnummer 92) zijn synthetische elementen (geen natuurlijke elementen). Deze zwaardere elementen kunnen alleen kunstmatig worden verkregen in een deeltjesversneller (figuur 2). Hierin worden elementen beschoten met geladen atomaire deeltjes. Op deze manier kan er een nieuw element ontstaan. ▲ figuur 1 het huidige periodiek systeem der elementen De elementen in groep 18 zijn de edelgassen. Toen Mendelejev bezig was met het opstellen van zijn periodiek systeem, waren deze gassen nog niet ontdekt. De edelgassen zijn pas laat ontdekt, omdat ze niet of nauwelijks reageren met andere stoffen. Het eerste edelgas dat bij toeval werd ontdekt, noemde men om die reden argon, naar het Griekse argos, dat lui betekent. Het gebrek aan reactiviteit van de edelgassen betekent dat ze zeer stabiel zijn. Als je de opbouw van de elektronenwolk van edelgassen volgens het atoommodel van Bohr bekijkt, dan blijkt dat edelgassen steeds twee of acht elektronen in de buitenste schil hebben. Blijkbaar zorgt deze elektronenconfiguratie, de edelgasconfiguratie, voor veel stabiliteit. Dit verklaart ook de reactiviteit van elementen uit andere groepen. Van de elementen in groep 17, de halogenen, is bekend dat ze gemakkelijk met metalen reageren en daarbij een elektron opnemen. Deze elementen bereiken de stabiele edelgasconfiguratie door een extra elektron aan hun buitenste schil toe te voegen. De metalen in groep 1, de alkalimetalen, reageren heftig met water en halogenen; daarbij staan de deeltjes een elektron af aan de halogenen. Het ontstane deeltje is juist heel stabiel doordat het nu dezelfde elektronenconfiguratie heeft als een edelgas. De aardalkalimetalen in groep 2 krijgen de edelgasconfiguratie als ze twee elektronen afstaan. 14 ◀ 15 figuur 2 de 27 km lange deeltjesversneller in het internationale onderzoekslaboratorium CERN in Zwitserland THEORIE • HOOFDSTUK 1 CHEMISCH REKENEN THEORIE REKENEN THEORIE••HOOFDSTUK HOOFDSTUK1 1CHEMISCH ZUUR-BASE De eerste kunstmatige elementen, neptunium en plutonium, werden in 1940 in het onderzoek naar kernreacties voor atoombommen geproduceerd. Sinds die tijd zijn er dankzij nieuwe apparatuur nog vele elementen bij gekomen. In januari 2016 werd het bestaan van de elementen 113, 115, 117 en 118 bevestigd. Daarmee is periode 7 van het periodiek systeem volledig gevuld. Inmiddels hebben de nieuwe elementen een naam en symbool: element 113 heet nihonium met symbool Nh, element 115 heet moscovium met symbool Mc, element 117 heet tennessine met symbool Ts en element 118 heet oganesson met symbool Og (figuur 1). De elementen vanaf atoomnummer 99 hebben slechts een heel korte levensduur. Ze vallen vrijwel meteen na hun ontstaan in veel stabielere kleinere elementen uiteen. Deze ‘superzware’ elementen komen dan ook niet buiten het laboratorium voor. De stabiliteit is uit te drukken in de halveringstijd, ook wel halfwaardetijd Aan genoemd. is de van tijd waarin de helft van de het Dit einde elke theorieparagraaf een beginhoeveelheid is omgezet. De halveringstijd van een element varieert van miljarden jaren tot korte samenvatting met de kern van de lesstof. enkele microseconden. Instabiele elementen zijn radioactief: bij het verval van deze elementen wordt radioactieve straling uitgezonden. Onthoud! • Een atoom bestaat uit een atoomkern die protonen en neutronen bevat, met daaromheen een elektronenwolk met daarin de elektronen. • Isotopen hebben hetzelfde atoomnummer, maar een verschillend massagetal. • Elementen worden naar atoomnummer en chemische eigenschappen in het periodiek systeem gerangschikt weergegeven. • De elektronen in de buitenste schil heten de valentie-elektronen. • Elementen met een atoomnummer groter dan 92 zijn synthetische elementen. Opdrachten 1 Atoombouw Maak bij deze opdracht gebruik van Binas tabel 25A en 99. Leg steeds uit hoe je aan je antwoord komt. a Hoeveel protonen heeft een neonatoom? b Hoeveel elektronen heeft een zilveratoom? c Hoeveel neutronen heeft O-18? d Van welk(e) element(en) bestaan atomen met 23 protonen? e Van welk(e) element(en) bestaan atomen met massagetal 109? 4 Eigenschappen Alle opgaven zijn ingedeeld naar taxonomie In het periodiek systeem staan elementen met vergelijkbare eigenschappen onder elkaar. (in de digitale leeromgeving). Voor welke groepen gaat dat niet helemaal op? Licht je antwoord toe. 5 Mendelejev Aanvankelijk had Mendelejev grote moeite met de plaatsing van het element telluur (Te). Hij voorspelde zelfs dat de atoommassa van telluur waarschijnlijk moest worden aangepast tot ergens tussen de 123 en 126 u. a Raadpleeg Binas tabel 99 en leg uit waar Mendelejev twijfels over had. b Welke ontdekking maakte een einde aan Mendelejevs probleem? 6 Atoommodellen In het begin van de twintigste eeuw is de wetenschap erin geslaagd twee belangrijke eigenschappen van atomen te achterhalen: (1) ze bevatten elektronen en (2) ze zijn elektrisch neutraal. Thomson stelde daarop het volgende atoommodel voor: een atoom bestaat uit een bol positief geladen materie met daarop ingebedde elektronen. Zijn atoommodel kreeg algauw de bijnaam ‘het plumpuddingmodel’, naar een traditioneel Engels toetje met rozijnen. a Maak een tekening van een fluoratoom volgens het model van Thomson. Rutherford, een studiegenoot van Thomson, deed in 1910 onderzoek naar de structuur van atomen. Hij nam een dun blaadje goudfolie en liet er a-straling op vallen. Met behulp van fotogevoelige film detecteerde hij vervolgens hoe de baan van de a-deeltjes (He2+) werd beïnvloed door het goudfolie (figuur 3). Uitgaande van het model van Thomson verwachtte hij te meten dat de deeltjes allemaal een beetje zouden worden afgebogen door de zachte bol materie van de goudatomen. Tot zijn verbazing nam hij echter iets heel anders waar, wat hem deed besluiten Thomsons atoommodel aan te passen. Het atoommodel van Rutherford wordt tot op de dag van vandaag als het juiste verondersteld: een kleine positief geladen kern waarin zich bijna alle massa bevindt, met daaromheen een nagenoeg lege ruimte waarin zich de vrijwel massaloze elektronen bevinden (elektronenwolk). In figuur 3 staat de opstelling van Rutherfords experiment weergegeven. goudfolie bron van de α-straling bundel α-straling 2 Isotopen Om aan te geven welke specifieke isotoop wordt bedoeld, zijn twee notaties in symbolen mogelijk. a Hoeveel neutronen bevat Kr-82? b Hoeveel neutronen bevat 31Si? c Geef beide notaties voor stikstof met massagetal 15. d Beschrijf volgens het atoommodel van Bohr de bouw van het koolstofatoom C-14. fotogevoelige film loden scherm 3 Periodiek systeem In het periodiek systeem zijn de elementen in groepen en perioden gerangschikt. Gebruik bij deze opdracht Binas tabel 99. a Geef de symbolen van alle elementen in groep 10. b Geef de symbolen van alle elementen in periode 3. c Hoe heten de elementen in groep 17? d In welke groep staan de edelgassen? e Welke periode bevat geen metalen? 16 ▲ figuur 3 de opstelling van het experiment van Rutherford b Teken Rutherfords atoommodel van fluor naast dat van Thomson. c Neem figuur 3 over en geef met rood aan waar Rutherford op basis van Thomsons atoom model verwachtte dat de a-deeltjes terecht zouden komen. 17 THEORIE • HOOFDSTUK 1 CHEMISCH REKENEN THEORIE REKENEN THEORIE••HOOFDSTUK HOOFDSTUK1 1CHEMISCH ZUUR-BASE d De a-deeltjes kwamen echter op heel andere plaatsen terecht. Uit het atoommodel dat Rutherford later opstelde, kun je opmaken waar ze ongeveer terechtkwamen, door te voorspellen wat er gebeurt met a-deeltjes die op verschillende plekken op zo’n atoom botsen. Geef met zwart aan waar de a-deeltjes daadwerkelijk terechtkwamen. Het atoommodel van Rutherford werd verder verfijnd door Niels Bohr. Door zijn aanpassing konden nog meer experimentele waarnemingen worden verklaard. e Welke aanpassing maakte Bohr? f Maak een tekening van het fluoratoom volgens het atoommodel van Bohr. 7 Groep 18 Vanaf het moment dat men argon had ontdekt, werden de andere elementen van groep 18 ook vrij snel ontdekt. Men wist immers precies naar welk type elementen men moest zoeken. Beschrijf zo nauwkeurig mogelijk de eigenschappen van het element dat men zocht om in groep 18 direct boven argon te zetten. 8 Isotopen van broom Van de atoomsoort broom komen twee isotopen voor in de natuur (tabel 6). Leg uit wat het verschil in atoombouw is tussen 79Br en 81Br. ▼ tabel 6 broomisotopen in de natuur broomisotoop relatief voorkomen in de natuur massa (u) 79 Br 50,7% 78,92 81 Br 49,3% 80,92 ▼ tabel 7 relatief voorkomen van zeldzame aardmetalen in basnariet zeldzaam aardmetaal aandeel cerium 48,8% lanthanium 34,0% neodymium 11,7% praseodymium 4,2% samarium 0,79% d Van de actiniden komen maar twee elementen van nature voor op aarde. Zoek met behulp van Binas tabel 25 uit welke dat zijn. De halveringstijd van 238U is 4,47∙109 jaar. Dat betekent dat elke 4,47∙109 jaar de hoeveelheid 238U is gehalveerd. Na vier keer de halveringstijd is nog slechts 1 2 4 = 0,0625 van de oorspronkelijke hoeveelheid van het isotoop over, dat is minder dan 7%. Men sluit niet uit dat sommige actiniden wel op aarde voor zijn gekomen, maar zijn ‘uitgestorven’. De leeftijd van de aarde wordt geschat op 4,65 miljard jaar. e Zoek in Binas tabel 25 de halveringstijd van 244Pu op. f Stel dat er aanvankelijk een aanzienlijke hoeveelheid 244Pu op aarde voorkwam. Is het dan aannemelijk dat deze inmiddels helemaal is vervallen? Licht je antwoord toe met een berekening. Meer oefening nodig? Ga naar de V-trainer. 11 Radioactieve isotopen 9 Isotopen van boor Plusopgaven voor extra diepgang. Van boor bestaan op aarde twee stabiele isotopen. B-10 komt op aarde 19,9% voor. Bereken met behulp van Binas tabel 99 het massagetal van de tweede isotoop. De enige isotoop van goud die in de natuur voorkomt, is 197Au. Voor kankeronderzoek wordt de radioactieve isotoop Au-195 gebruikt. Deze synthetische isotoop wordt gemaakt in de kernreactor in Petten (figuur 4). *10 Lanthaniden en actiniden De lanthaniden en actiniden zijn twee series elementen die altijd onder het periodiek systeem staan en nooit op hun plaats tussen groep 3 en 4. a Hoeveel groepen zou het periodiek systeem bevatten als de lanthaniden en actiniden wel op hun plaats zouden staan? Licht je antwoord toe. b Alhoewel de lanthaniden in dezelfde periode staan, gedragen ze zich als een groep: ze hebben vergelijkbare chemische eigenschappen. Leg met behulp van Binas tabel 99 uit hoe dat komt. De lanthaniden behoren alle tot de elementen die worden aangeduid als de zeldzame aardmetalen. De metalen zijn onmisbaar bij het maken van hightechapparaten zoals mobiele telefoons. Anders dan de naam doet vermoeden, zijn de elementen niet zozeer zeldzaam als wel moeilijk zuiver in handen te krijgen. Zeldzame aardmetalen worden onder andere gewonnen uit het mineraal basnariet (tabel 7). c Leg uit waarom het zo lastig is de lanthaniden uit dit erts zuiver in handen te krijgen. ▲ figuur 4 de kernreactor van Petten 18 19 THEORIE • HOOFDSTUK 1 CHEMISCH REKENEN THEORIE REKENEN THEORIE••HOOFDSTUK HOOFDSTUK1 1CHEMISCH ZUUR-BASE a Geef de overeenkomsten en de verschillen in atoombouw tussen Au-195 en Au-197. b De radioactieve isotoop 195Au ontstaat uit een ander element. In dit element fuseren een elektron en een proton samen tot een neutron. Hierbij wordt het 195Au-isotoop gevormd. Beschrijf de atoombouw van het element waaruit de 195Au-atomen worden gevormd. Jaarlijks worden bij meer dan tien miljoen mensen radioactieve isotopen bij de behandeling van ziekten gebruikt. Deze radioactieve isotopen zijn in de kernreactor van Petten gemaakt. De kernreactor zou al in 2014 worden gesloten. De reactor is vijftig jaar oud en aan vervanging toe. Er zijn op dit moment echter nog geen alternatieve producenten van deze radioactieve isotopen. Een mogelijke oplossing is een grootschalige renovatie. Dit is een dure en tijdelijke oplossing. Deze is echter wel op korte termijn noodzakelijk. De reactor wordt in verband met een gebrek aan veiligheid en een verhoogd risico regelmatig stilgelegd. Mede hierdoor is de productie van de isotopen voor nucleaire therapie achteruitgegaan. Bij de productie van deze isotopen ontstaat veel radioactief afval. Dat moet vele jaren onder de grond worden opgeslagen. c Leg uit of je de productie van de radioactieve isotopen belangrijk genoeg vindt om de reactor in Petten open te houden. Wanneer wordt gesproken over 1,00 mol stof, worden 6,02∙1023 deeltjes bedoeld. Dus 1,00 mol water bestaat uit 6,02∙1023 watermoleculen en 1,00 mol ijzer bestaat uit 6,02∙1023 ijzeratomen. Het getal 6,02∙1023 wordt de constante van Avogadro NA genoemd (Binas tabel 7A). In figuur 5 is schematisch weergegeven hoe je het aantal deeltjes, N, kunt omrekenen naar het aantal mol en omgekeerd. × NA n (hoeveelheid stof) : NA N (aantal deeltjes) ▲566688-01-02-06 figuur 5 omrekenen van het aantal mol naar het aantal deeltjes en andersom Je kunt dit ook in formules opschrijven: N NA N = n ∙ NA of n = Hierin is: • N het aantal deeltjes; • NA de constante van Avogadro, 6,02∙1023; • n de hoeveelheid stof, het aantal mol. Molaire massa Het gebruik van de mol maakt het rekenen aan een chemische reactie een stuk eenvoudiger. Met de molaire massa M, de massa van 1 mol stof, kan een hoeveelheid massa worden omgerekend tot het aantal mol stof. De molecuulmassa van water, H2O, is: 2 × 1,008 + 16,00 = 18,016 u. Dan is de massa van één mol water 18,016 g. De molaire massa M(H2O) is 18,016 g mol–1. 2 De hoeveelheid stof In deze paragraaf leer je: • de relatie tussen de mol en de constante van Avogadro te gebruiken; • de molaire massa met behulp van de relatieve atoommassa’s te berekenen; • de verbanden te gebruiken die er zijn tussen de hoeveelheid stof, het aantal deeltjes, massa en volume. In figuur 6 is schematisch weergegeven hoe je van massa kunt omrekenen naar aantal mol en omgekeerd. De massa’s van atomen en moleculen druk je uit in units. Er passen ontzettend veel units in een gram. Zo veel dat, als je wilt praten over aantallen deeltjes, termen als miljoen en miljard niet volstaan. Een nieuwe internationale omrekenfactor, de hoeveelheid stof met als eenheid de mol, biedt uitkomst. Molecuulmassa :M m (massa) ×M n (hoeveelheid stof) ▲ figuur 6 omrekenen van massa naar mol en omgekeerd Met behulp van de relatieve atoommassa’s wordt de relatieve molecuulmassa Mr berekend. De relatieve molecuulmassa is gelijk aan de som van de relatieve atoommassa’s van de atomen waaruit het molecuul is opgebouwd. De relatieve atoommassa’s kun je vinden in Binas tabel 99. Je kunt dit ook in formules opschrijven: De mol Hierin is: • m de massa in gram; • n de hoeveelheid stof, het aantal mol; • M de molaire massa in g mol–1. Bij reacties maak je gebruik van de deeltjesverhouding in de reactievergelijking. Daarom werk je vaak met molecuulmassa’s. Alleen is de atomaire massa-eenheid u daarbij minder goed bruikbaar. Je werkt in de praktijk bij reacties meestal met gram en soms met kilogram. In de scheikunde wordt daarom internationaal gebruikgemaakt van een andere manier om de hoeveelheid aan te geven, namelijk de hoeveelheid stof n, ook wel chemische hoeveelheid genoemd. Deze chemische hoeveelheid is een grootheid om het aantal atomen en moleculen uit te drukken. De eenheid waarin dit wordt gegeven, is de mol. De mol behoort tot de SI-eenheden, het Internationale Stelsel van Eenheden (Binas tabel 3A). Een mol lijkt op een dozijn. Het zijn allebei een hoeveelheid deeltjes. De hoeveelheden zijn niet afhankelijk van het soort deeltjes, deze staan vast. Een dozijn komt overeen met twaalf deeltjes. 20 m = n ∙ M of n = m M 21 THEORIE • HOOFDSTUK 1 CHEMISCH REKENEN THEORIE REKENEN THEORIE••HOOFDSTUK HOOFDSTUK1 1CHEMISCH ZUUR-BASE Voorbeeldopgave 3 Bereken het aantal mol methaan in 10,0 g methaan, CH4(g). Voorbeeldopgaven met duidelijke oplosstrategie. Uitwerking De massa is gegeven. Eerst moet het aantal mol met behulp van de molaire massa worden uitgerekend. De molaire massa van methaan wordt berekend met behulp van Binas tabel 99. Hij is ook opgenomen in Binas tabel 98. M(CH4) = 12,01 + 4 × 1,008 = 16,042 g mol–1 Het aantal mol kan worden berekend met n = m 10,0 , invullen geeft n = = 0,623 mol CH4(g). M 16,042 Dit is gelijk aan 0,80 g mL–1. Invullen geeft: V= 92,136 = 115 = 1,2∙102 mL ethanol 0,80 Onthoud! • Atomen hebben een atoommassa die wordt uitgedrukt in de atomaire massa-eenheid u. • De molecuulmassa is de som van de relatieve atoommassa’s van alle atomen in een molecuul. • Je rekent bij reacties met het begrip hoeveelheid stof n met de mol als eenheid. • Dichtheid is de massa per volume stof. 10,0 g methaan komt dus overeen met 0,623 mol CH4(g). Opdrachten Dichtheid Wanneer stoffen zich in de vloeibare fase of gasfase bevinden, is het soms praktischer om de hoeveelheid stof niet uit te drukken in massa of hoeveelheid stof, maar in volume. Een volume stof kan worden omgerekend naar massa door gebruik te maken van de dichtheid r: ρ = m V De SI-eenheid van de dichtheid is kg m–3. De dichtheid is afhankelijk van de temperatuur. In Binas tabel 8 tot en met 12 staan de dichtheden van een aantal veelgebruikte stoffen bij kamertemperatuur. Wanneer je een volume wilt omrekenen in het aantal mol, dan moet je eerst het volume omrekenen in massa. In figuur 7 staan alle omrekenstappen samengevat in één blokschema. V (volume) ×p :p m (massa) :M ×M n (hoeveelheid stof) × NA : NA N (aantal deeltjes) ▲ figuur 7 alle rekenstappen in één blokschema 12 Molaire massa Bereken de molaire massa van: a kopercarbonaat, CuCO3(s). b glycerol, C3H8O3(l). c kaliumfosfaat, K3PO4(s). d chloor, Cl2(g). 13 Aantal deeltjes Gebruik figuur 7 bij de beantwoording van de volgende vragen. a Bereken de massa in gram van 3,06∙1020 mangaanatomen. b Bereken hoeveel joodmoleculen zich in een joodkristal van 1,3 g bevinden. 14 Massa Bereken de massa in gram van: a 3,3 mol zuurstofatomen. b 3,3 mol zuurstof. c 3,3 mol water. 15 Chemische hoeveelheid Voorbeeldopgave 4 Bereken het volume van 2,0 mol ethanol, C2H6O(l), in milliliter (mL). Uitwerking Gegeven is het aantal mol. Om het volume te kunnen berekenen, moet eerst de massa worden berekend. Gebruik de formule m = n ∙ M. M(C2H6O) = 46,068 g mol–1 (Binas tabel 98) Invullen geeft: m = 2,0 × 46,068 = 92,136 g C2H6O Vervolgens kan het volume worden berekend. Gebruik de formule V = Bereken de chemische hoeveelheid van: a 16,0 g goud. b 0,067 mg zwaveldioxide, SO2(g). c 7,45 kg dichloormethaan, CH2Cl2(l). 16 Aantal mol Met de Bereken hoeveel mol chlooratomen zichV-trainers bevinden in: in de digitale leeromgeving a 1,2 g chloor. slijpen leerlingen hun vaardigheden in. b 1,2 g waterstofchloride. c 1,2 g tetrachloormethaan, CCl4(l). Meer oefening nodig? Ga naar de V-trainer. m ρ De dichtheid van ethanol staat in Binas tabel 11; deze is 0,80∙103 kg m–3. 22 23 THEORIE • HOOFDSTUK 1 CHEMISCH REKENEN THEORIE REKENEN THEORIE••HOOFDSTUK HOOFDSTUK1 1CHEMISCH ZUUR-BASE 17 Molaire massa van een element De atoommassa van een bepaald element is 1,71∙10–22 g. Hoe groot is de molaire massa van dit element? A 101 g mol–1 B 103 g mol–1 Integratie van opgaven C 105 g mol–1 uitDChemieolympiade. 107 g mol–1 18 De aarde De massa van de aarde bedraagt ongeveer 5 976 000 000 000 000 000 000 000 kg. a Geef deze massa in gram. Gebruik machten van 10. Bewegingen van vloeibare metalen, met name ijzer, in de buitenkern van de aarde veroorzaken het magnetisch veld van de aarde. Door de hoge druk is de binnenkern vast. Men schat dat 35% van de massa van de aarde uit ijzer bestaat. b Bereken hoeveel mol ijzer zich op en in de aarde bevindt. c Hoeveel ijzeratomen zijn dat? d Bereken hoeveel afstand er dan zou worden afgelegd indien al deze ijzeratomen als een snoer op een rij liggen. Gebruik hiervoor een gegeven uit Binas tabel 40A. e De afstand van ons zonnestelsel tot de dichtstbijzijnde ster bedraagt 4,22 lichtjaar. De lichtsnelheid bedraagt 3,00∙108 m s–1. Komt het ijzersnoer zo ver? Het is bij mengsels handig om uit te kunnen drukken hoe groot het gehalte van de verschillende stoffen in het mengsel is. Afhankelijk van de aard van het mengsel kan dat op verschillende manieren. De significantie waarin je deze gehaltes aangeeft, is afhankelijk van hoe nauwkeurig het gebruikte glaswerk is geweest. Samenstelling van mengsels Het gehalte van een stof in een mengsel kun je uitdrukken in massa-eenheden. Het gaat dan om het aantal delen dat de stof van het geheel uitmaakt. Wanneer het om honderdste delen gaat, spreekt men van een percentage. Wanneer het gehalte erg laag is, drukt men het uit in miljoenste of zelfs miljardste delen. Deze worden aangeduid als parts per million, ppm, of parts per billion, ppb. De formules waarmee percentage, ppm en ppb worden berekend, lijken erg op elkaar. Wel is het belangrijk te weten van welke grootheid het gehalte wordt berekend. mstof mdeel ∙ 100 = ∙ 100 mmengsel mgeheel mdeel massa ppm = ∙106 mgeheel mdeel massa ppb = ∙109 mgeheel massa% = Bij gassen en vloeistoffen wordt als gehalte vaak het volumepercentage genomen. volume% = *19 Bladgoud Van goud bestaat maar één niet-radioactieve isotoop: 197Au. Dit is tevens de enige isotoop van goud die in de natuur voorkomt. a Leg uit wat dit betekent voor de relatieve atoommassa van goud. Goud heeft een zeer hoge dichtheid: 19,3 kg dm–3. Bladgoud wordt gebruikt voor versieringen van voedsel. Voor het maken van bladgoud wordt 1,0 kg goud platgewalst totdat het een oppervlakte heeft van 500 m2. b Bereken de dikte van het bladgoud in millimeter. c Een goudatoom heeft een atoomstraal van 144∙10–12 m. Bereken hoeveel atomen er in bladgoud maximaal op elkaar liggen. d Geef een mogelijke reden waarom het bladgoud niet dunner wordt gemaakt. Bij sommige hoofdstukken zijn examenopgaven opgenomen. Dit is apart aangeduid met naar: examen - jaartal Vstof V ∙ 100 = deel ∙ 100 Vmengsel Vgeheel ▶ EXPERIMENT 1 Massapercentage ijzer in staalwol Grootheid en eenheid Een grootheid is iets wat je kunt meten, bijvoorbeeld tijd, afstand of massa. Het symbool van een grootheid wordt altijd cursief weergegeven. Daaraan kun je een grootheid herkennen. Een grootheid wordt uitgedrukt in een eenheid. Internationaal zijn er afspraken gemaakt welke eenheden men gebruikt bij welke grootheden. Zo wordt de grootheid V van volume uitgedrukt in de eenheid m3 en de grootheid m van massa in de eenheid kg. In Binas tabel 3 en 4 staan de grootheden met hun juiste eenheden vermeld. De eenheid is afhankelijk van wat je meet en waarmee je meet. Zo kun je de afstand tussen jeu-de-boulesballen met een rolmaat meten (figuur 8). De eenheid die op de rolmaat staat, is centimeter. De afstand tussen sterren is veel groter. Daarom wordt deze afstand in lichtjaren uitgedrukt. 3 Rekenen aan gehaltes In deze paragraaf leer je: • hoe het gehalte van een stof in een mengsel op verschillende manieren kan worden uitgedrukt; • het verschil tussen een grootheid en een eenheid aan te geven; • het verschil tussen een meetwaarde en een telwaarde aan te geven; • te beschrijven hoe de afrondingsregels bij berekeningen met meetwaarden moeten worden toegepast. 24 ◀ figuur 8 afstand meten met behulp van een rolmaat 25 THEORIE • HOOFDSTUK 1 CHEMISCH REKENEN THEORIE REKENEN THEORIE••HOOFDSTUK HOOFDSTUK1 1CHEMISCH ZUUR-BASE Nauwkeurigheid van meetwaarden Afrondingsregels bij berekeningen met meetwaarden Bij metingen ben je voor de nauwkeurigheid afhankelijk van de gebruikte meetinstrumenten. Hoe nauwkeuriger het instrument meet, des te nauwkeuriger zijn je meetresultaten. De nauwkeurigheid van een meetwaarde wordt met een aantal significante cijfers weergegeven. Significante cijfers zijn cijfers die ertoe doen, ook wel betekenisvolle cijfers genoemd. Hoe nauwkeuriger een meetwaarde, des te meer significante cijfers. Je bepaalt het aantal significante cijfers van een meetwaarde altijd door te tellen vanaf het eerste cijfer anders dan 0, waarbij je altijd rechts van die 0 begint te tellen. De nullen aan het eind tellen mee als significante cijfers. Het aantal significante cijfers van een gemeten afstand van 0,002 30 m is dus drie, want je kunt dit ook schrijven als 2,30∙10–3 m. In een berekening worden altijd verschillende meetwaarden gebruikt. Die meetwaarden hoeven niet allemaal hetzelfde aantal significante cijfers te hebben. Het eindantwoord dient zo nauwkeurig te zijn als de minst nauwkeurige meetwaarde. Daarom gelden de volgende vuistregels: 1 Bij optellen en aftrekken wordt het eindantwoord afgerond op het aantal decimalen van de meetwaarde met het minste aantal decimalen. Bijvoorbeeld: 1,003 m + 0,5 m = 1,503 m en wordt dan afgerond 1,5 m. 2 Bij delen en vermenigvuldigen wordt het eindantwoord afgerond op het aantal significante cijfers van de meetwaarde met het minste aantal significante cijfers. Bijvoorbeeld: 3,34 m × 5,026 m = 16,786 84 m2 wordt dan afgerond 16,8 m2. 3 Wanneer in een berekening zowel wordt opgeteld (of afgetrokken) als vermenigvuldigd (of gedeeld), treedt eerst regel 1 in werking en dan regel 2. Bijvoorbeeld: (1,003 s + 0,5 s) × 3,33 m s–1 = 1,503 × 3,33 = 5,004 99 m wordt 5,0 m omdat de uitkomst van de optelsom 1,5 twee significante cijfers heeft, en dat is minder dan de drie significante cijfers van 3,33. Dit komt zelden voor. Het gebruikte meetinstrument bepaalt de nauwkeurigheid. Als je 50 mL water in een bekerglas afpast, dan is het volume 50 mL, in een maatcilinder is het volume 50,0 mL en in een maatkolf is het volume 50,00 mL. Bij het bekerglas heb je het volume in twee significante cijfers, bij de maatcilinder in drie en bij de maatkolf in vier significante cijfers (figuur 9). Verantwoord afronden houdt meestal in dat je het antwoord in hetzelfde aantal significante cijfers geeft als het gebruikte gegeven met het minste aantal significante cijfers. Opmerkingen • Besef dat je rekenmachine geen rekening houdt met significantie. Afronden moet je zelf doen. • Een tussenuitkomst mag je nooit afronden. Laat die waarde in je rekenmachine staan. • Rond alleen het eindantwoord af in het juiste aantal significante cijfers. ▶ EXPERIMENT 2 Dichtheid bepalen Onthoud! • • • • • ▲ figuur 9 Met een reageerbuis, een bekerglas, een maatcilinder en een maatkolf kun je een hoeveelheid vloeistof afmeten. Wetenschappelijke notatie Gehaltes kun je uitdrukken in percentage, ppm en ppb. Significante cijfers gelden alleen voor meetwaarden, niet voor telwaarden. Bij afronding moet je rekening houden met het aantal significante cijfers. Bij optellen en aftrekken gaat het om het aantal decimalen. Bij vermenigvuldigen en delen gaat het om het aantal significante cijfers. Opdrachten 20 Significante cijfers Getallen kun je volledig uitschrijven of verkort weergeven via de wetenschappelijke notatie. Daarbij geef je het getal aan met één cijfer voor de komma en vul je het verder aan met een tiende macht. Zo geef je 40,8 weer als 4,08∙101 en 0,0054 als 5,4∙10–3. Vooral voor heel grote en heel kleine getallen is de wetenschappelijke notatie een uitkomst. Kijk maar eens naar het getal van Avogadro. Dat is anders niet goed op te schrijven: 6,02∙1023 deeltjes mol–1. Meetwaarden en telwaarden Wanneer bij een experiment een meting drie keer wordt uitgevoerd, moeten de drie gemeten waarden worden opgeteld en gedeeld door drie om de gemiddelde meetwaarde te berekenen. Het getal 3 heeft dan maar één cijfer, maar het aantal significante cijfers wordt hier natuurlijk niet door bepaald. ‘Drie’ is in dit geval namelijk geen meetwaarde, maar een telwaarde. Telwaarden zijn natuurlijke gehele getallen. Een ander voorbeeld van een telwaarde is het atoomnummer. Een atoom kan niet 1,67 protonen bevatten en je kunt een meting niet 1,3 keer uitvoeren. 26 Hoeveel significante cijfers hebben de volgende meetwaarden? a 10,0 mmol b 1,06 kg c 0,003 L d 12,01 g Opdrachten kun je zowel digitaal e 1,0006 dm3 (met feedback: extra leermoment) als op papier maken. 27 THEORIE • HOOFDSTUK 1 CHEMISCH REKENEN THEORIE REKENEN THEORIE••HOOFDSTUK HOOFDSTUK1 1CHEMISCH ZUUR-BASE Loden leidingen 21 Rekenen met meetwaarden Geef bij de volgende opdrachten steeds het antwoord in het juiste aantal significante cijfers. Ga ervan uit dat alle getallen meetwaarden zijn. a Bereken hoeveel kubieke decimeter oplossing ontstaat wanneer 10 dm3 oplossing wordt gemengd met 6,3 dm3 oplossing. Verwaarloos volumeveranderingen door mengen. b Bereken hoeveel gram stof er aanwezig is wanneer 0,06 mol van een stof met een molaire massa van 202 g mol–1 wordt afgewogen. c Bereken hoeveel mol er overblijft wanneer van 1000 mol 0,47 mol reageert. d Bereken hoeveel milliliter oplossing aanwezig is in elk bekerglas wanneer 880 mL evenredig wordt verdeeld over twee bekerglazen. e Bereken de molaire massa als gegeven is dat 0,000 142 1 mol een massa heeft van 0,023 11 g. f Bereken de totale massa legering wanneer 900 kg goud wordt gemengd met 1,2∙104 kg zilver. 22 Gemiddelde temperatuur Heb je nog loden drinkwaterleidingen in huis? Let dan op als je flesvoeding aan een zuigeling geeft. Lood uit leidingen dat in het drinkwater belandt, kan een (klein) gezondheidsrisico opleveren voor de zuigeling. Voor volwassenen en kinderen boven één jaar zijn er geen risico’s. Eind 1997 is binnen de Europese Gemeenschap een gemeenschappelijk standpunt bereikt over de herziening van de EG-Drinkwaterrichtlijn. Hierin staat dat de norm voor de concentratie lood 10 µg per liter is. Dit moet uiterlijk vijftien jaar nadat de Drinkwaterrichtlijn van kracht is gegaan, in alle lidstaten zijn bereikt. naar: www.milieucentraal.nl Lood is een zwaar metaal en kan milieuproblemen veroorzaken. Maar loden leidingen zijn geen milieuprobleem, aangezien er zeer weinig lood vanuit de leiding via het drinkwater in het milieu terechtkomt. Via andere bronnen, zoals uitlaat- ▲ figuur 10 loden leidingen In een ruimte wordt elk uur de temperatuur gemeten. De resultaten staan in tabel 8. Bereken de gemiddelde temperatuur gedurende de meting. 27 Loodgehalte ▼ tabel 8 meetresultaten t(h) 0 1 2 3 4 5 T(K) 237,15 238,03 237,65 237,88 238,10 237,91 Massapercentage 23 IJzer wordt onder andere gewonnen uit het mineraal hematiet, Fe2O3(s). Bereken het massapercentage ijzer in hematiet. 24 Glucose-oplossing Berber maakt een glucose-oplossing. Ze lost 0,12 g glucose, C6H12O6(s), op tot 250 g oplossing. De dichtheid van de glucose-oplossing is 0,998 kg L–1. a Bereken hoeveel mol glucose wordt opgelost. b Bereken het volume van de glucose-oplossing in liter. c Bereken het massa-ppm glucose in de glucose-oplossing. gassen, komt veel meer lood in het milieu. Water in loden drinkwaterleidingen kan wel lood bevatten, maar dat is zo weinig dat het voor mensen niet schadelijk is, al is er wel een (gering) risico voor zuigelingen. Lees figuur 10. Wanneer het loodgehalte in het lichaam meer dan 3,5 µg lood per kilogram lichaamsgewicht is, is dit schadelijk voor de gezondheid. a Leg uit dat voor volwassenen en kinderen lood in drinkwater geen risico vormt, maar voor zuigelingen wel. De huidige norm voor de concentratie lood is 10 µg per liter drinkwater. De dichtheid van drinkwater is 1,0 kg L–1. b Bereken het massa-ppb lood in drinkwater. c Bereken hoeveel liter drinkwater met 10 µg lood per liter een zuigeling met een lichaams gewicht van 3,5 kg maximaal mag drinken. *28 24 karaat goud De Egyptische farao Toetanchamon werd begraven in een 22 karaat gouden grafkist van 110 kg (figuur 11). De zuiverheid van goud wordt uitgedrukt in karaat. Puur goud is 24 karaat goud. Goud van 12 karaat bestaat voor de helft van de massa uit andere metalen dan goud. 25 Element X Een verbinding met de formule X2O5 bevat 34,8 massa% zuurstof. Welk element is X? Aarseen Bbismut Cfosfor Dmangaan 26 Alcoholoplossing Een alcoholoplossing wordt gemaakt door 10 mL alcohol te mengen met 10 mL water. Dit geeft 19 mL alcoholoplossing. Gebruik voor de volgende vragen gegevens uit Binas tabel 11. a Bereken het massapercentage alcohol in het mengsel. b Bereken de dichtheid van de alcoholoplossing in milligram per liter. ▲ figuur 11 de gouden grafkist van Toetanchamon 28 29 THEORIE • HOOFDSTUK 1 CHEMISCH REKENEN a b c THEORIE REKENEN THEORIE••HOOFDSTUK HOOFDSTUK1 1CHEMISCH ZUUR-BASE Bereken het massapercentage goud in 22 karaat goud. Bereken hoeveel kilogram puur goud in de kist van Toetanchamon is verwerkt. De verkoopprijs van een 24 karaat goudbaar van 1,0 kg is ongeveer € 32.000,–. Bereken de waarde van het goud in de grafkist van Toetanchamon in euro. De dichtheid van goud neemt af naarmate het aantal karaat goud afneemt. Zo is 18 karaat witgoud een legering van goud met nikkel. d Leg uit waarom de dichtheid van 18 karaat witgoud lager is dan die van 24 karaat goud. e Bereken de dichtheid van 18 karaat witgoud in gram per milliliter. Gebruik daarbij gegevens uit Binas tabel 8. Stappenplan rekenen aan reacties Stap 1: Geef de reactievergelijking. Stap 2: Reken de gegeven grootheid om naar mol. Stap 3: Gebruik de molverhouding uit de reactievergelijking. Stap 4: Reken de hoeveelheid mol om naar de juiste grootheid en eenheid. Stap 5: Controleer de significantie. Voorbeeldopgave 5 Een auto rijdt op benzine. Neem als molecuulformule voor benzine C8H18(l). Bereken hoeveel kilogram zuurstof je nodig hebt voor de volledige verbranding van 1,00 kg benzine in een automotor. Uitwerking Stap 1: Geef de reactievergelijking. 2 C8H18(l) + 25 O2(g) g 16 CO2(g) + 18 H2O(g) 4 Rekenen aan reacties Stap 2: Reken de gegeven grootheid om naar mol. M(C8H18) = 8 × 12,01 + 18 × 1,008 = 114,22 g mol–1 In deze paragraaf leer je: • hoe met behulp van de molverhouding de chemische hoeveelheden bij reacties kunnen worden berekend; • hoe het stappenplan bij het rekenen aan reacties wordt gebruikt; • de overmaat en de ondermaat bij een reactie te bepalen. 1,00 kg benzine = 1000 g, dus n = In de chemische industrie gaat het vaak om molrekenen de omzetting van beginstoffen in waardevolle Verdieping van bruikbare producten. Om dit zo efficiënt mogelijk te kunnen doen, is het belangrijk om de stofuit leerjaar 3. fen in de juiste verhouding te laten reageren. Omdat de molaire massa’s van stoffen vaak niet hetzelfde zijn, wordt voornamelijk de hoeveelheid stof n gebruikt om te rekenen aan reacties. Molverhouding In leerjaar 3 heb je geleerd dat bij chemische reacties moleculen van beginstoffen verdwijnen en nieuwe moleculen van reactieproducten ontstaan. De verhouding waarin deze moleculen verdwijnen en ontstaan, kun je afleiden uit de reactievergelijking. Als je wilt rekenen aan reacties is het opstellen van een kloppende reactievergelijking dus erg belangrijk. De reactievergelijking voor de volledige verbranding van glucose is: C6H12O6(s) + 6 O2(g) g 6 CO2(g) + 6 H2O(l) Uit de coëfficiënten in deze reactievergelijking kun je afleiden dat voor de verbranding van elk glucosemolecuul zes zuurstofmoleculen nodig zijn en dat daaruit zes koolstofdioxidemoleculen en zes watermoleculen worden gevormd. De molecuulverhouding C6H12O6 : O2 : CO2 : H2O is dus 1 : 6 : 6 : 6. Rekenen met de chemische hoeveelheid n maakt dat je de molecuulverhouding bij chemische reacties direct kunt omzetten in de molverhouding. Dat betekent in dit voorbeeld dat 1 mol glucose 6 mol zuurstof verbruikt en dat er 6 mol koolstofdioxide en 6 mol water ontstaan. Uit de reactievergelijking kun je de molverhouding afleiden waarin de stoffen reageren en ontstaan. Door het aantal mol om te rekenen in het aantal gram of het aantal liter, kun je precies berekenen welke hoeveelheden bij een reactie nodig zijn en welke hoeveelheden er ontstaan. Bij het rekenen aan reacties is het handig om gebruik te maken van het stappenplan. In voorbeeldopgave 5 is dit stappenplan uitgewerkt voor de verbranding van benzine. 30 Duidelijke stappenplannen om specifieke werkwijze aan te leren. m 1000 = = 8, 755 mol C8H18(l) M 114, 22 Stap 3: Gebruik de molverhouding uit de reactievergelijking. 2 mol C8H18(l) reageert met 25 mol O2(g). 1 mol C8H18(l) reageert met 25 / 2 = 12,5 mol O2(g). 8,755 mol C8H18(l) reageert dan met 8,755 × 12,5 = 109,4 mol O2(g). Stap 4: Reken de hoeveelheid mol om naar de juiste grootheid en eenheid. M(O2) = 2 × 16,00 = 32,00 g mol–1 De massa van 109,4 mol O2(g) is: m = n ∙ M = 109,4 × 32,00 = 3500,8 g = 3,5008 kg O2(g). Stap 5: Controleer de significantie. Het gegeven 1,00 kg C8H18(l) staat in drie significante cijfers. Dan moet het antwoord ook in drie significante cijfers. Het juiste antwoord is dus 3,50 kg O2(g). Ondermaat en overmaat Wanneer stoffen met elkaar reageren, nemen de hoeveelheden van de beginstoffen af en worden de hoeveelheden van de reactieproducten groter. De beginstof die als eerste op is, wordt ook wel de stof in ondermaat genoemd, of kortweg ondermaat. De stof in ondermaat van de reagerende beginstoffen bepaalt hoeveel product er maximaal kan worden gevormd. De beginstof waarvan nog stof overblijft, wordt de stof in overmaat genoemd. Wanneer een erlenmeyer met lucht over een waxinelichtje wordt geplaatst en het kaarsje gaat na verloop van tijd uit, dan was de zuurstof in de lucht in ondermaat aanwezig. De stof in overmaat is het kaarsvet van het waxinelichtje (figuur 12). ◀ figuur 12 kaarsvet in overmaat 31 THEORIE • HOOFDSTUK 1 CHEMISCH REKENEN THEORIE REKENEN THEORIE••HOOFDSTUK HOOFDSTUK1 1CHEMISCH ZUUR-BASE Voorbeeldopgave 6 Opdrachten Bij het maken van de zoetstof aspartaam, C14H18N2O5(s), reageert 50,0 g opgelost fenylalaninemethylester, C10H13NO2(aq), met 100 g opgelost asparginezuur, C4H7NO4(aq), tot vast aspartaam en water. Bereken hoeveel gram aspartaam hierbij maximaal kan worden gevormd. Maak gebruik van het stappenplan rekenen aan reacties. Uitwerking Stap 1: Geef de reactievergelijking. C10H13NO2(aq) + C4H7NO4(aq) g C14H18N2O5(s) + H2O(l) Stap 2: Reken de gegeven grootheid om naar mol. Aangezien er twee beginstoffen zijn gegeven, moet worden bepaald welke van de twee stoffen m in ondermaat is. Van beide stoffen wordt het aantal mol uitgerekend met n = . M Invullen voor de twee stoffen geeft: n= 29 CO2-uitstoot Een campingkookstel werkt meestal op butaan, C4H10(g). Een blikje campinggas bevat 190 g butaan. a Bereken hoeveel gram koolstofdioxide maximaal kan ontstaan bij de volledige verbranding van 190 g butaan. Geef de berekening met behulp van het stappenplan rekenen aan reacties. b Bereken de massaverhouding waarin butaan met zuurstof reageert. 30 Aspirinesynthese Voor het maken van aspirine reageren de stoffen 2-hydroxybenzeencarbonzuur, C7H6O3(s), en azijnzuuranhydride, C4H6O3(l), met elkaar. Hierbij ontstaat naast aspirine, C9H8O4(aq), ook ethaanzuur C2H4O2(aq). Bij een controle-experiment wordt 150 mg C7H6O3(s) toegevoegd aan 0,5 g C4H6O3(l). Bij het maken van aspirine wordt meestal gewerkt met een overmaat azijnzuuranhydride. Bereken hoeveel gram azijnzuuranhydride de overmaat is. Gebruik het stappenplan. Meer oefening nodig? Ga naar de V-trainer. m 50,0 50,0 = = = 0,279 mol C10H13NO2(aq) M (10 × 12,01 + 13 × 1,008 + 1 × 14,01 + 2 × 16,00) 179,21 en n= m 100 100 = = = 0,751 mol C4H7NO4(aq) M (4 × 12,01 + 7 × 1,008 + 1 × 14,01 + 4 × 16,00) 133,11 Stap 3: Gebruik de molverhouding uit de reactievergelijking. De ondermaat is hier de 0,279 mol C10H13NO2(aq), want de verhouding waarin de beginstoffen reageren is 1 : 1. Er kan dus maximaal 0,279 mol C10H13NO2(aq) reageren met evenveel C10H13NO2(aq). Hierbij ontstaat 0,279 mol C14H18N2O5(s). Stap 4: Reken de hoeveelheid mol om naar de juiste grootheid en eenheid. Het aantal gram kan worden berekend met behulp van m = n ∙ M. M(C14H18N2O5) = (14 × 12,01 + 18 × 1,008 + 2 × 14,01 + 5 × 16,00) = 294,30 g mol–1 Invullen geeft: m = n ∙ M = 0,279 × 294,3 = 82,11 g aspartaam. Stap 5: Controleer de significantie. Het gegeven met het minste aantal significante cijfers is gegeven in drie significante cijfers. Dus het antwoord moet zijn: er kan maximaal 82,1 g aspartaam worden gevormd. ▶ EXPERIMENT 3 Bepaling van de massaverhouding en molverhouding tussen calciumcarbonaat en zoutzuur Onthoud! • Uit de reactievergelijking kun je de molverhouding bepalen. • De overmaat is de beginstof die na de reactie overblijft. • De ondermaat is de beginstof die volledig heeft gereageerd. 32 ▲ figuur 13 spaceshuttle *31 Stuwraketten De stuwraketten van spaceshuttles (figuur 13), die zijn gebruikt in de periode van 1981 tot 2011, gebruikten voornamelijk de vaste stoffen aluminium en ammoniumperchloraat, NH4ClO4(s), als brandstof. De reactie tussen beide stoffen verloopt als volgt: 10 Al(s) + 6 NH4ClO4(s) g 5 Al2O3(s) + 3 N2(g) + 6 HCl(g) + 9 H2O(g) a Bereken in welke massaverhouding de stoffen aluminium en ammoniumperchloraat in de stuwraketten aanwezig zijn. Hint: ze reageren volledig met elkaar. b De twee stuwraketten van de spaceshuttle hebben elk een capaciteit van 500 ton brandstof. Deze 500 ton reageert volledig in ongeveer 120 s. Bereken hoeveel mol aluminium gemiddeld per seconde gedurende deze 120 s reageert. Gebruik hierbij het antwoord op opgave 31a. 33 THEORIE • HOOFDSTUK 1 CHEMISCH REKENEN THEORIE REKENEN THEORIE••HOOFDSTUK HOOFDSTUK1 1CHEMISCH ZUUR-BASE 32 Waterstofauto Een tank van een waterstofauto bevat 5,6 kg waterstof. Hiermee kan ongeveer 600 km worden gereden. Deze waterstof wordt gemaakt met behulp van de elektrolyse van water. De dichtheid van water is 0,998 kg dm–3. a Bereken hoeveel kubieke decimeter water moet worden ontleed voor de vorming van 5,6 kg waterstof. b De dichtheid van waterstof is 0,090 kg m–3. Bereken het volume (in kubieke meter) van de tank die nodig is voor de opslag van 5,6 kg waterstof als gas. Je kunt waterstof ook opslaan door gebruik te maken van metaalhydriden. Dit zijn verbindingen waarin waterstof aan een metaal is gebonden. Een voorbeeld is lithiumhydride, LiH(s). Deze stof kan met behulp van een reactie met water worden omgezet tot lithiumhydroxide, LiOH(s), en waterstof. De dichtheid van LiH is 0,76 g cm –3. c Bereken hoeveel kilogram LiH(s) nodig is voor de vorming van 5,6 kg waterstof. d Bereken hoeveel kubieke decimeter LiH(s) nodig is voor de opslag van 5,6 kg waterstof. 33 Ruimtestation Lees figuur 14. Waarom? Hoe komt de bemanning van het ruimtestation ISS aan zuurstof? Simon Bours (13 jaar) Daarom! Er zijn tanks met zuurstof aan boord van het ruimtestation. Maar dat is voor nood. Normaal wordt de zuurstof met elektrische stroom uit water gemaakt. Stroom genoeg, want dat komt uit al die zonnecellen aan de buitenkant van het station. En water is er ook genoeg, want er zijn apparaten die weer schoon water maken uit de plas van de ruimtevaarders en uit de lucht die ze uitademen. Als er elektriciteit door water gaat, krijg je niet alleen zuurstof, maar nog een ander gas: waterstof. De ruimtevaarders stoppen die in een speciaal toestel bij een gas dat ze zelf uitademen (koolzuurgas) en dan krijgen ze nog meer water. Wat overblijft heet methaan en dat blazen ze – pfff – de ruimte in. naar: nrc.nl Eindopdracht 34 Goud Alchemisten hielden zich bezig met het omzetten van stoffen in goud. Het heeft lang geduurd voordat dit ook echt lukte. Pas in 1980 lukte het een groep wetenschappers, onder wie Glenn Seaborg, om met behulp van een kernreactor bismut in goud te veranderen. De prijs voor het maken van 100 g goud via deze wijze zou ongeveer 1∙1024 euro hebben gekost. Bij het proces worden met behulp van een botsing tussen een bismutdeeltje en een ander deeltje, vier protonen, 11 p + , en acht neutronen, 01 n , uit een Bi-209 atoomkern verwijderd. Hierbij ontstaan ook vier elektronen, 00 e − . a Geef de vergelijking die hoort bij het proces waarbij een Bi-209 atoomkern wordt omgezet in een gouddeeltje, vier protonen, acht neutronen en vier elektronen. b Bereken de prijs voor het maken van één atoom goud met behulp van het hiervoor beschreven proces. Het winnen van goud via mijnbouw is een stuk goedkoper. Het goud dat wordt gewonnen, is meestal nog gemengd met koper. Het percentage koper wordt met behulp van een chemische reactie verlaagd. Door het mengsel van koper en goud te smelten en vervolgens te laten reageren met chloor, wordt het goudgehalte verhoogd tot 24 karaat. Het koper wordt hierbij omgezet in CuCl2(s). c Bereken hoeveel gram chloor moet reageren om genoeg 14 karaat goud om te zetten in 1,0 kg 24 karaat goud. Hierbij mag je aannemen dat het goud alleen met koper is verontreinigd. De Eindopdracht is gekoppeld aan de openingscontext. ▲ figuur 14 zuurstof in een ruimtestation In het ruimtestation ISS moet ook zuurstof aanwezig zijn. a Leg uit hoe hoog het volumepercentage zuurstof in de lucht van het ruimtestation zal moeten zijn. Normaal gesproken wordt zuurstof met elektrische stroom uit water gemaakt. b Geef de naam van dit proces. c Geef de reactievergelijking van dit proces. Het water haalt men onder andere uit de plas van de ruimtevaarders. De plas van mensen bestaat voor 98% uit water. d Met welke scheidingsmethode kan men in het ISS zuiver water maken? e Per dag gebruiken de zes ISS-bewoners 23 kg water voor de productie van de benodigde zuurstof. Bereken hoeveel gram zuurstof een ISS-bewoner per minuut nodig heeft. 34 35 THEORIE • HOOFDSTUK 1 CHEMISCH REKENEN THEORIE REKENEN THEORIE••HOOFDSTUK HOOFDSTUK1 1CHEMISCH ZUUR-BASE Overzichtelijke groepering van practica. 5Practicum EXPERIMENT 1 Massapercentage ijzer in staalwol Inleiding Staalwol bestaat bijna volledig uit het metaal ijzer en wordt onder andere gebruikt om aangebrande pannen schoon te schuren. Het metaal ijzer in staalwol kan met zuurstof reageren. • Steek de brander aan en verhit de staalwol met een geruisloze vlam boven het horlogeglas. Er kan wat materiaal afbrokkelen; zorg ervoor dat dit op het horlogeglas valt. Door de reactie van het ijzer in de staalwol met zuurstof uit de lucht gloeit de staalwol na, ook wanneer de staalwol uit de brander wordt gehaald. • Houd de staalwol herhaaldelijk in de vlam, net zolang tot deze niet meer buiten de vlam gloeit. • Laat na afloop de gereageerde staalwol op het horlogeglas afkoelen. • Weeg na afloop het horlogeglas met de gereageerde staalwol. Onderzoeksvraag Wat is het massapercentage ijzer in staalwol? Nodig brander; balans; stukje staalwol van ongeveer 2 g; lucifers; kroezentang; horlogeglas Veiligheid en milieu Doe een labjas aan en zet een veiligheidsbril op. Resultaten 1 Noteer de massa’s voor en na de verhitting in een tabel. Uitvoering • Maak de opstelling van figuur 15. • Weeg het stukje staalwol nauwkeurig af en noteer de massa. • Weeg en noteer de massa van het lege horlogeglas. Verwerking 2 De reactie die optreedt, is de verbranding van ijzer tot Fe2O3(s). Geef de reactievergelijking. 3 De massatoename die is gemeten, wordt veroorzaakt door de opgenomen zuurstof. Hoeveel gram zuurstof is er opgenomen? 4 Bereken hoeveel mol zuurstof met de staalwol heeft gereageerd. 5 Bereken hoeveel mol ijzer met de zuurstof heeft gereageerd. 6 Bereken hoeveel gram ijzer in de staalwol aanwezig was. 7 Bereken het massapercentage ijzer in de staalwol. 8 Bedenk een aantal redenen waarom jouw massapercentage afwijkt van die van andere groepjes. Conclusie 9 Geef antwoord op de onderzoeksvraag. ▲ figuur 15 de opstelling van experiment 1 EXPERIMENT 2 Dichtheid bepalen Inleiding Het antwoord van een berekening kan nooit nauwkeuriger zijn dan de gegeven meetwaarden uit een experiment. Dit geldt ook bij de bepaling van de dichtheid. De dichtheid van een stof is te berekenen als het volume en de massa van die stof experimenteel kunnen worden bepaald. • • • • Onderzoeksvraag Op welke manier kan de dichtheid van zeewater het nauwkeurigst worden bepaald? Resultaten 1 Noteer je meetgegevens in een tabel. Nodig bekerglas van 150 mL; maatcilinder van 100 mL; pipet van 10 mL; balans; bovenweger op één decimaal en op twee decimalen nauwkeurig; zeewater Verwerking 2 Bereken de dichtheid op zo veel mogelijk manieren en noteer de waarden in de tabel. 3 Welke berekende dichtheid is volgens jou het meest betrouwbaar? Licht je antwoord toe. 4 Vergelijk jouw berekende waarden met de theoretische waarde (zie Binas tabel 11). 5 Hoe zou je de dichtheid nog nauwkeuriger kunnen bepalen? Vraag aan je docent of dit mogelijk is. Veiligheid en milieu Doe een labjas aan en zet een veiligheidsbril op. Uitvoering • Bepaal op drie verschillende manieren het volume van een bepaalde hoeveelheid zeewater. Gebruik hiervoor een bekerglas, een maatcilinder en een pipet. Conclusie 6 Geef antwoord op de onderzoeksvraag. EXPERIMENT 3 Bepaling van de massaverhouding en molverhouding tussen calciumcarbonaat en zoutzuur Veiligheid en milieu Doe een labjas aan en zet een veiligheidsbril op. Inleiding Kalkaanslag kun je verwijderen met een zuur, bijvoorbeeld azijn of zoutzuur, HCl-oplossing. Kalk bestaat uit calciumcarbonaat, CaCO3(s). Bij de reactie tussen calciumcarbonaat en zoutzuur ontstaat onder andere koolstofdioxide. Door dit gas op te vangen, kun je de verhouding bepalen waarmee calciumcarbonaat en zoutzuur reageren. Uitvoering • Maak de opstelling van figuur 16. • Doe 10 mL zoutzuur in de erlenmeyer. • Voeg 0,1 g calciumcarbonaat toe en sluit snel af met de stop. • Wacht tot er geen gas meer ontstaat. • Lees op de maatcilinder af hoeveel milliliter gas is gevormd. • Herhaal de proef met 0,2, 0,3 en 0,4 g calciumcarbonaat. De hoeveelheid zoutzuur is voor elke proef hetzelfde. Onderzoeksvraag In welke massaverhouding en in welke molverhouding reageert calciumcarbonaat met zoutzuur? Nodig maatcilinder van 10,0 mL; erlenmeyer; stop met slangetje; maatcilinder van 100 mL; groot bekerglas; calciumcarbonaat, CaCO3(s); een oplossing van zoutzuur die 18,3 g HCl per liter bevat 36 Bepaal op verschillende manieren de massa van de afgemeten hoeveelheid zeewater. Noteer de meetgegevens overzichtelijk in een tabel. Bedenk daarbij wat de nauwkeurigheid van elk van de meetinstrumenten is. Geef de nauwkeurigheid in het juiste aantal significante cijfers weer. 37 THEORIE • HOOFDSTUK 1 CHEMISCH REKENEN 3 Leg uit bij welke hoeveelheden het calcium carbonaat in overmaat aanwezig was en bij welke hoeveelheden het zoutzuur in overmaat aanwezig was. 4 Lees uit de grafiek af bij hoeveel gram calciumcarbonaat er precies genoeg zoutzuur was om mee te reageren. 5 Bereken de massa van het HCl dat je bij elke proef hebt gebruikt. 6 Bepaal de massaverhouding waarin calcium carbonaat en HCl met elkaar hebben gereageerd. 7 Bereken de molverhouding waarin calcium carbonaat en HCl met elkaar hebben gereageerd. ▲ figuur 16 de opstelling van experiment 3 Resultaten 1 Noteer je resultaten in een overzichtelijke tabel. Conclusie 8 Geef antwoord op de onderzoeksvraag. Verwerking 2 Teken een diagram waarin je het aantal gram calciumcarbonaat (x-as) uitzet tegen het aantal milliliter koolstofdioxide (y-as). Practica zijn uitgebreid getest door een Toa. Er is een aparte handleiding ONDERZOEK Intermoleculaire ruimte en dichtheid voor Toa's beschikbaar. Inleiding De dichtheid van water is groter dan die van ijs, waardoor ijs op water drijft. Toch zijn water en ijs beide fasen van dezelfde stof. Hoe kan dit? Als we aannemen dat het volume van een molecuul niet afhankelijk is van de temperatuur, moet tussen de moleculen ruimte zitten. Deze ruimte is bij vloeibaar water blijkbaar kleiner dan bij ijs. Deze ruimte wordt de intermoleculaire ruimte genoemd. Opdracht Schrijf een werkplan om het verband tussen de dichtheid, de temperatuur en de intermoleculaire ruimte te onderzoeken. Bedenk een eenheid voor intermoleculaire ruimte waarin je je antwoord uitdrukt en waarin de verandering kan worden weergegeven. Na goedkeuring van je docent kun je het experiment uitvoeren. Vergelijk je gevonden waarden met de theoretische waarde. Deze kan worden bepaald met behulp van Binas tabel 10 en 11. Onderzoeksvraag Wat is de toename in intermoleculaire ruimte bij de faseverandering van water naar ijs? 38
