Algemene Scheikunde

1
Algemene Scheikunde
Academiejaar 2013-2014
2
Deel 1
Bouw van de materie
3
I. Inleidende begrippen
Scheikunde bestudeert
•materie
•eigenschappen van materie
•veranderingen van materie
energieveranderingen
4
Algemene definities
•materie
•energie
5
Materie
Materie: overzicht
materie is alles wat massa en volume heeft
•classificatie: zuivere stof: element/verbinding
mengsel: heterogeen/homogeen
•samenstelling: kwalitatief: soorten zuivere stof
kwantitatief: hoeveelheid van elke stof
•eigenschappen: fysisch/chemisch
extensief/intensief
•aggregatietoestanden of fasen: gas
vloeistof
vaste stof
6
7
Samenstelling van materie
•kwalitatief: welke zuivere stoffen?
identiteit zuivere stof ⇔ eigenschappen stof
•kwantitatief: hoeveel van elke soort zuivere stof?
massafractie:
γ m,i
mi
=
∑ mi
i
mi
massapercentage: m% i =
× 100
∑ mi
i
8
Onderscheid zuivere stof en mengsel
•zuivere stof: constante samenstelling
aard en hoeveelheid elementen in verbinding
CH3OH: m%C = 37.5; m%H = 12.5; m%O = 50.0
N2: m%N = 100
•mengsel: GEEN constante samenstelling
aard en hoeveelheid zuivere stoffen in mengsel
mengsel CH3OH/H2O: m%CH3OH = 60; m%H2O = 40
lucht: mengsel N2/O2/…: vol%N2 = 78; vol%O2 = 21
9
zuivere stof
element: bestaat uit één atoomsoort
covalent gebonden
discrete atomen
enkel de edelgassen
discrete
moleculen
covalent
kristalrooster
Br2(A), I2(v), O2(g), O3(g),
N2(g)
C(v), Cu(v), K(v), S(v),
P(v), Al(v), Si(v)
He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn
verbinding: bestaat uit meerdere atoomsoorten in
constante verhouding ⇒ constante samenstelling
discrete
moleculen
amorfe vaste
stoffen
NH3(g), CH4(g), H2O(A),
glas
kristallijne vaste stoffen
ionaire
verbinding
covalent
netwerk
NaCl(v), AgNO3(v)
SiO2(v)
10
Soorten kristallijne zuivere vaste stoffen
lage T, hoge P
11
Kristalrooster
regelmatige 3D schikking van atomen, ionen of
moleculen
ionaire vaste stof: regelmatige
schikking kationen en anionen
moleculaire vaste stof: regelmatige schikking moleculen
Voorbeelden van kristallijne covalente
netwerken
Cgrafiet
Si: silicium
Cdiamant
kwarts
12
13
Kristallijne en amorfe covalente netwerken
covalent netwerk van SiO4-tetraheders
14
Fasetoestand bij T = 25°C en P = 1 bar
vast
vloeistof
Tsmelt
gas
Tkook
T (°C)
Zie ook H4, 9, 10 en bijlage 3
15
smeltpunt
(°C)
kookpunt
(°C)
fase
0
100
vloeistof
aceton (CH3)2CO
–94
56
vloeistof
methaan (CH4)
–182
–162
gas
butaan (C4H10)
–138
0
gas
pentaan (C5H12)
–130
36
vloeistof
eicosaan (C20H42)
37
342
vast
broom (Br2)
–7
59
vloeistof
benzeen (C6H6)
7
79
vloeistof
chloroform (CHCl3)
–63
61
vloeistof
natriumchloride (NaCl)
801
1413
vast
magnesiumoxide (MgO)
2852
3600
vast
verbinding
water (H2O)
Zie H4, 9, 10 en bijlage 3
16
Energie
Energie: overzicht
•Definitie
•Wet van behoud van energie
•Kinetische en potentiële energie
•Elektrostatische interactie: wet van Coulomb
17
18
Energie: definitie
vermogen om arbeid en/of warmte te produceren
•arbeid w: houdt verband met verplaatsing van object
w = F× d
F = m× a
•warmte q: energietransfer tussen objecten op ≠ T
•steeds van hoge T → lage T
•thermische energie ⇔ Ekin moleculen
•T = maat voor Ekin moleculen
Fe
hoge T
Fe
lage T
LET OP: energie is een EXTENSIEVE eigenschap (zie H9)
Wet van behoud van energie
E = Ep + Ek blijft behouden
Ep: potentiële energie; positie van het object in krachtveld
kunnen omgezet worden in elkaar
Ek : kinetische energie; beweging van het object
1
Ek = mv 2
2
19
Elektrostatische interactie: wet van Coulomb
materie kan beschouwd worden als samengesteld
uit positief en negatief geladen deeltjes
wet van Coulomb: elektrostatische kracht F = k
q1 q2
r2
1
k=
met εo= permitiviteit vacuüm = 8.85419× 10-12 C2/Jm
4πεo
potentiële energie Ep = k
eenheidslading
q = +1 = 1.6021773 × 10-19 C
q = −1 = −1.6021773 × 10-19 C
q1 q2
r
20
21
+
gelijke ladingen stoten elkaar af
meer stabiel
deeltjes op r = ∞ ⇒ geen interactie ⇒ Ep = 0
−
+
−
minder stabiel
Ep neemt af
+
Ep neemt toe
0
+
Ep neemt af
+
minder stabiel
Ep neemt toe
+
tegengestelde ladingen trekken
elkaar aan
meer stabiel
22
Massawetten &
atoommodel
•Massawetten
•Atoomtheorie van Dalton
•Relatieve atoommassa & chemische
formules
•Evolutie atoommodel
23
Massawetten
Belang massawetten
masswetten vormen experimentele basis atomaire visie
reproduceerbare metingen
wet van behoud van massa (Lavoisier)
wet van constante verhoudingen (Proust)
wet van meervoudige verhoudingen (Dalton)
Dalton: materie is opgebouwd uit ondeelbare bouwstenen
een atoom is een 1-heid
materie is telbaar
24
25
Wet van behoud van massa (Lavoisier)
Reactanten
Producten
1 g waterstof
9 g water
8 g zuurstof
9 g producten
9 g reactanten
totale massa reactanten = totale massa producten
react.
prod.
i
j
∑ mi = ∑ m j
Wet van constante verhoudingen (Proust)
40 g calcium
12 g koolstof
48 g zuurstof
100 g calciumcarbonaat
mC 12 g 0.3 g
mO
48 g 1.2 g
en
=
=
=
=
m O 40 g
1g
mCa 40 g
1g
voor elke verbinding van A en B geldt:
mA
= constant
mB
ONAFHANKELIJK van de OORSPRONG van de verbinding
26
27
Wet van meervoudige verhoudingen (Dalton)
Binaire verbinding: bevat 2 elementen (AaBb)
Koolstofoxide I Koolstofoxide II
g zuurstof/100 g verbinding
57.1
72.7
g koolstof/100 g verbinding
42.9
27.3
g zuurstof/g koolstof
1.33
2.66
72.2 g zuurstof
2.66 g zuurstof
in II
in II
2
27.3 g koolstof
1 g koolstof
=
=
57.1 g zuurstof
1.33 g zuurstof
1
in I
in I
42.9 g koolstof
1 g koolstof
formules waren toen
nog niet bekend
voor set van binaire verbindingen van A en B geldt:
m%B
mB
in II
in II
klein geheel getal
m% A
1g A
=
=
m%B
mB
in I
in I klein geheel getal
m% A
1g A
28
Atoomtheorie van Dalton
29
Atoomtheorie van Dalton
Postuleren bestaan van atomen ⇒ verklaring massawetten
•elementen bestaan uit atomen
materie is telbaar
•ondeelbaar
atoom is een 1-heid
J. Dalton
•van 1 element: identieke eigenschappen
•atomen
•karakteristieke eigenschappen, karakteristieke massa
•behouden identiteit bij reactie
materie tellen ⇔ wegen
•vormen verbindingen door combinatie in vaste verhouding
atomen zijn ondeelbare bouwstenen
met een karakteristieke massa
mH
mC
mN
mO
NO
30
Betekenis atoomtheorie van Dalton
m A NA × AMA
=
mB NB × AMB
experimenteel
toegankelijk
mA
mB
aantal atomen A per atoom
B in de verbinding; was
onbekend
NA
NB
formule
massa’s
combinerende
atomen
was onbekend
atoommassa’s
AMA
AMB
Relatieve atoommassa & chemische
formules
m A NA × AMA
=
mB NB × AMB
NA
NB
mA
mB
formule
massa’s
combinerende
atomen
atoommassa’s
AMA
AMB
atomen zijn zeer klein en de massa van 1 atoom was onbekend
mA
enkel
kon experimenteel bepaald worden
mB
⇒ RELATIEVE atoommassa: relatief t.o.v. waterstofatoom (AMH = 1)
⇒ 6de hypothese: regel van de grootste eenvoud
31
32
Water: bevat 8 g zuurstof/1 g waterstof
8 g O mO NO × AMO
=
=
1 g H mH NH × AMH
mO
NH AMO
×
=
mH
NO AMH
Basis = referentie: massa waterstofatoom = 1 = AMH
stel: chemische formule water = OH (NO = 1 en NH = 1)
AMO mO 1 8 g 1
=
× =
× =8
AMH mH 1 1 g 1
RELATIEVE atoommassa: 1 O-atoom is 8× zo zwaar als 1 H-atoom
6de hypothese is fout ⇒ foute relatieve atoommassa’s
33
Evolutie atoommodel
34
Evolutie atoommodel
atoommodellen evolueren op basis van experimentele gegevens
Atomen zijn deelbaar ⇒ atomen
bezitten interne structuur
Dalton
ondeelbare
atomen
karakteristieke massa
Thomson
Rutherford
elektronen
kern + elektronen
diffuse positief geladen wolk
negatief
geladen
elektronen
diffuse negatief geladen
elektronenwolk
massieve positief
geladen kern
35
Huidige atoomtheorie: structuur van
het atoom
Elektronenwolk:
diameter = 10-10m (= 1Å = 100 pm)
zeer licht
negatief geladen
nucleonen
Kern: diameter = 10-14m
massief
atoom is neutraal ⇒ aantal protonen = aantal elektronen
36
massa
g
lading
Coulomb
e
Elektron
9.109 10-28 -1.602 10-19
-1
Proton
1.672 10-24 +1.602 10-19
+1
1.674 10-24
0
Neutron
m +
H ≈ 1830
me
0
37
Atoomgetal, massagetal en atoomsymbool
alle atomen zijn opgebouwd uit dezelfde bestanddelen:
elektronen, protonen, neutronen
identiteit atoom ⇔ aantal protonen in kern
Z = atoomgetal = ranggetal
= aantal protonen in kern = aantal elektronen rond kern
A = massagetal = aantal nucleonen
= aantal protonen + neutronen
A − Z = aantal neutronen in kern
atoomsymbool
A
Z
X
Symbool element
38
Periodiek systeem &
verbindingen
39
Relatieve en absolute
atoommassa
Relatieve atoommassa
40
Begin 19de eeuw: geen methode bepaling absolute massa van 1 atoom
relatieve atoommassa
huidige basis: 1 atoom 12C = 12
massa van 1 atoom
1 amu =
12
12
6
C
atomic mass unit (of Dalton [D])
Voorbeeld:
Na atoom heeft relatieve atoommassa 22.9877 [amu]
AM Na 22.98977
=
AM 12 C
12
m1 atoom Na 22.98977
=
= 1.916
m1 atoom 12 C
12
1 atoom Na is 1.916-maal zo zwaar als 1 atoom 12C
Absolute atoommassa
microscopisch ⇔ macroscopisch
individueel atoom [amu]
massa (lab) [g]
getal van Avogadro NAv
NAv = aantal atomen in 12 g
12C
NAv = 6.022 × 1023
massa 1 atoom
12
6C
=
12 g
6.022 x 10 23
= 1.992648 × 10 − 23 g
41
12C
NAv is gedefiniëerd voor
maar kan ook
voor andere atomen gebruikt worden
Voorbeeld:
Na atoom met relatieve massa 22.9877 [amu]
m1 atoom Na
22.98977
=
m
12
12
1 atoom
m1 atoom Na
C
22.98977
=
×m
1 atoom 12 C
12
NAv × m1 atoom Na
22.98977
=
× NAv × m1 atoom 12 C
12
22.98977
× 12 g = 22.98977 g
massa NAv Na atomen =
12
De massa, in gram, van NAv atomen van een
element is numeriek = relatieve atoommassa
42
Materie wegen = materie tellen
1 mol van een stof bevat NAv deeltjes
aantal
deeltjes
Ni = ni × NAv
aantal mol
mi = ni × AMi
massa
De massa, in gram, van 1 mol van een element is
numeriek = relatieve atoommassa
43
Bepaling relatieve atoommassa:
massaspectrometrie
Neon: relatieve atoommassa = 20.177
⇒ verwacht: 1 piek in massaspectrum bij 20.177
⇒ waarneming: 3 pieken in massaspectrum
44
45
Neon: relatieve atoommassa = 20.177
⇒ verwacht: 1 piek in massaspectrum bij 20.177
⇒ waarneming: 3 pieken in massaspectrum
A = Z + neutronen: 20; 21; 22
neon ⇒ Z = 10 ⇒ A − Z = 10; 11; 12
neon = mengsel van drie atoomtypes
3 isotopen van neon: 20
10 Ne
21
10 Ne
22
10 Ne
Natuurlijke abundantie Ne-isotopen: 90.48%; 0.27%; 9.25%
46
Neon: relatieve atoommassa = 20.177
massa van Ne = ( fractie
+
+
20
20
Ne
)
×
(
massa
10
10 Ne )
21
21
( fractie 10
Ne) × (massa 10
Ne)
22
22
( fractie 10
Ne) × (massa 10
Ne)
= (0.9048 ) × (19.99 )
+ (0.0027 ) × (20.99 )
+ (0.0925 ) × (21.99 ) = 20.177
47
Periodiek systeem van
de elementen
48
Periodieke wet
organisatie van scheikundige kennis in logische structuur
•analogie chemische eigenschappen van elementen
⇒ rangschikking atomen
•triades: - Cl, Br, I
•7 groepen van 3 tot 6 elementen
•natuurlijke rangschikking atomen
⇒ analogie eigenschappen elementen
Periodieke wet:
D. Mendeleev
eigenschappen atomen = f(atoommassa)
rangschikking elementen naar stijgende atoommassa
Nu: naar stijgend atoomgetal
49
50
alkalimetalen
aardalkalimetalen
chalcogenen
halogenen
transitiemetalen
vloeistof
binnenste transitiemetalen
aanduiding van B als “semi-metaal” kan variëren van tabel tot tabel
51
De chemische binding
52
Chemische binding
• verbinding = combinatie van twee of meer atomen
• atomen interageren via elektronwolken
chemische binding = krachten die atomen
samenhouden in een verbinding
•overdracht van elektronen ⇒ ionaire binding
•delen van elektronen ⇒ covalente binding
Ionaire binding
binding tussen metaal + niet-metaal
metaal → kation; niet-metaal → anion
kation + anion: elektrostatische interactie
•aantal elektronen opgenomen/afgestaan vorming ionen?
−2
−1
0
+1
+2
H
He
Li
Be
O
F
Ne
Na
Mg
S
Cl
Ar
K
Ca
Se
Br
Kr
Rb
Sr
Te
I
Xe
Cs
Ba
Pb
At
Rn
Fr
Ra
tot aantal elektronen dichtst
bijgelegen edelgas bereikt
53
54
Voorbeeld: NaCl
Metaal: Na; Z = 11; staat 1 elektron af ⇒ Na+ ion
Niet-metaal: Cl; Z = 17; neemt 1 elektron op ⇒ Cl- ion
elektrostatische aantrekking tussen
Na+ en Cl− ionen in rooster
ionaire verbindingen bestaan NIET uit
moleculen
kristalrooster =
regelmatige
schikking kationen
en anionen
•ook: polyatomair anion en/of polyatomair kation
[NH4]+Cl-
[CO3]2Ca2+
55
56
ionaire verbindingen zijn neutraal
|aantal positieve ladingen| = |aantal negatieve ladingen|
|2 × (-3)| = |3 × (+2)|
stoichiometrie ionaire verbinding
AaBb : |a Ab+| = |b Aa−|
Covalente binding
57
niet-metaal + niet-metaal: delen elektronen
Voorbeeld: H2
bindingsenergie
bindingslengte
aantrekking: stabiliserende bijdrage
afstoting: destabiliserende bijdrage
Ep = f(internucleaire afstand) < 0 ⇒ aantrekking > afstoting
Ep = f(internucleaire afstand): minimaal ⇒ covalente binding
Ep, min: bindingsenergie
internucleaire afstand bij Ep, min: bindingslengte
58
Poly-atomaire ionen
•eenheid van twee of meer covalent gebonden atomen met netto-lading
•identiteit eenheid blijft behouden bij reactie
carbonaat anion
ammonium ion
1+
H
CaCO3: calciumcarbonaat
H
N
H
H
ammonium chloride, NH4Cl
[NH4]+
1 C atoom covalent
gebonden met 3 O
atomen; lading = -2
[CO3]2Ca2+
Cl-
59
Soorten chemische
formules
60
Soorten chemische formules
•empirische formule: geeft verhouding aantal atomen
vb.: ethyleen; verhouding C:H = 1:2
empirische formule = CH2
•moleculaire formule: geeft aantal atomen
vb.: ethyleen; 2 C atomen, 4 H atomen
moleculaire formule = C2H4
n x (empirische formule) = moleculaire formule
•structuurformule: geeft connectiviteit atomen
vb.: ethyleen; 2 C atomen, 4 H atomen
H
H
C
H
C
H
61
Examenstof
belangrijke vaardigheden
♦herkennen van ≠ klassen van materie
♦toepassen massawetten
♦bepalen relatieve atoommassa ⇔ chemische formules
⇔ isotopen
♦gebruik atoomsymbolen⇔ protonen, neutronen, elektronen
♦gebruik periodiek systeem ⇔ metalen, niet-metalen
⇔ vorming van ionen
♦herkennen van ionaire en covalente verbindingen
♦chemische formules: empirische, moleculaire, structuur
♦berekenen moleculaire/formule massa
♦naamgeving: formule ⇔ naam (systematische naam EN gebruiksnaam)