Experimenteren
Mengsels
Scheidings methoden
Atomen en moleculen
antwoorden
antwoorden
antwoorden
antwoorden
Zouten
Chemische reacties
...
...
antwoorden
antwoorden
antwoorden
antwoorden

Hoofdstuk 4
Atomen en Moleculen

§1     Het periodiek systeem

In dit hoofdstuk gaan we kijken naar de verschillende stoffen waar de wereld uit bestaat. Het blijkt dat de wereld bestaat uit 118 verschillende atomen. Deze atomen kunnen gecombineerd worden tot zogenaamde metaalroosters, moleculen en zouten. De eerste twee bespreken we in dit hoofdstuk en zouten in het volgende hoofdstuk. In deze paragraaf beginnen we met het bestuderen van atomen.

De wereld bestaat uit miljoenen soorten stoffen, maar al deze stoffen blijken te bestaan uit een combinatie van slechts 118 soorten kleine bolvormige deeltjes die we atomen noemen. Elk van de 118 atoomsoorten heeft een naam en een symbool. Dit symbool bestaat uit een hoofdletter en in sommige gevallen ook een kleine letter. Al deze symbolen staan in de onderstaande tabel, genaamd het periodiek systeem der elementen. De atoomsoorten die grijs zijn weergegeven noemen we metalen. De atoomsoorten die blauw zijn weergegeven noemen we niet-metalen (de atomen in de witte vlakjes worden metallo&ioml;den genoemd en zitten qua eigenschappen tussen metalen en niet-metalen in.).

De volgende atoomsoorten en de bijbehorende symbolen moet je uit je hoofd kennen:

Metaalatomen Niet-metaalatomen
Natrium Na Waterstof H
Kalium K Koolstof C
Magnesium Mg Stikstof N
Calcium Ca Fosfor P
Chroom Cr Zuurstof O
IJzer Fe Zwavel S
Nikkel Ni Fluor F
Platinum Pt Chloor Cl
Koper Cu Broom Br
Zilver Ag Jood I
Goud Au Helium He
Aluminium Al Argon Ar
Tin Sn
Lood Pb


         Ken de namen en symbolen van de atoomsoorten uit de bovenstaande tabel

 

§2     Metalen

In deze paragraaf bestuderen we een aantal eigenschappen van metalen.

Metalen zijn te herkennen aan de volgende stofeigenschappen:

Daarnaast is het ook waar dat de meeste metalen grijs zijn, maar zeker niet allemaal. De bekendste uitzonderingen zijn goud (geel) en koper (oranje, zie de afbeelding linksonder). Het metaal kwik is ook een uitzondering, omdat vloeibaar is bij kamertemperatuur (zie de afbeelding rechtsonder). Je kwik tegenwoordig niet meer kopen, omdat het erg giftig is. We moeten het daarom dus even doen met het volgende filmpje:

Bron: images-of-elements.com/copper.php / Marmall4



In de onderstaande afbeelding zijn de metalen in het periodiek systeem in het grijs aangegeven.

De metalen in de eerste linker twee kolommen van het periodiek systeem worden de zeer onedele metalen genoemd. Deze metalen zijn extreem reactief. De stoffen in de eerste kolom reageren bijvoorbeeld heftig met water en zuurstof. Een voorbeeld is het metaal natrium. In het onderstaande filmpje kan je deze reactie zien. De metalen in de tweede kolom reageren iets minder heftig, maar als deze metalen worden verwarmd, reageren ze behoorlijk met zuurstof. Hieronder zien we bijvoorbeeld een foto en een filmpje van de verbranding van magnesium. Deze chemische reactie zorgt voor een fel wit licht.



Zeer onedele metalen komen we nooit in elementaire vorm tegen in de natuur. Dit is goed te begrijpen, omdat ze zo gemakkelijk reageren met stoffen als water en zuurstof.

Het reageren van een metaal met zuurstof noemen we oxideren. Het bekendste voorbeeld hiervan zijn we al eerder tegengekomen: de oxidatie van ijzer. We noemen dit ook wel roesten. Een ander bekend voorbeeld is het oxideren van koper. Geoxideerd koper is lichtgroen. Het Vrijheidsbeeld is hier bijvoorbeeld van gemaakt (zie de afbeelding rechtsonder).

De stoffen zilver (Ag), goud (Au) en platinum (Pt) worden de edele metalen genoemd. Deze metalen reageren niet of nauwelijks met andere stoffen. De overige metalen noemen we de onedele metalen. Deze metalen zijn wel reactief, maar deze reacties verlopen meestal langzaam.

Als we metaalatomen samenbrengen, dan ordenen ze zich meestal in een regelmatig patroon dat een metaalrooster wordt genoemd (zie de onderstaande afbeelding).

Een zuiver metaal bestaat slechts uit één atoomsoort en als gevolg passen de atomen netjes naast elkaar in het metaalrooster. Het gevolg hiervan is dat de atomen in deze roosters gemakkelijk langs elkaar kunnen worden geschoven (zie de linker onderstaande afbeelding). Zuivere metalen zijn hierdoor buigbaar. Een mengsel van een metaal en een andere stof noemen we een legering. Doordat verschillende soorten atomen verschillende groottes hebben, verbreekt dit de perfecte ordening van het rooster (zie de rechter twee afbeeldingen). Als gevolg hiervan zijn legeringen een stuk sterker.

Een bekend voorbeeld van een legering is staal. Dit bestaat ijzer gemengd met een beetje koolstof (zie de onderstaande afbeelding).

De orde in het rooster verbreekt ook als we een metaal smelten. In dat geval gaan de ijzeratomen langs elkaar bewegen.



         Redeneren over edele en onedele metalen en tekenen van metaalroosters
  1. Maak een tekening van vast en vloeibaar aluminium op atomaire niveau.
  2. Noem drie zeer onedele, drie onedele en drie edele metalen.
  3. Leg uit of calcium sterk reageert met zuurstof als het verwarmd wordt. Doe hetzelfde voor de stof lood.
  4. Goud komt in de natuur in zuivere vorm voor. IJzer echter niet. Leg uit hoe dit komt.
  5. Chroom is een duur metaal. Toch worden metalen voorwerpen in de badkamer omhult door een laagje chroom. Bedenk waarom dit gedaan wordt.
  6. Trouwringen bestaan meestal voor een groot deel uit goud. Zuiver goud is echter niet geschikt voor sieraden. Bedenk waarom dit zo is.
  7. Brons is een legering van 85% koper en 15% tin. Een tin-atoom is iets groter dan een koperatoom.
    1. Teken een model van brons met 20 atomen.
    2. Leg aan de hand van deze tekening uit waardoor brons stugger is dan koper.

 

§3     Moleculaire stoffen

In deze paragraaf bestuderen we een aantal eigenschappen van niet-metalen.

Als we niet-metaalatomen samenbrengen, dan groeperen ze zich meestal in vaste combinaties die we moleculen noemen. In de middelste onderstaande afbeelding zien we bijvoorbeeld twee watermoleculen. Moleculen beschrijven we met behulp van een molecuulformule. De molecuulformule van een watermolecuul is H2O, omdat het uit twee waterstofatomen (H2) en één zuurstofatoom (O) bestaat.

Het soort molecuul bepaalt met welk soort stof we te maken hebben. Neem bijvoorbeeld de onderste twee moleculen. Een waterstofperoxidemolecuul bevat slechts één zuurstofatoom meer dan water, maar toch is het een geheel andere stof. Waterstofperoxide wordt bijvoorbeeld het gebruikt voor het blonderen van haar!

Bron: S. Nova (glas water)

Ook de fase van de stof kunnen we weergeven in de molecuulformule. We gebruiken hiervoor de eerste letter van de Engelse woorden "solid" (vaste stof), "liquid" (vloeistof) en "gas" (gas). We schrijven deze letter tussen haakjes achter de molecuulformule (zie de onderstaande afbeelding).

Ook het aantal moleculen kunnen we in de molecuulformule weergeven. Dit doen we door een getal voor de molecuulformule te schrijven. We noemen dit getal de coëfficiënt. In de onderstaande afbeelding zijn bijvoorbeeld 10 watermoleculen in gasfase afgebeeld. De molecuulformule hiervan wordt dus:

$$ \text{10 H}_2\text{O (g)} $$

In het onderstaande periodiek systeem zijn de niet-metalen in kleur aangegeven.

De niet-metalen in de meest rechtse kolom worden de edelgassen genoemd. De bekendste voorbeelden zijn helium (He), neon (Ne) en argon (Ar). Edelgassen zijn niet reactief. Dit betekent dat ze vrijwel nooit met andere stoffen reageren. Edelgassen kunnen wel gebruikt worden voor neonverlichting. Elk van deze gassen licht namelijk op in een andere kleur, wanneer er stroom doorheen loopt (zie de onderstaande afbeelding). Omdat helium een erg kleine dichtheid heeft, wordt het ook gebruikt in heliumballonnen en zeppelins.

Bron: Pslawinski

De atomen van edelgassen bewegen allemaal los van elkaar (zie de onderstaande linker afbeelding). Edelgassen vormen dus geen moleculen.

De niet-metalen in de tweede kolom van rechts worden de halogenen genoemd. De halogenen zijn juist erg reactief en reageren vooral goed met metalen. De bekendste halogenen zijn fluor (F) en chloor (Cl). Dit zijn beide giftige, lichtgele gassen. Zoals je weet wordt fluor gebruikt in tandpasta en wordt chloor gebruikt voor het ontsmetten van zwembadwater. Natuurlijk wordt hier niet elementair fluor en elementair chloor bedoeld, want dat is immer giftig! In tandpasta zit de verbinding natriumfluoride (NaF) en in het zwembad de verbinding natriumhypocloriet (NaClO).

Als zuivere stof komen de halogenen in paren voor (dus in groepjes van twee). Dit is goed te zien in de onderstaande rechter afbeelding. Een chloormolecuul heeft dus de molecuulformule Cl2 en bestaat uit twee chlooratomen. Een fluormolecuul heeft de molecuulformule F2 en bestaat uit twee fluoratomen. Etc.

Naast de halogenen komen ook stikstofmoleculen (N2), zuurstofmoleculen (O2) en waterstofmoleculen (H2) in paren voor. Het is belangrijk dat je dit uit je hoofd weet. Zuurstof (O2) en stikstof (N2) zijn beide gassen die in grote hoeveelheden in de lucht voorkomen. De lucht bestaat wel voor 78 %vol uit stikstof en voor 21 %vol uit zuurstof (er zit verder nog 0,9%vol argon en slechts 0,04vol% koolstofdioxide in de lucht). Waterstof is de atoomsoort met de kleinste massa en als gevolg werd het vroeger gebruikt in zepellins. Dit bleek echter niet het beste plan, omdat waterstof ook brandbaar is. In de onderstaande beroemde foto zien we de explosie van de Hindenburg Zeppelin.

De laatste niet-metalen die we zullen bespreken zijn koolstof, fosfor en zwavel. Koolstof (C) kan voorkomen als roet, maar ook als grafiet en diamant. Grafiet is zwart en voelt vettig aan en wordt gebruikt in potloden. Onder zeer hoge druk en bij zeer hoge temperatuur verandert grafiet in diamant. Diamant is een heldere vaste stof die vaak in sieraden wordt gebruikt. Het hardste stof die bestaat.

Zwavel (S) is een vaste gele stof die veel voorkomt in vulkanische gebieden (zie de linker onderstaande afbeelding). Zwavel is brandbaar en wordt bijvoorbeeld gebruikt in de kop van lucifers en in vuurwerk. Van fosfor (P) bestaat zowel een witte als een rode variant (zie de rechter onderstaande afbeeldingen). De witte variant is giftig, brandbaar en erg reactief. Rode fosfor is minder brandbaar en wordt bijvoorbeeld gebruikt op het strijkvlak van luciferdoosjes.

         Begrijpen van het verschil tussen atomen en moleculen begrijpen, opstellen van molecuulformules en redeneren over edelgassen en halogenen
  1. Leer met het onderstaande programma het verschil tussen atomen, atoomsoorten, moleculen en molecuulsoorten.
  2. Bestaan er meer atoomsoorten of meer molecuulsoorten? Leg je antwoord uit.
  3. Maak tekeningen van:
    1. 16 Sn(s)
    2. 3 O2(g)
    3. 6 Cu(s)
    4. 8 Hg(l)
  4. Noteer de molecuulformules van de onderste twee moleculen. (grijs = koolstof, blauw = waterstof, rood = zuurstof)

  5. Bereken het aantal atomen van elke atoomsoort in 15 CO2.
  6. Bereken het totaal aantal atomen in vijf suikermoleculen (C12H22O11).
  7. Als suiker (C12H22O11) ontleed wordt, ontstaan koolstof en water.
    1. Hoeveel koolstofatomen ontstaan er uit één suikermolecuul?
    2. Hoeveel watermoleculen ontstaan er uit één suikermolecuul?
  8. Leg uit wat het verschil is tussen Cl2 en 2Cl?
  9. Wat hebben edelgassen en edelmetalen met elkaar gemeen.
  10. Waarom worden gloeilampen gevuld met het argon en niet met lucht?
  11. Welke twee eigenschappen maakt helium geschikt als vulling van een zeppelin?
  12. Een ballon is gevuld met helium. Teken het helium op atomair niveau
  13. Teken een stikstofmolecuul, een zuurstofmolecuul en een koolstofdioxidemolecuul op atomair niveau. Noteer ook de bijbehorende molecuulformules.
  14. Teken drie fluormoleculen. Noteer ook de bijbehorende molecuulformule.
  15. Teken tien broommoleculen op atomair niveau. Noteer ook de bijbehorende molecuulformule.
  16. In neonverlichting zit neon. Als we door neon een elektrische stroom laten lopen, dan gaat het oplichten. Teken neon op atomair niveau.

 

§4     Naamgeving

In deze paragraaf gaan we leren molecuulformules in woorden uit te drukken.

Molecuulformules kunnen we ook in woorden noteren. Voor de cijfers in de molecuulformules gebruiken we de Griekse voorvoegsels:

mono- één
di- twee
tri- drie
tetra- vier
penta- vijf
hexa- zes

Daarnaast laten we de benamingen eindigen op "-ide". Neem bijvoorbeeld N2F4. Dit spreken we uit als distikstoftetrafluoride. Het voorvoegsel mono- wordt altijd weggelaten bij het eerst genoemde atoom. ClF wordt dus niet monochloormonofluoride, maar chloormonofluoride.

Als het laatste atoom zuurstof (O) is, dan eindigen we niet op zuurstofide, maar op -oxide Denk bijvoorbeeld aan koolstofdioxide (CO2). Als het laatste atoom zwavel (S) is, dan eindigen we niet op zwavelide, maar op -sulfide. H2S wordt dus diwaterstofmonosulfide, terwijl we SO2 gewoon uitspreken als zwaveldioxide.

Stoffen die alleen uit koolstof- en waterstofatomen bestaan noemen we koolwaterstoffen. Voor koolwaterstoffen gebruiken we een aparte naamgeving. Hieronder zien we de zes simpelste koolwaterstoffen. Methaan, ethaan, propaan en butaan zijn brandbare gassen. Methaan wordt in het dagelijks leven ook wel aardgas genoemd. Pentaan en hexaan zijn vloeibare brandstoffen. Er wordt verwacht dat je deze benamingen uit je hoofd kent.

Als het aantal koolstofatomen in de koolwaterstoffen toeneemt, dan vinden we op een gegeven moment ook benzine, kerosine en diesel. Als het aantal koolstofatomen boven de 50 uitkomt, dan ontstaan een aantal vaste stoffen, zoals kaarsvet, vaseline en asfalt. Als het aantal koolstofatomen in de duizenden gaat lopen, dan ontstaat polyethyleen (zie de onderstaande afbeelding). Dit is het meest voorkomende plastic.





         Molecuulformules in woorden uitschrijven
  1. Leer met het onderstaande programma hoe je de molecuulformule van verschillende stoffen schrijft:
  2. Leer met het onderstaande programma hoe je de molecuulformule van verschillende stoffen in woorden uitdrukt:
  3. Geef de naam van de volgende verbindingen:
    1. SO2
    2. SO3
    3. N2O3
    4. SiCl4
    5. C2H6
    6. H2O
    7. C4H10
  4. Geef de molecuulformule van:
    1. koolstofmonoxide
    2. koolstofdioxide
    3. butaan
    4. zwaveldichloride
    5. diwaterstofmonosulfide
    6. Ethaan
  5. (VWO) Leg uit dat de algemene molecuulformule van de koolwaterstoffen CnH(2n+2) is.

 

§5     Scheiden en ontleden

In deze paragraaf gaan we achterhalen welke stoffen te ontleden zijn en welke niet. Ook gaan we het verschil tussen scheiden en ontleden onderzoeken.

Als we energie aan een stof toevoegen, bijvoorbeeld door een stof te verwarmen of er elektriciteit doorheen te laten lopen, dan kan het gebeuren dat er een chemische reactie optreedt. De stof kan hierbij opsplitsen in twee of meerdere stoffen. We noemen een dergelijke reactie een ontledingsreactie. Stoffen die we kunnen ontleden noemen we ontleedbare stoffen. Stoffen die we niet kunnen ontleden noemen we niet-ontleedbare stoffen. Suiker is een voorbeeld van een ontleedbare stof, omdat we het kunnen ontleden in koolstof en water (zie het onderstaande filmpje, waar suiker wordt ontleed door er zwavelzuur aan toe te voegen).

De koolstof die ontstaat, kunnen we niet verder ontleden, maar het water wel. Als we genoeg stroom door water laten lopen, dan ontleed het in zuurstof en waterstof. Zuurstof en waterstof kunnen we niet verder ontleden (zie de onderstaande afbeelding).

In de onderstaande afbeelding zien we dezelfde reactie op moleculair niveau. Merk op dat de ontleedbare stoffen uit meerdere soorten atomen bestaan. We noemen dit type stoffen ook wel verbindingen. De niet-ontleedbare stoffen bestaan uit slechts één soort atoom. We noemen dit type stoffen ook wel enkelvoudige stoffen of elementaire stoffen. Bij ontleden worden de verschillende soorten atomen dus van elkaar losgetrokken.

Hieronder zien we links de ontleding van suiker in koolstof en water en rechts het scheiden van suikerwater in water en suiker (wat bijvoorbeeld met indampen gedaan kan worden). Bij ontleden ontstaan nieuwe moleculen en dus nieuwe stoffen. Er is hier dus sprake van een chemische reactie. Suikerwater daarentegen is een mengsel. Mengsels bestaan uit meerdere soorten stoffen en dus ook meerdere soorten moleculen. Tijdens het scheiden ontstaan geen nieuwe moleculen, maar worden de moleculen alleen gesorteerd. Hier heeft dus geen chemische reactie plaatsgevonden.






         Begrijpen van het verschil tussen ontleden en scheiden, mengsels en zuivere stoffen
  1. Leer met het onderstaande programma het verschil tussen ontleedbare en niet-ontleedbare stoffen, mengels en zuivere stoffen, enkelvoudige stoffen en verbindingen.
  2. Geef twee verschillen tussen elementen en verbindingen.
  3. Beschrijf het verschil tussen ontleden en scheiden.
  4. Leg uit of er bij de volgende processen sprake is van ontleding of scheiding:
    1. Zout wordt gewonnen door zeewater te laten verdampen.
    2. Aardgas wordt verbrand in de brander.
    3. Alcohol wordt gedestilleerd uit wijn.
    4. Vlees verkoolt op een barbecue.
    5. In de industrie maakt men chloor uit natriumchloride (keukenzout).
  5. Je kunt water koken en je kunt water ontleden.
    1. Wat ontstaat er bij het koken van water?
    2. Wat ontstaat er bij het ontleden van water?
    3. Leg uit in welk geval er een chemische reactie plaatsvindt.
    4. Leg uit bij welk proces je meer energie nodig hebt.
    1. Leg uit hoe je met een experiment kan aantonen of een stof een enkelvoudige stof of een verbinding is.
    2. Leg uit dat een zuivere stof niet altijd een enkelvoudige stof hoeft te zijn. Leg in je antwoord duidelijk het verschil uit.
    3. Noem een voorbeeld van een enkelvoudige stof die geen zuivere stof is.