hoofdstuk 2 Atomen, moleculen en ionen Chpt 2; Atoms, Molecules and Ions ACH 12 hoofdstuk 2 Atomen, moleculen en ionen

Elementen We weten nu dat materie uit elementen is opgebouwd. Is een element het kleinste wat er is???

Elementen en atomen Ruim 400 jaar B.C. bedacht de filosoof Democritus dat elementen opgebouwd moesten zijn uit kleine deeltjes die hij atomen noemde. Atomen komt van atomos, wat ondeelbaar betekent. Pas 2000 jaar later werd deze gedachte met experimenten bevestigd door Robert Boyle.

2.1 Behoud van massa en constante samenstelling Robert Boyle (1627-1691) Antoine Lavoisier (1743-1794) Wet van behoud van massa: mreactanten = mprodukten 2 HgO → 2 Hg + O2 3,25 g 3,32 g 4,55g 2,02g

2.1 Behoud van massa en constante samenstelling Joseph Proust (1754-1826) Wet van de constante samenstelling: In verschillende monsters van een zuivere chemische stof zijn de elementen altijd in dezelfde massaverhouding aanwezig. Vb: in H2O: 1 massadeel waterstof en 8 massadelen zuurstof Vb: in CO2: 3 massadelen koolstof en 8 massadelen zuurstof Elementen reageren altijd in bepaalde verhoudingen met elkaar.

2.1 Behoud van massa en constante samenstelling John Dalton(1766-1844) Elementen zijn opgebouwd uit kleinere deeltjes : atomen Elk element heeft een unieke massa. Atomen van een bepaald element hebben een bepaalde massa, atomen van een ander element hebben een andere karakteristieke massa. In chemische verbindingen zijn verschillende atomen in “hele getallen” verhoudingen aanwezig Bij chemische reacties verandert de combinatie van (verschillende) atomen; de atomen zelf veranderen niet

2.2 Behoud van massa en constante samenstelling John Dalton (1766-1844) -- Wet der veelvouden: Twee zuivere stoffen kunnen met elkaar reageren in verschillende massaverhoudingen, waardoor ze verschillende verbindingen kunnen vormen. De massa verhoudingen blijken altijd eenvoudige veelvouden van elkaar te zijn. NO: 7g stikstof + 8g zuurstof: N/O = 7/8 NO2: 7g stikstof + 16g stikstof: N/O = 7/16 7/8 7/16 = 2 Dit kan alleen als we er vanuit gaan dat materie uit discrete atomen, met hun eigen karakteristieke massa, bestaat die op een specifieke manier met elkaar combineren

2.3 De vondst van electronen Zijn atomen de kleinste deeltjes??? Of … waar zijn atomen uit opgebouwd??? J. J. Thomson (1856-1940) deed een exp. waarmee hij negatieve deeltjes in atomen vond. Deze werden later electronen genoemd. Electronenbuis: De afbuiging van electronen in een electrisch veld is afhankelijk van: (1) sterkte v/h electrische veld (2) lading v/e electron (3) massa v/e electron: lading electron (e) / massa electron (m) =1,759 × 108 C/g

2.3 De massa van electronen Vallende druppel experiment R. A. Millikan (1868-1953) deed een exp. om de massa van de electronen vast te stellen. Bepalen van valsnelheid bolvormige oliedruppels in lucht om hun massa te bepalen. Deze druppels met bekende massa worden vervolgens negatief geladen en in een elektrisch veld gebracht. De mate waarin de valbeweging wordt vertraagd is afhankelijk van: (1) sterkte v/h electrische veld (2) lading van een oliedruppel (3) massa van dezelfde oliedruppel: Lading oliedruppels blijkt dan telkens een veelvoud te zijn van e: 1,602 * 10-19 C en m = 9,109 * 10-28 g

2.4 De vondst van protonen en neutronen Een atoom heeft geen (netto) lading. Als er dus negatieve deeltjes in voorkomen moeten er ook positieve deeltjes in aanwezig zijn. Rutherford vond deze deeltjes met exp.

2.4 De vondst van protonen en neutronen Ernest Rutherford (1871-1937) deed een exp. waarmee hij vond dat ieder atoom een kern bevat met veel lege ruimte er om heen. Het schieten met α-deeltjes op een zeer dunne laag goudfolie: slechts 1 op de 20.000 deeltjes wordt afgebogen of teruggekaatst: Een atoom bestaat voor het grootste gedeelte uit vacuüm: ATOOM MODEL

2.4 De structuur van atomen: protonen en neutronen

2.5 Atoomnummer Verschillende elementen verschillen van elkaar in het aantal protonen in de kern: Z = aantal protonen in kern = atoomnummer of atoomgetal (en is gelijk aan het aantal electronen dat om die kern heen cirkelt)

2.5 Atoomnummer N = aantal neutronen in kern = A - Z A = aantal protonen + neutronen in kern = massagetal Z = aantal protonen in kern = atoomnummer of atoomgetal N = aantal neutronen in kern = A - Z

2.5 Atoomnummer Verschillende atomen van hetzelfde element kunnen verschillende massagetallen hebben door een verschil in het aantal neutronen: ISOTOPEN De Chemische eigenschappen van isotopen zijn vergelijkbaar!!! Die worden bepaald door de electronen. Er zijn meer dan 3500 isotopen bekend (van de 118 elementen).

2.6 Atoommassa Omdat atomen zo klein zijn heeft het geen zin hun massa in g aan te geven. Daarom wordt de amu gebruikt. Amu = atomic mass unit (amu) of Dalton (Da) = exact 1/12 × de massa van 1 atoom 12C (=1,6605 * 10-24 g). De hier gegeven atoommassa is echter de gemiddelde massa van de natuurlijk voorkomende isotopen van het element: Atoommassa C = 12 × 0,9889 + 13,0034 × 0,011 = 12,011

2.6 Atoommassa Vb. problem 2.5 p. 47 Van Chloor komen er 2 isotopen voor: 75,77% 35 17 Cl 34,969 amu 24,23% 37 17 Cl 36,966 amu Wat is de atoommassa van Chloor???? Massa isotoop 1 x % + Massa isotoop 2 x % = A(toommassa) Stel 100% = 1. Dan is 75,77% = 0,7577 en 24,23% = ……… 34,969 x 0,7577 + 36,966 x 0,2423 = 35,45 amu

Isotoop van Uranium = 23592U. Hoeveel electronen, neutronen en protonen zitten hier in?

2.6 Atoommassa en mol 1 amu = 1,6605 * 10-24 g = massa van 1 proton (of van 1 neutron). In meetbare hoeveelheden (bv. 3 g) zitten dus ontzettend veel protonen en neutronen….en dus erg veel atomen. Bv: 1,872 g zilver = hoeveel atomen zilver??????? Reken uit: 1,872 g Ag /1,6605 x 10-24 g/amu = 1,127 x 1024 amu (of protonen en/of neutronen). 1 Ag atoom = 107,868 amu. 1,127 x 1024 amu = hoeveel Ag atomen???? 1,127 x 1024 amu/ 107,868 amu = 1,045 x 1022 atomen Ag (in 1,872 gram Ag). Om makkelijker over die hoeveelheden atomen te praten is het begrip Mol ingevoerd.

2.6 Atoommassa en mol 1 Mol van een stof, verbinding, element, is het aantal atomen of moleculen waarvan de massa (molaire massa) gelijk is aan de molecuul-massa in grammen; 1 mol Ag = 107,868 g Ag = 6,022141 x 1023 atomen 1 mol C = 12,0107 g C = 6,022141 x 1023 atomen

Het getal van Avogadro 1 mol H+= 1gram/ 1,67 x 10-24 amu = 6,022 x 1023 (formule eenheden, moleculen) Deze waarde wordt het getal van Avogadro genoemd, NA

2.10 Chemische verbindingen en mengsels Een chemische verbinding is een zuivere stof die wordt gevormd wanneer atomen van verschillende elementen op een specifieke wijze combineren en zo een nieuwe stof creëren met geheel nieuwe eigenschappen. Een chemische verbinding bevat 2 of meer verschillende elementen, die in een constante samenstelling voorkomen. Een chemische verbinding heeft andere eigenschappen dan de elementen waaruit het is opgebouwd. Zuurstof (O) water (H2O)

2.10 Chemische verbindingen en mengsels Een chemische verbinding is een zuivere stof die wordt gevormd wanneer atomen van verschillende elementen op een specifieke wijze combineren en zo een nieuwe stof creëren met geheel nieuwe eigenschappen. Een chemische verbinding bevat 2 of meer verschillende elementen, die in een constante samenstelling voorkomen. Een chemische verbinding heeft andere eigenschappen dan de elementen waaruit het is opgebouwd. Een mengsel bevat 2 of meer substanties die niet met elkaar reageren. Homogeen mengsel: vaste compositie Heterogeen mengsel: niet gespecificeerd mengsel zout + suiker zeewater Zuurstof (O) water (H2O)

De vorming van een chemische binding Wanneer 2 atomen elkaar naderen komen de electronen het eerst met elkaar in contact! De electronen zijn dus verantwoordelijk voor de chemische band. Covalente band ( tussen niet-metalen) Ion binding (tussen een metaal en een niet-metaal) Figure: 02-06 Title: Structure of the atom Caption: Figure 2.6  A view of the atom. The protons and neutrons in the nucleus take up very little volume but contain essentially all the atom’s mass. A number of electrons equal to the number of protons move around the nucleus and account for most of the atom’s volume. K. Langereis ACH11/hfst. 2 K.Langereis ACH11/hfst 2

De covalente band komt het meest voor De covalente binding De covalente band komt het meest voor 2 atomen delen samen 2 (soms meer) e’s. Het resultaat is een molecuul Figure: 02-08 Title: Covalent bonding Caption: (a) The two teams are joined together because both are tugging on the same rope. (b) Similarly, two atoms are joined together when both nuclei (+) tug on the same electrons, represented here by dots. K. Langereis ACH11/hfst. 2 K.Langereis ACH11/hfst 2

Enkele voorbeelden van visualisaties van moleculen In (a) is het “ball and stick” model weergegeven. Hierin zie je de covalente bindingen goed. In (b) het “spacefilling” model. Figure: 02-09 Title: Examples of covalent molecules Caption: Figure 2.8  Molecular drawings such as these help in visualizing molecules. (a) Ball-and-stick models show individual atoms (spheres) joined together by covalent bonds (sticks). (b) Space-filling models accurately portray the overall molecular shape but do not explicitly show covalent bonds. K. Langereis ACH11/hfst. 2 K.Langereis ACH11/hfst 2

Een aantal verschillende manieren om een molecuul weer te geven De molecuul formule “spacefilling model” (geeft de covalente banden weer) Figure: 02-09-01 Title: Molecular representation Caption: There are different ways to represent a molecule: it will have a name, it has a chemical formula which displays the number and types of atoms that make up the molecule, and it has a structural formula which shows how the various atoms are attached to one another. K. Langereis ACH11/hfst. 2 K.Langereis ACH11/hfst 2

Structuurformules zijn vooral erg belangrijk in de Chemie van de Koolstof verbindingen (Organische Chemie, Biochemie). Het “gedrag” van grote, complexe moleculen wordt grotendeels bepaald door de structuur. C6H12O6 kan op meerdere manieren getekend worden. Bv. als lineair molecuul, maar ook als ringstructuur. K. Langereis ACH11/hfst. 2 K.Langereis ACH11/hfst 2

2.10 structuurformule De structuurformule en het ball-and-stick model van DNA.

2.10 moleculen Een aantal elementen komen in de natuur als twee-atomige moleculen voor, i.p.v. als een atoom (een molecuul is opgebouwd uit 2 of meer atomen).

2.8 structuurformule Teken de structuurformule van propaan = C3H8

2.7 een chemische verbinding en reactievergelijking De reactanten Het product De reactie vergelijking De chem. verb. wordt weergegeven door een chemische formule, ookwel de molecuulformule genoemd. Bij een reactievergelijking is het aantal elementen links en rechts gelijk. Figure: 02-07-01UN Title: Composition of water Caption: In a chemical equation, reactants are typically shown on the left side of the reaction arrow and products are shown on the right side. The same number of each atom must appear on each side of the chemical equation in order for it to be balanced. K. Langereis ACH11/hfst. 2 K.Langereis ACH11/hfst 2

2.10 mengsels en verbindingen Welk plaatje geeft een mengsel aan, welke een zuivere verbinding en welke een element.

2.11 Ionbinding Bij een ionbinding worden 1 of meer e’s overgedragen aan een ander atoom, i.p.v. gedeeld zoals bij een covalente binding. Een ion binding vindt meestal plaats tussen een metaal en een niet-metaal. Na (metaal) geeft 1 electron af aan Cl en wordt daardoor +, ( cation). Cl (niet-metaal) krijgt 1 electron en wordt daardoor -, ( anion). Na atoom Na ion = cation Na + Cl → Na+ + Cl-

2.11 poly-atoom ion bindingen Een groep covalent gebonden atomen ( = poly-atomic) kan een geladen ion worden, bv. NH4+ Ammonium ion OH- Hydroxide ion NO3- Nitraat ion SO42- Sulfaat ion Welke van de volgende verbindingen zijn covalent en welke bevatten ion-bindingen? a) BaF2 b) SF4

2.11 Naamgeving ionverbindingen Vroeger werden aan nieuwe (gevonden) chemische verbindingen namen gegeven die de (uit) vinder mooi vond (morfine (naar de Griekse god Morpheus), potas of kali, barbituurzuur. Nu er ruim 40 x 106 verbindingen bekend zijn is een systematische naamgeving pure noodzaak. NaCl = Natrium Chloride C12H22O11= β-D-fructofuranosyl-α-D-glucopyranoside We beginnen met de (systematische) naamgeving voor ion-verbindingen Figure: 02-11 Title: Main-group cations and anions Caption: Figure 2.11 A cation bears the same name as the element it is derived from; an anion name has an -ide ending. K. Langereis ACH11/hfst. 2 K.Langereis ACH11/hfst 2

2.11 Naamgeving binaire ionverbindingen Binair = opgebouwd uit twee atomen Het positieve ion (cation) ( = het metaaldeel) wordt als eerste genoemd en heeft dezelfde naam als het element. Het negatieve ion (anion) (het niet-metaal deel) volgt daarna. De elementnaam eindigt op –ide. Figure: 02-11 Title: Main-group cations and anions Caption: Figure 2.11 A cation bears the same name as the element it is derived from; an anion name has an -ide ending. K. Langereis ACH11/hfst. 2 K.Langereis ACH11/hfst 2

Naamgeving ionverbindingen Groep 1A elementen vormen 1-waardige positieve ionen. Groep 2A elementen vormen 2- waardige positieve ionen. Groep 3A ………. Niet-metalen: groepnummer – 8 = lading!! Groep7A = -1 (1-waardig), Groep 6A =-2 (2-waardig). Waar meerdere mogelijkheden zijn, bv. bij (Pb) wordt dit afh. van de waardigheid met een romeins cijfer aangegeven. (bv. met een II of IV ) Figure: 02-11 Title: Main-group cations and anions Caption: Figure 2.11 A cation bears the same name as the element it is derived from; an anion name has an -ide ending. K. Langereis ACH11/hfst. 2 38 K.Langereis ACH11/hfst 2 38

Als overgangsmetalen het cation vormen, dan altijd de waarde (II, III, IV) aangegeven. Fe 2+ = ferrous …. ( ferro)= IJzer (II) Fe 3+ = ferric…..(ferri) Hemoglobine en hemiglobine Sn 2+ = stannous = Tin (II) Sn 4+ = stannic = Tin (IV) In een ongeladen molecuul is het aantal negatieve ladingen gelijk aan het aantal positieve ladingen. Dus in FeCl2 heeft Fe de lading ….. Figure: 02-12 Title: Common transition metal ions Caption: Figure 2.12 Common transition metal ions. Only ions that exist in aqueous solution are shown. K. Langereis ACH11/hfst. 2 K.Langereis ACH11/hfst 2

2.11 Naamgeving ion bindingen Geef de officiele naam van de volgende verbindingen: BaCl2 CrCl3 PbS Fe2O3

Als overgangsmetalen het cation vormen, dan altijd de waarde (II, III, IV) aangegeven. Fe 2+ = ferrous …. ( ferro)= IJzer (II) Fe 3+ = ferric…..(ferri) Hemoglobine en hemiglobine Sn 2+ = stannous = Tin (II) Sn 4+ = stannic = Tin (IV) In een ongeladen molecuul is het aantal negatieve ladingen gelijk aan het aantal positieve ladingen. Dus in FeCl2 heeft Fe de lading ….. Figure: 02-12 Title: Common transition metal ions Caption: Figure 2.12 Common transition metal ions. Only ions that exist in aqueous solution are shown. K. Langereis ACH11/hfst. 2 K.Langereis ACH11/hfst 2

Naamgeving tweedelige moleculen met covalente bindingen Noem het meest cation-achtige atoom als eerste, daarna het anionachtige. Het aantal anion-achtige atonmen wordt altijd genoemd!!!!! Het laatste atoom eindigt op –ide Bv. CO = koolstofmonoxide SF4 = zwavel tetrafluoride Figure: 02-12-03UN Title: Naming binary molecular compounds Caption: Follow the same rules as naming ionic compounds; the cationlike element takes the name of the element, and the anionlike element takes an -ide ending. K. Langereis ACH11/hfst. 2 K.Langereis ACH11/hfst 2

Naamgeving Aantallen worden met een prefix (mono, di, tri,…) aangegeven. Als er maar 1 cationachtig atoom is, dan is er geen prefix. CO2 is koolstofdioxide i.p.v. monokoolstofdioxide. Als de prefix op a of o eindigt en het anion met een klinker, dan wordt de a of o weggelaten; monoxide i.p.v monooxide. Tetroxide i.p.v. tetra oxide. N2O4 = …………….. Figure: Table 02-02 Title: Caption: Nona = 9 Deca = 10 K. Langereis ACH11/hfst. 2 K.Langereis ACH11/hfst 2

2.12 Systematische naamgeving poly-atoom ion verbindingen Ook bij de meeratomige ionen wordt als eerste het cation genoemd, daarna het aniondeel. De uitgang van het anion geeft aan om welke lading het gaat. fewer O more O less than chlorite fewer O more O more than chlorate fewer O more O Er zijn meerdere vormen van oxo-anions aanwezig 44

Zelfstudie Zelfstudie: Hfst 2 Atoms, Molecules and Ions. 2.1 t/m 2.6 en 2.10 t/m 2.12 Problems 2.2 t/m 2.10, 2.15 t/m 2.29, 2.70 t/m 2.72 Kijk voor het activiteitenschema van alle ACH 12 lessen In N@tschool Z