Hoofdstuk 3 Atoombouw en Periodiek Systeem

Curie havo 1 • Antwoorden Hoofdstuk 3
Hoofdstuk 3
22
Atoombouw en Periodiek Systeem; metalen
Inleiding
3.1
Water
Hout
Houtskool
Staal
PVC
Zout
Suiker
3.2
Een atoom is het deeltje waaruit een molecuul is opgebouwd.
Een molecuul is een deeltje van een stof dat karakteristiek is voor die stof.
Een molecuul is een groep aan elkaar gebonden atomen met een voor elke stof constante
atoomsamenstelling.
3.3
Ja, losse atomen zijn bolvormig.
3.4
Nee, een verzameling atomen is niet bolvormig.
Decaan, CH3 – (CH2)8 – CH3, bijvoorbeeld, heeft een langgerekte vorm.
3.1 / 3. 2
H,O
C,H,O
C
Fe,C
C,H,Cl
Na,Cl
C,H,O
De bouw van het atoom/ionen
3.5
Soort deeltje
elektron
proton
neutron
Symbool
ep+
n°
Waar in het atoom?
om de kern
in de kern
in de kern
3.6
Element
Aantal
protonen
89
13
95
Lading kern
Ac
Al
Am
3.7
a
b
89+
13+
95+
Lading
1–
1+
0
Aantal
elektronen
89
13
95
Massa in u
5,5 • 10–4
1
1
Lading
elektronenwolk
89–
13–
95–
Atoom: het aantal elektronen is gelijk aan het aantal protonen.
Ion: het aantal elektronen is ongelijk aan het aantal protonen.
Positieve ionen: het aantal protonen is groter dan het aantal elektronen.
Negatieve ionen: het aantal protonen is kleiner dan het aantal elektronen.
3.8
Ionen van metalen hebben een positieve lading.
Ionen van niet-metalen hebben een negatieve lading.
3.9
a
10 Neon (Ne)
20 Calcium (Ca)
30 Zink (Zn)
40 Zirkonium (Zr)
50 Tin (Sn)
80 Kwik (Hg)
90 Thorium (Th)
Curie havo 1 • Antwoorden Hoofdstuk 3
b
Ne: neon reclameverlichting; neonlasers
Ca: in kalk, marmer, krijt, gips
Zn: dakgoten, afvoerpijpen
Zr: corrosiebestendige chemische apparatuur, kerntechniek, vuurwerk
Sn: soldeer, gietmetaal (beeldjes)
Hg: thermometers, barometers
Th: in snelle kweekreactoren, warmtebestendige legeringen
3.10
Een atoom bismut heeft 83 protonen (= atoomnummer) en 209 – 83 = 126 neutronen.
Het atoom is elektrisch neutraal en moet dus 83 elektronen hebben.
3.11
Een fluoratoom heeft atoomnummer 9 en heeft dus 9 protonen.
Het massagetal is het aantal protonen plus het aantal neutronen, dus 9 + 10 = 19.
3.12
Het atoomnummer is gelijk aan het aantal protonen, dus 20.
3.13
Het atoomnummer van mangaan is 25.
3.14
a
b
c
d
3.15
a
b
c
Deeltje
Fe3+
K+
Se2–
N
Aantal protonen Aantal elektronen
26
23
19
18
34
36
7
7
Ja, onder de juiste omstandigheden kunnen door kernfusie uit lichtere elementen
zwaardere elementen ontstaan. Volgens de tekst gaat dat voor goud (atoomnummer
79) wél langzaam.
Een heliumkern bevat 2 protonen, een koolstofkern bevat er 6. Na samensmelten heb je
een kern met 8 protonen. Dat is een zuurstofkern.
Ja, waterstof is direct na de oerknal ontstaan. In de sterren die vervolgens ontstonden
zijn zuurstof en koolstof ontstaan (door kernfusie).
3.16
a
Metalen zijn vaste stoffen. Alleen kwik is vloeibaar.
Veel metalen.
Geen gassen.
Veel minder elementen.
3.17
a
Het element met atoomnummer 104 is rutherfordium (Rf).
105 is dubnium (Db).
106 is seaborgium (Sg).
107 is bohrium (Bh).
108 is hassium (Hs).
109 is meitnerium (Mt).
110 is darmstadtium (Ds)
111 is roentgenium (Rg)
227
112 protonen en 227 – 112 = 115 neutronen
b
c
23
Curie havo 1 • Antwoorden Hoofdstuk 3
3.3
24
Atoommassa, molecuulmassa en ionmassa
3.18
De atoommassa is de massa van een atoom (eenheden: kg, g en u). De getalwaarde heeft
cijfers achter de komma. De massa van lithium bijvoorbeeld is in u 6,941 u.
Het massagetal van een atoom (of ion) is de som van het aantal protonen en het aantal
neutronen in de kern van dat atoom (of ion). Een massagetal is dus altijd een geheel getal.
Voor lithium is het massagetal bijvoorbeeld 7.
3.19
In CaO is de massaverhouding tussen Ca en O 5 : 2.
In CaS is de massaverhouding tussen Ca en S 5 : 4
De massaverhouding tussen O- en S-atomen is dus 2 : 4 = 1 : 2.
Het zwavelatoom is dus 2 keer zo zwaar als het zuurstofatoom.
3.20
Bij een massaverhouding tussen zwavel en zuurstof van 1 : 1 zijn er twee keer zoveel
zuurstofatomen als zwavelatomen, want zwavelatomen zijn twee keer zo zwaar als
zuurstofatomen. De formule is dus SO2.
Bij een massaverhouding tussen zwavel en zuurstof van 2 : 3 is de verhouding tussen het
aantal zwavel- en zuurstofatomen 2 : 6 = 1 : 3. De formule is dus SO3.
3.21
Zie BINAS tabel 7.
1 u = 1,66 054 • 10–27 kg = 1,66 054 • 10–24 g =
0,000 000 000 000 000 000 000 001 660 54 g.
3.22
Eén watermolecuul heeft drie atomen, waarvan één zuurstofatoom.
Als één waterdruppel 3 • 1021 atomen bevat dan zijn dat 1 • 1021 moleculen met daarin ook
1 • 1021 zuurstofatomen. Hun massa is 89% van 0,03 g.
Een zuurstofatoom weegt dan
89
0,03
•
g = 3 • 1023 g.
100
1  1021
3.23
a
b
c
d
e
M(H20) = 2 A(H) + A(O) = 2 • 1.01 u + 16,00 u = 18,02 u. Op dezelfde manier:
M(N2) = 2 A(N) = 2 • 14,01 u = 28,02 u
M(H3PO4) = 3 A(H )+ A(P) + 4 A(O) = 3 • 1,008 u + 30,97 u + 4 • 16,00 u = 97,99 u
M(NH3) = A(N) + 3 A(H) = 14,01 u + 3 • 1,008 u = 17,03 u
M(S2Cl2) = 2 A(S) + 2 A(Cl) = 2 • 32,06 u + 2 • 35,45 u = 135,0 u
3.24
a
b
c
d
e
Klopt.
Niet in tabel 98 (41).
Klopt vrijwel. Tabel 98 (41) geeft 98,00 u.
Klopt.
Niet in tabel 98 (41).
3.25
Ethanol is C2H5OH (= C2H6O).
M(C2H6O) = 2 A(C) + 6 A(H) + A(O) = 46,07 u.
3.26
a
b
ionmassa(Ca2+) = A(Ca) = 40,08 u
ionmassa(F–) = A(F) = 19,00 u
3.27
a
b
47 + 62 = 109
Atoomnummer 47. Ag (zilver).
3.28
Dat komt doordat protonen en neutronen massa’s van vrijwel 1 u hebben en de massa
van de elektronen ten opzichte van 1 u verwaarloosbaar klein is (0,00055 u).
Curie havo 1 • Antwoorden Hoofdstuk 3
25
3.29
Atoommassa van S is 32,06 u. Het ion heeft 2 elektronen extra en die wegen elk 0,00055 u.
De ionmassa van S2– is dus 32,06 u + 2 • 0,00055 u = 32,06 u (twee decimalen, bij het
optellen van meetwaarden geldt dat het antwoord moet staan in het kleinste aantal
decimalen).
De atoommassa is dus in de praktijk gelijk aan de ionmassa.
3.30
In de homologe reeks van de alkanen neemt het massapercentage koolstof toe als de
moleculen groter worden:
Alkaan Verhouding aantallen
C:H
CH4
1:44
C2H6
2:6=1:3
Molecuulmassa
Koolstofmassa
%C
16,04 u
30,07 u
12,01 u
24,02 u
74,88
79,88
Ethaan heeft dus een groter massapercentage koolstof dan methaan.
3.31
De molecuulmassa van glucose is 180,2 u (zie BINAS tabel 98 (41)).
De totale massa van de C atomen is 6 • 12,01 u = 72,06 u.
Het massapercentage koolstof bedraagt
3.32
a
b
72,06 u
• 100% = 40,00%.
180,2 u
16,00 u
• 100% = 88,79%
18,02 u
De hoeveelheid opgelost O2 in slootwater varieert afhankelijk van de temperatuur en de
aanwezigheid van planten en dieren.
.
3.33
Een bot van 100 g bevat 30 g Ca3(PO4)2 en 60 g CaCO3.
3  40,08 u
= 11,6 g calcium.
310,2 u
40,08 u
60 g CaCO3 bevat
= 24,0 g calcium.
100,1 u
30 g Ca3(PO4)2 bevat
In totaal bevat 100 g bot 11,6 g + 24,0 g = 35,6 g calcium. Dat is 36% (twee significante
cijfers).
3.4 / 3.5
Elementgroepen / Periodiek Systeem
3.34
b
Silicium staat in groep 14, periode 3.
3.35
Helium, neon en argon.
3.36
Periode 1:
Periode 2:
Periode 3:
Periode 4:
Periode 5:
Periode 6:
Periode 7:
3.37
Het blijkt dat alle elementen in groep 3 de elektrovalentie 3+ hebben.
3.38
Zouten zijn combinaties van positieve en negatieve ionen. Metalen hebben positieve
metaalkernen en los gebonden elektronen. Moleculaire stoffen bestaan niet uit ionen.
Het antwoord is dus ‘alle zouten’ en dat zijn: c magnesiumoxide, e zinkjodide, g
magnesiumsulfide en h natriumhydroxide.
2 elementen
8 elementen
8 elementen
8 elementen
18 elementen
32 elementen (inclusief de lanthaniden)
32 elementen (inclusief de actiniden en de nog niet ontdekte elementen)
Curie havo 1 • Antwoorden Hoofdstuk 3
3.39
a
b
26
Cesium want de stoffen in groep 1 van het Periodiek Systeem reageren allemaal heftig
met water. Hoe verder je naar beneden gaat, hoe heftiger de reactie. Het zou in theorie
ook francium kunnen zijn, maar francium is niet stabiel genoeg voor zulk onderzoek.
Ja. Je kunt overeenkomsten zien en trends voorspellen in chemische eigenschappen. In
de scheikunde en natuurkunde moet echter alles met experimenten bewezen worden.
Voor francium is nog geen bewijs dat het reactiever is dan cesium.
3.40
2 Li + 2 H2O  2 LiOH + H2
2 K + 2 H2O  2 KOH + H2
3.41
a
Halogeen
F2
Cl2
Br2
I2
b
Bij 20°C (293 K) zijn F2 en Cl2 gassen: de temperatuur ligt boven het kookpunt.
Bij 20°C is Br2 een vloeistof: de temperatuur ligt tussen het smeltpunt en het kookpunt.
Bij 20°C is I2 een vaste stof, de temperatuur ligt onder het smeltpunt.
3.42
3.6
Smeltpunt in K
54
172
266
387
Smeltpunt in °C
–219
–101
–7
114
Kookpunt in K
85
239
332
458
Kookpunt in°C
–188
–34
59
185
Als alle zuurstof uit lucht is blijft niet alleen stikstof over maar ook 1% andere gassen (vooral
edelgassen). Die zorgen ervoor dat de dichtheid van dat mengsel iets verschilt van die van
zuivere stikstof.
Metalen
3.43
a
b
3.44
Een mengsel van koper en zink.
3.45
Dit is een open opdracht. Zoek de alliages en toepassingen op in een encyclopedie of op
internet.
3.46
a
b
Dit is een open opdracht. Zoek de toepassingen op in een encyclopedie of op internet.
Aluminium heeft een lage dichtheid, je kunt er vliegtuigen van bouwen.
Koper heeft een lage soortelijke weerstand, geleidt dus goed en is dus te gebruiken als
stroomdraad.
Wolfraam heeft een hoog smeltpunt en is geschikt als gloeidraad in gloeilampen.
Er zijn 90 metalen bekend (112 – 22 = 90).
90
• 100% = 80%
112
3.47
a
b
groepen 17 en 18
groepen 2 t/m 12
3.48
De metaalbinding is de binding tussen positieve metaalionen en de ertussen bewegende
valentie-elektronen.
Een metaalverbinding is een zuivere stof waarin tenminste één metaal aanwezig is,
bijvoorbeeld NaCI, NaOH, enz.
Curie havo 1 • Antwoorden Hoofdstuk 3
27
3.49
a Nee, in ertsen zijn metalen gebonden aan andere atomen, zoals zuurstof of zwavel, of
aan andere groepen: carbonaten, sulfaten. Alleen in zeldzame gevallen komen
metaalbindingen ook in ertsen voor, namelijk in ertsen van edele metalen. Dus bijvoorbeeld
wél in gouderts, maar niet in ijzererts.
b De metaalbinding komt ook in legeringen voor. Ook atomen van verschillende metalen
kunnen dus op deze manier binden.
3.50
a
Een voorbeeld van vijf moleculaire stoffen en vijf metalen met hun kookpunten zie je in
de volgende tabel.
Moleculaire stoffen
pentaan
1-hexeen
2-butanol
propaanzuur
palmitinezuur
b
c
3.51
a
b
c
d
e
f
g
h
i
Kookpunt in K
309
337
373
414
62
Metalen
Na
Fe
Hg
Au
W
Kookpunt in K
1156
3134
630
3129
5828
De conclusie is dat de meeste metalen een veel hoger kookpunt hebben dan
moleculaire stoffen.
De meeste metaalbindingen zijn erg sterk want de meeste metaalatomen gaan pas bij
heel hoge temperatuur uit elkaar (koken).
Moleculaire stoffen worden bij elkaar gehouden door molecuulbindingen
(vanderwaalsbindingen). Die zijn in het algemeen minder sterk.
Op het oppervlak van de maan is het luchtledig. Dan zijn zelfs sommige metalen
vluchtig.
De metalen met een relatief laag kookpunt zoals natrium en kwik (zie de tabel van
opgave 3.50) zijn op de maan dus vluchtig.
Nikkel staat in het periodiek systeem in een groep waar verder alleen edelmetalen in
staan. Groep 10.
In een 18 karaats gouden ring zit 18/24 massadeel goud en 6/24 massadeel palladium.
18
Dus
• 5,82 g = 4,37 g goud en 5,82 g – 4,37 g = 1,45 g palladium.
24
1,45 g
• 100% = 25 massa% palladium.
5,82 g
Paladium kost per gram 800 /31,1 € = € 25,7
1,45 g paladium kost dus 1,45 g • 25,7 € g-1= € 37,30.
Goud kost per gram 260/31,1 € = € 8,36
4,37 g goud kost dus 4,37 g • 8,36 € g-1= € 36,53.
Het materiaal van de ring kost dus € 37,30 + € 36,53 = € 73,83.
Koper is halfedel metaal. Een geelgouden ring is dus minder bestand tegen verwering.
Deze scheidingsmethode heet extractie.
Het mengsel heet goudamalgaam.
Het verschil in eigenschappen is gebaseerd op het verschil in kookpunt. Het kookpunt
van kwik is 630 K en het kookpunt van goud is 3129 K.
Curie havo 1 • Antwoorden Hoofdstuk 3
3.7
28
Afsluiting
3.52
Zilver komt in de natuur voor met twee verschillende massagetallen:
- 51,8% met massagetal 107
- 48,2% met massagetal 109.
Zilver met massagetal 107 heeft 47 protonen, 47 elektronen en 107 – 47 = 60 neutronen.
Zilver met massagetal 109 heeft 47 protonen, 47 elektronen en 109 – 47 = 62 neutronen.
3.53
a
Groep 1, 13, 14, 15 en 16.
b
Metalen
beryllium
francium
holmium
thallium
tin
ytterbium
c
Edelgassen: helium, neon, argon, krypton, xenon, radon.
Halogenen : fluor, chloor, broom, jood, astaat.
Niet-metalen
argon
astaat
fosfor
koolstof
3.54
Lithium en rubidium lijken meer op elkaar want ze staan in dezelfde groep van het periodiek
systeem (groep 1).
3.55
a
b
c
3.56
a
Distikstoftrioxide is N2O3. De molecuulmassa is 2 • 14,01 u+ 3 • 16,00 u= 76,02 u.
De molecuulmassa van C57H110O6 bedraagt:
57 • 12,01 u + 110 • 1,008 u + 6 • 16,00 u = 891,5 u.
Een Ni3+ ion heeft een even grote massa als een Ni atoom, namelijk 58,71 u.
Ethanol is C2H5OH (= C2H6O), M(C2H6O) = 2 A(C) +6 A(H) + A(O) = 46,07 u.
De massa van koolstof in een molecuul ethanol is 2 • 12,01 u = 24,02 u.
Het massapercentage koolstof in ethanol is
24,02 u
• 100% = 52,14%.
46,07 u
C8H18 is octaan, M(C8H18) = 8 A(C) + 18 A(H) = 114,2 u.
De massa van koolstof in octaan is 8 • 12,01 u= 96,08 u.
Het massapercentage koolstof in octaan is
b
c
3.57
a
b
c
96,08 u
• 100% = 84,13%.
114,2 u
Voor dezelfde hoeveelheid energie moet je meer ethanol verbranden. Hierbij zal meer
koolstofdioxide vrijkomen.
100 g ethanol bevat 52,14% koolstof, dus 52,14 g koolstof.
58,5 g benzine bevat 0,84,13 • 58,5 g = 49,1 g koolstof.
Deze twee hoeveelheden brandstof leveren evenveel energie, maar ethanol bevat meer
koolstof en levert dus ook meer koolstofdioxide bij verbranding.
In goud zijn er metaalbindingen tussen positieve goudionen en negatieve los gebonden
elektronen.
In calciumoxide zijn er ionbindingen tussen positieve calciumionen en negatieve oxideionen.
Goud geleidt stroom, omdat de valentie-elektronen zich kunnen verplaatsen.
In calciumoxide heb je geen vrije valentie-elektronen, alleen ionen die zich in de vaste
stof niet kunnen verplaatsen.
Een legering. Een verbinding zou één vaste verhouding tussen Au en Ag hebben.