Toegepaste scheikunde

1. Structuurmodel van de materie
0. Inleiding:
De materie bestaat uit verschillende atomen. Er zijn een 100-tal atoomsoorten of elementen. (deze worden
voorgesteld volgens hun eigen symbool)
Vb: O = zuurstof; Ca = Calcium
Atomen die gebonden zijn aan elkaar noemt men moleculen.
Vb: O2 = de zuurstofgasmolecule bestaat uit 2 zuurstofatomen.
H2O = de molecule water bestaat uit 2 atomen waterstof (H) en 1 atoom zuurstof (O)
Het aantal moleculen wordt weergegeven door de coëfficiënt
Vb: 2O2 = 2 moleculen zuurstof gas ( er zijn dus 4 atomen zuurstof)
Indeling van de stoffen:
Enkelvoudige stoffen  stoffen die uit één soort atomen bestaan.
Vaste stoffen  de atomen zijn gegroepeerd volgens een regelmatig geordend patroon = raster.
Kunnen enkel trillen in hun rooster. (hoe warmer, meer trillen)
Vb: metalen, diamant, graniet,…
Vele vaste stoffen zijn gerangschikt in een groter geheel, een rooster. Hier zijn de grenzen van de molecule niet
af te bakenen. Men stelt deze stoffen voor door de verhoudingsformule.
Hierin geeft men de verhouding van de aanwezige atomen aan.
Bij vloeistoffen hebben de atomen vrijheid (tussen de grenzen van de vloeistof!!!)
Gasvormige stoffen  deze stoffen zijn meestal diatomische moleculen.
Diatomisch = 2 moleculen
Vb:O2; H2
Samengestelde stoffen  stoffen die bestaan uit meerdere soorten atomen. Opgebouwd uit moleculen.
Vb: H2O, CO2
1. Atoommodellen
Een atoom is dus opbebouwd uit kleinere deeltjes. (zelf nog aanduiden op tek.)
De bouw van een atoom:
- Kern:
o Protonen:
relatieve massa = 1
lading = +1
o Neutronen
relatieve massa = 1
lading = 0 (geen lading)
- Elektronenwolk:
o Elektronen
relatieve massa = verwaarloosbaar gewicht
lading = -1
Een atoom is erg leeg (ijl)
Een atoom is neutraal  er zijn evenveel elektronen als protonen.
a
zX
a = massagetal  som van aantal protonen en neutronen
z = atoomnummer  aantal protonen in de kern
X = atoom zelf
Vb:
56
26Fe
1
1H
= 26 protonen, 26 elektronen, 30 neutronen
= 1 proton, 1 elektron, 0 neutronen
Structuur van een elektronenwolk
Bij de studie van de structuur van de elektronenwolk is de wisselwerking tussen materie en straling belangrijk.
Men bestudeerde aan de hand van licht en een prisma.
Vb: ijzer, als je deze verhit krijgt deze een roodgloeiend of witgloeiende kleur. De kleur die wordt uitgezonden
geeft de functie van de atomen weer. Als men dat licht door een prisma stuurt, bekomt men een lijnenspectrum.
De structuur volgens Bohr-Sommerfeld:
Bohr deelde de atomen in volgens verschillende schillen of energieniveaus: De elektronen bewegen zich op
ellipsvormige banen. De elektronen op deze banen hebben een welbepaalde energiewaarde, die groter is
naarmate de straal van de baan toeneemt.
Deze schillen worden aangeduid door het hoofdkwantumgetal n.
Het aantal elektronen wordt berekend volgens de formule  2n²
Schil
K
L
M
N
N
1
2
3
4
Aantal e2
8
18
32
32 is het maximum aantal elektronen op de schillen. Er zijn wel 7 niveaus dus  O, P, Q met elk 32 e-
Een hoofdniveau wordt opgesplitst in subniveaus. nl. de s-p-d-f niveaus.
Schil
K
L
n
1
2
Subniveaus
s
s
p
s
l
0
0
1
0
Aantal e2
2
6
2
M
3
p
d
1
2
6 10
N
4
s
0
2
p
1
6
d f
2 3
10 14
De elektronenconfiguratie
Deze configuratie geeft weer hoe de elektronen over de verschillende schillen en subschillen worden verdeeld.
(zie pg 9 voor beter schemake en oef)
Het periodiek systeem der elementen (PSE)
Periode  de rij, horizontale
Groep  de kolom, verticale
Hoofdgroepen of a-groepen
Alle elementen van eenzelfde a-groep hebben dezelfde aantal elektronen in de buitenste schil (valentieelektronen)
Dit zijn elementen waarvan het laatste elektron in de s-schil, p-schil zitten
Vb:
19K = 2 – 8 – 8 – 1
1s²
2s² 2p6 3s² 3p6 4s1
12Mg = 2 – 8 – 2
1s² 2s² 2p6 3s²
Nevengroepen of b-groepen
Bij de elementen van de b-groepen komt het elektron dat het laatst geplaatst moet worden in de d-schil, f-schil.
2. De chemische binding
Edelgassen:
- Zijn 1-atomige enkelvoudige stoffen
- Zijn chemisch inert
- Hebben de octetstructuur (8 elektronen op de buitenste schil, stabiel)
De ionenbinding
Binding tussen metaal en niet-metaal. De gevormde elektronen trekken elkaar aan. Die ionen vormen volgens
een bepaald patroon een ionenrooster.
Vb: zie pg 12
De covalente binding (atoombinding)
De gewone covalente binding
Binding tussen 2 niet-metalen. Ze verkregen de stabiele octetstructuur door het gemeenschappelijk stellen van
elektronen.
Deze binding wordt voorgesteld volgens de Lewis-notatie.
Opm:
- Elk element gaat zoveel gewone covalente bindingen aan als het e- tekort heeft.
- Waterstof gaat ALTIJD 1 binding aan.
De covalente binding met het donor-acceptortype
Het gemeenschappelijk elektronenpaar is hier afkomstig van één atoom. Een atoom met een vrij elektronenpaar
(donor) kan dit elektronenpaar gemeenschappelijk stellen met een ander atoom (acceptor). Ook wel de datiefcovalente binding genoemd.
Vb:zie pg. 14
Polariteit van moleculen
De capaciteit van een atoom om elektronen in een binding naar zich toe te trekken wordt aangegeven door de
EN-waarde.
Atomen met een relatief grote EN-waarde trekken de gemeenschappelijke elektronen in een binding meer aan als
die met een lagere EN-waarde.
EN = Elektronegatieve Waarde
De ladingen worden in Lewis-notatie weergeven als δ- en δ+. Een binding is gepolariseerd en men stpreekt van
een polaire covalente binding. De verschuiving is des te sterker naarmate het verschil in EN-waarde groter is.
Vb: pg 14-15
Een binding tussen 2 identieke atomen is niet polair.  dit noemt men apolaire bindingen.
?water?  polaire moleculen. Als het verschil tussen de EN-waarden van de gebonden moleculen klein is, dan
treden slecht kleine verschuivingen op. (pg15)
Polaire bindingen geven meestal aanleiding tot een polaire molecule of dipool.
Oxidatiegetal van een atoom
OG = de lading die het atoom krijgt als de verschuiving van de verbindingselektronen volledig zou zijn.
Vb: pg 15
In een verbinding is de algebraïsche som van het OG van alle getallen gelijk aan 0.
Bij een polaire covalente verbinding zijn de OG gemakkelijk af te leiden.
Vb: pg 15
Bij een apolaire covalente binding is er geen verschuiving en is het OG = 0.
Samenvatting
De ionenbinding is een extreem geval van een polaire covalente binding, waarbij het verschil in EN-waarde
tussen de atomen zo groot is dat het elektronenpaar volledig verschuift naar één atoom.
De metaalbinding:
Om een stabielere toestand te bereiken geven metaalatomen elektronen af. Deze metaalionen behoren
gemeenschappelijk aan alle atomen en bewegen zich min of meer vrij tussen de metaalionen (vrije elektronen).
De positieve ionen worden stevig door elektrostatische krachten bijeengehouden door deze vrije elektronen.
Metaal  ordelijk gerangschikte positieve metaalionen (rooster) bijeengehouden door vrije valentie-elektronen.
3. Het gedrag van stoffen in water
Oppervlaktewater  water dat zich aan het aardoppervlak verzamelt: oceanen, meren, rivieren
Interceptie  deel van de regen en verdamping dat wordt opgenomen door vegetatie
Run-off  deel van de regen dat wegvloeit
Percolatie  deel van de regen dat in de grond infiltreert
Grondwater  water dat zich verzamelt op een ondoordringbare laag.
Water als polair oplosmiddel
De oplosbaarheid van bepaalde stoffen in water hangt af van de polariteit van die stoffen.
Algemeen:
Polaire stoffen lossen op in polaire oplosmiddelen
Apolaire stoffen lossen op in apolaire oplosmiddelen
Vb: polaire oplosmiddelen = water, mindere mate alcohol
Apolaire oplosmiddelen =, ether, benzine
De concentratie van een oplossing geeft aan hoeveel opgeloste stof er aanwezig is in een bepaalde hoeveelheid
oplossing.
Volumeprocent  zoveel procent van die stof zit er in dat product.
Vb: in een fles azijn zit 8% azijnzuur
Massaprocent  zoveel ml in 100ml
Vb: 5vol% = 5ml in 100ml
Elektrolyten
Dit zijn samengestelde stoffen die, opgelost in water, uiteenvallen in ionen en daardoor de elektrische stroom
geleiden.
Ionoforen of ionendragers  bij het oplossen in water valt het ionenrooster uiteen en komen er ionen vrij, die
elektrolyten zijn de dragers.
De meeste covalente verbindingen geleiden de elektrische stroom nog in vast, noch in vloeibare op opgeloste
toestand.
Ionogenen of ionenvormers: polaire covalente verbindingen, die in het water ioniseren.
Sterke elektrolyten  stoffen die water opgelost, volledig of bijna volledig in ionen splitsen.
Zwakke elektrolyten  stoffen die in water oplossen, maar slechts in beperkte mate in ionen splitst.
Anorganische verbindingsklassen
Stoffen kunnen ingedeeld worden op basis van hun samenstelling: enkelvoudige of samengestelde stoffen.
Samengestelde stoffen:
- Anorganische stoffen
- Organische stoffen (koolstofverbindingen)
Verbindingsklassen is een groep verbindingen die bepaalde chemische eigenschappen gemeenschappelijk
hebben.
Zuren
Zuren zijn elektrolyten in die opgelost in water H +-ionen (protonen) afsplitsen. Het negatieve ion dat hierbij
ontstaat noemen we de zuurrest.
Vb:
HCl  H+ + ClH2SO4  H+ + HSO4HSO4-  H+ + HSO42De zuren kunnen volgens de samenstelling in 2 groepen ingedeeld worden:
- Binaire zuren
o Deze zuren zijn opgebouwd uit atomen van enkel 2 elementen, nl. waterstof en een niet-metaal
Vb: HF, HCl, HBr, HI,…
- Ternaire zuren
o Deze zuren zijn opgebouwd uit atomen van 3 elementen, nl. waterstof, een niet-metaal en een
zuurstof. (oxozuren)
Formule
Triviale naam
Vereenvoudigde naam
zuurresten
H2SO4
Zwavelzuur
Waterstofsulfaat
HSO4- , SO42HNO3
Salpeterzuur
Waterstofnitraat
NO3H3PO4
Fosforzuur
Waterstoffosfaat
H2PO4- , HPO42- , PO43H2CO3
Koolzuur
Waterstofcarbonaat
HCO3- , CO32Indicatoren = kleurstoffen die veranderen van kleur onder invloed van de zuren.
Hydroxiden
Dit zijn elektrolyten die in het water OH- -ionen kunnen afsplitsen en basische of alkalische oplossingen vormen.
Vb
NaOH  Na+ + OHCa(OH)2  Ca2+ + 2 OHAL(OH)3  Al3+ + 3 OH….. al gemaakt opt school. Nog sture nor huis….
Spanningsreeks van de metalen
De verdringingsreeks of spanningsreeks van de metalen kan experimenteel afgeleid worden. Sommige metalen
verdrijven een ander metaal uit zijn zouten.
Vb:
Zink reduceert de koperionen. De omgekeerde reactie is onmogelijk: koper kan zinkionen niet reduceren. Zink is
een sterkere reductor dan koper.
In de spanningsreeks worden de metalen gerangschikt van volgens dalend reducerend vermogen:
Vb: pg 35
-
Alkalimetalen hebben zo’n groot reducerend vermogen dat ze in staat zijn diwaterstof uit water te
verdringen. Ontstaan basische oplossing.
Aluminium, zink, ijzer kunnen diwaterstof uit een zuur verdringen
Metalen na H2 reageren niet met zuren. Ze hebben zo’n klein reducerend vermogen dat ze aan de lucht
niet oxideren. (dit zijn de edele metalen)
Belangrijke metalen
Corrosie van metalen
Corrosie = het aantasten van metalen en andere materialen als gevolg van chemische of fysische processen.
Bij oxidatie van een metaal is het probleem dat het corrosieproduct meestal een groter volume inneemt dan het
oorspronkelijk metaal.  vervormingen, breuken van het omringend metaal.
Roesten van ijzer  redoxreactie.
IJzer wordt geoxideerd door zuurstof:
Het gevormde ijzer(II)hydroxide kan verder geoxideerd worden:
Het ijzer(III)hydroxide kan gedeeltelijk water verliezen  Fe2O3 onstaat.
Het oxide is poreus  verder roesten
Voorkomen  het metaal beschermen met hechtende laag zink, aluminium  bescherming tegen corrosie.
Verschillende beschermingsmethoden:
- Elektrolytische bescherming: een ander metaal wordt op de metaalconstructie aangebracht.
- Legeren van metalen. ( roestvrij staal = staal met chroom, nikkel toegevoegd)
- Verven van de metalen.
4. Verbranding
Energetische aspecten van een chemische reactie
Bij chemische reacties komt warmte vrij. De energie is in de materie zelf opgestapeld. Bij een chemische reactie
is er niet alleen de herschikking van de atomen, maar er is ook een energie-uitwisseling.
De studie hiervan noemt Thermodynamica.
Energie kan omgezet worden van de ene vorm in de andere.
De hoeveelheid energie in het universum is constant
Eerste wet van thermodynamica: In elk proces kan energie worden omgezet van de ene vorm in de andere, maar
energie kan nooit gecreëerd of vernietigd worden.
Exo-energetische reactie  er komt energie vrij  de energie van de reactieproducten is lager dan die van de
reagentia
Endo-energetische reactie  er wordt energie opgenomen  de energie van de reactieproducten is hoger dan
die van de reagentia
Activeringsenergie  Energie die moet worden toegevoegd om de reactie op gang te krijgen.
Organische verbindingsklassen
Vroeger? Stoffen die in levende organismen voorkomen en hierin ook ontstaan.
Nu? Stoffen die ook via niet-biologische weg kunnen worden gemaakt.
Koolstof was het centraal element = C
Organische stoffen = koolstofverbindingen (omdat er steeds het element koolstof in voorkomt)
Koolstof kan vier enkelvoudige covalente bindingen aangaan.
Koolstof kan ook met andere koolstofatomen bindingen aangaan (ontstaan koolstofringen of ketens)
Koolwaterstoffen (KWS)
1. Acyclische of alfatische KWS
Dit zijn KWS die bestaan uit open koolstofketens (geen ringen)
Vb:
1.1 Alkanen
Dit zijn KWS waarbij een maximaal aantal waterstofatomen in de verbinding opgenomen is. De verbinding is
verzadigd aan waterstof.
= verzadigde alifatische KWS
Verhoudingsformule = CnH2n+1
Alkylgroep: atoomgroep met 1 waterstofatoom minder dan het corresponderende alkaan.
Om de positie van een alkylgroep aan te geven nummert men de atomen van de keten zo dat men voor de
alkylgroepen de kleinst mogelijke nummers krijgt.
1.2 Alkenen en alkynen
Dit zijn onverzadigde KWS.
Alkenen bevatten een tweevoudige binding. Per 2-voudige binding hebben zij 2 waterstofatomen minder dan de
corresponderende alkanen.
Verhoudingsformule = CnH2n
De plaats van de 2-voudige binding wordt aangegeven met een zo klein mogelijk getal.
Alkynen zijn KWS die een drievoudige binding bevatten.
Per 3-voudige binding verliezen ze vier waterstofatomen t.o.v. de alkanen
Verhoudingsformule = CnH2n+1
1.3 Isomerie
= het voorkomen van moleculen met dezelfde verhoudingsformule maar met verschillende structuur of
configuratie.
Stereo-isomeren  (=geometrische isomeren) verschillen in rangschikking waarop de atomen in de ruimte
georiënteerd zijn.
Structuurisomeren  bevatten dezelfde soort atomen en zelfde aantal atomen, maar zijn op een verschillende
manier onderling verbonden.
2. Alicyclische KWS
Dit zijn KWS waarbij C-atomen aan mekaar gebonden tot een ring.
Er zijn 2 atomen minder dan de alkanen (het zijn isomeren van de alkanen)
De naam is overeenkomstig met het aantal koolstofatomen in de ring en wordt voorafgegaan door “cyclo”.
Koolstofverbindingen met karakteristieke groepen
Deze verbindingen zijn ingedeeld op basis van de karakteristieke atoomgroep in hun structuur.
Hier zijn niet alleen koolstof en waterstof aanwezig.
Er wordt een suffix en prefix aan toegevoegd.
-
Alcoholen:
karakteristieke groep = hyroxylgroep of OH-groep
-
Carbonzuren
karakteristieke groep = carboxylgroep
O
-- C – OH
of – COOH
-
Ketonen
karakteristieke groep = carbonylgroep
-
Aldehyden
karakteristieke groep = aldehydgroep
of --CHO
methanal of formaldehyd
3. Fossiele brandstoffen
3.1 Energie uit de grond
Energie is noodzakelijk in ons leven.
Bevredigen van onze energiebehoeften door steenkool, aardolie, aardgas.
Aardolie  dit is een complex mengsel van KWS.
 het octaangetal is gelijk.
Aardgas  samenstelling is afhankelijk van de vindplaats
 hoofdbestanddeel = methaan
Verbrandingswarmte: de energie die vrijkomt bij de volledige verbranding van 1 mol van een stof.
3.2 Energie voor transport
Aardolie kan door gefractioneerde destillatie gescheiden worden in verschillende fracties.
-
LPG (Liquid Petroleum Gas)
vloeibaar mengsel van propaan en butaan als brandstof voor auto’s.
Benzine
mengsel van koolwaterstoffen met ketenlengte 6-12
o Straight-run benzine = benzine dat rechtstreeks uit destillatie komt.
o Cracking benzine = hogere koolwaterstoffen die gekraakt zijn door katalysator
o Motorbenzine = in de carburator gemengd met lucht tot fijne nevel
2-takt = olie en benzine.
Het arbeidsproces in een cilinder van een viertaktmotor verloopt in 4 fasen:
De ontbranding moet op het juiste moment gebeuren  voortijdige ontbrandingen veroorzaken kloppingen van
de motor
 verlies van het rendement
Kwaliteit van benzine hangt af van het octaangetal
Referentie
Heptaan
Iso-octaan
Waarde
0
100
Verbetering octaangetal
 toevoeging antiklopmiddel (tetraethyllood)
 reforming  onvertakte ketens omzetten in vertakte ketens
Milieuaspecten
 aardolie bevat zwavel; stikstofverbindingen  uitstoot van SO2 en Nox (stikstofoxide)
 zure regen
 uitstoot Co2  broeikaseffect
Kerosine  brandstof voor vliegtuigen, voldoet aan bijzondere eisen
Gasolie en lichte stookolie  voor dieselmotoren
Zware stookolie  ketels en industriële ovens
4. Vuur en brand
Om brand te voorkomen moet je 3 elementen van elkaar houden.
Brandstof  hout, papier, ontvlambare vloeistof, gas,…
Dizuurstof  lucht
Warmte  vlam, vonk, verhitting
Bescherming tegen brand:
- detectie:
o Thermisch
o Laser of beamer-detectie
o Optisch
- Blussen:
o Draagbaar of automatisch
 Co2 = laat geen verontreiniging na, wel stikkingsgevaar.
 Schuim = water + emulsieproduct
 Poeder = smelt en sluit lucht af van vuur
 Branddeken = glasvezels
- Roodverwijdering:
Sprinkler  detectie en blussen in één systeem
Rf-waarden  résistance au feu  tijd (min.) waarbij het materiaal voldoet aan:
- Stabiliteit
- Vlamdichtheid
- Thermische isolatie