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

Hoofdstuk 5
Zouten

§1     De bouw van atomen

In het vorige hoofdstuk hebben we gezien dat we atomen kunnen combineren in metaalroosters en moleculen. Er is nog een derde optie. We kunnen atomen ook combineren tot zouten. Dit gaan we leren in dit hoofdstuk. Om dit te begrijpen moeten we eerst wat meer begrijpen over de structuur van het atoom. Dat gaan we in deze paragraaf doen.

In het vorige hoofdstuk hebben we geleerd dat het materiaal in de wereld is opgebouwd uit atomen. Atomen blijken ook weer opgebouwd uit kleinere deeltjes. Elk atoom heeft in zijn centrum een atoomkern, bestaande uit positief geladen deeltjes die we protonen noemen en neutrale deeltjes die we neutronen noemen. Om de kern heen bevindt zich een wolk van negatieve geladen deeltjes we elektronen noemen. Elk atoom bevat evenveel protonen als elektronen en als gevolg zijn atomen neutraal.

Zoals je in de bovenstaande afbeelding kunt zien, bewegen de elektronen niet willekeurig om de atoomkern. De elektronen bevinden zich op vaste afstanden van de kern. Deze vaste afstanden noemen we schillen. In de binnenste schil passen slechts twee elektronen, in de tweede schil passen 8 elektronen en in de derde schil passen wel 18 elektronen. Het zwaarste atoom dat we kennen heeft wel zeven schillen met daarin 118 elektronen.

Hieronder zien we de eerste 8 atomen uit het periodiek systeem. Waterstof bestaat uit één proton en dus ook één elektron. Helium bestaat uit twee protonen en dus ook twee elektronen. Lithium bevat drie protonen en dus ook drie elektronen, maar omdat de eerste schil vol is, komt het derde elektron in de tweede schil terecht. Op deze manier zijn alle atomen uit het periodiek systeem opgebouwd.

Het aantal protonen in een atoom noemen we het atoomnummer. In het onderstaande periodiek systeem vind je het atoomnummer linksonder de symbolen. Het is belangrijk te onthouden dat voor elke atoomsoort het atoomnummer vast staat. IJzer heeft bijvoorbeeld altijd atoomnummer 26 (ga dit zelf even na met behulp van de onderstaande afbeelding).

Het aantal protonen en neutronen samen noemen we het massagetal. In het bovenstaande periodiek systeem kunnen we het massagetal linksboven de symbolen vinden. Fluor heeft bijvoorbeeld atoomnummer 9 en massagetal 19. Een atoomnummer van 9 vertelt ons dat fluor 9 protonen in de kern heeft. Een massagetal van 19 vertelt ons dat het aantal neutronen en protonen samen 19 is. Hieruit kunnen we concluderen dat fluor 19 - 9 = 10 neutronen in de kern heeft. Waterstof heeft een atoomnummer van 1 en bevat dus slechts 1 proton. Het massagetal van waterstof is ook 1, dus waterstof bevat 0 neutronen.

Het massagetal van atomen staat niet vast. De waarden die hierboven in de tabel staan zijn slechts gemiddelde waarden.



         Identificeren van het aantal aantal protonen, neutronen en elektronen met behulp van het atoomnummer en het massagetal
  1. Alledaagse voorwerpen als stoelen en tafels bestaan o.a. uit de geladen deeltjes genaamd protonen en elektronen. Hoe komt het dat we hier in de praktijk niks van merken?
  2. Een atoom bevat 16 protonen. Om welk soort atoom gaat het hier?
  3. Een atoom bevat 79 protonen.
    1. Hoeveel elektronen bevat dit atoom? Leg je antwoord uit.
    2. Welke atoomsoort is dit?
    1. Welk atoomnummer heeft magnesium?
    2. Teken een magnesium atoom. Geef hierin duidelijk de protonen, de neutronen en de elektronen weer.
  4. Reken bij de volgende atomen uit hoeveel protonen en hoeveel neutronen er in de atoomkern zitten:
    1. Helium
    2. Koolstof
    3. IJzer
    4. Waterstof
  5. Hoeveel protonen en hoeveel neutronen bevat één watermolecuul?

 

§2     Ionen

Tijdens chemische reacties kunnen atomen elektron opnemen of afstaan. Hierbij ontstaan ionen. In deze paragraaf gaan we dit proces bestuderen. In de volgende paragraaf zullen we zien dat ionen de bouwstenen zijn van zouten.

Tijdens chemische reacties is het mogelijk dat de buitenste schil van een atoom een elektron opneemt of afstaat. Als dit gebeurt, is het atoom natuurlijk niet neutraal meer. Een geladen atoom noemen we een ion.

Elektronen zijn negatief geladen, dus als een atoom een extra elektron opneemt, dan verandert het neutrale atoom in een negatief geladen ion. Als een atoom een elektron afstaat, dan wordt het aantal positieve protonen groter dan het aantal negatieve elektronen en als gevolg ontstaat er een positief geladen ion.

De lading van het ion noteren we rechtsboven het symbool. Als een chlooratoom een elektron (e-) opneemt, dan schrijven we Cl-. We noemen dit een chloride-ion. Als een natriumatoom een elektron (e-) afstaat, dan schrijven we Na+. We noemen dit een natriumion. Merk op dat de naam van negatieve ionen eindigt op "-ide-ion" en voor positieve ionen alleen op "-ion".

Een atoom kan ook meerdere elektronen opnemen of afstaan. Als een fosforatoom bijvoorbeeld drie elektronen opneemt, dan ontstaat er P3-. We noemen dit een fosfide-ion.

Het aantal elektronen dat een atoom bij een reactie opneemt of afstaat is niet willekeurig. De atomen in de eerste kolom van het periodiek systeem staan gemakkelijk 1 elektron af en krijgen daarom een lading van 1+. De atomen in de tweede en derde kolom krijgen gemakkelijk een lading van 2+ en 3+ (zie de onderstaande afbeelding). Ook aan de rechterkant is een dergelijk patroon zichtbaar. De niet-metalen in de tweede kolom van links krijgen lading 1-, de derde kolom 2- en de vierde kolom 3-. Let er op dat de edelgassen geen ionen vormen (deze atomen zijn immers niet reactief).

Voor de vakjes in het periodiek systeem die wit zijn gelaten, is een minder duidelijk patroon te vinden. In deze gevallen vermelden we de lading met behulp van Romeinse cijfers. Een ijzer(III)ion staat dus voor Fe3+ en een ijzer(II)ion voor Fe2+. De Romeinse cijfers staan altijd voor het aantal positieve ladingen.



         Redeneren met het verschil tussen een ion en een atoom en achterhalen van de lading van ionen in het periodiek systeem en met behulp van de naamgeving
  1. Geef bij elk van de volgende tekeningen aan of het gaat om een atoom of een ion. Geef ook aan om welk atoom of ion het gaat. De neutronen zijn niet weergegeven.
    1. Een ion bevat 9 protonen en 10 elektronen. Schrijf de formule van dit ion op.
    2. Een ion bevat 13 protonen en 10 elektronen. Schrijf de formule van dit ion op.
  2. Een zuurstofatoom neemt 2 elektronen op.
    1. Geef de formule van het ion dat ontstaat.
    2. Hoeveel protonen en hoeveel elektronen bevat het ion?
  3. Een ijzeratoom staat 2 elektronen af.
    1. Geef de formule van het ion dat ontstaat.
    2. Hoeveel protonen en hoeveel elektronen bevat het ion?
  4. Hoeveel protonen, neutronen en elektronen bevat een chloride-ion?
  5. Geef de formule van:
    1. Een fluoride-ion
    2. Een magnesiumion
    3. Een fosforion
    4. Een broomion
    5. koper(II)ion
    6. ijzer(II)ion
    7. tin(IV)ion
    8. chroom(III)ion

 

§3     Zouten

Nu we weten wat ionen zijn, zijn we eindelijk in staat te begrijpen wat zouten zijn. Dit gaan we bestuderen in deze paragraaf.

Als een metaalatoom met een niet-metaalatoom reageert, dan ontstaat altijd een zout. Het bekendste voorbeeld van een zout is keukenzout. Als we keukenzout ontleden, dan vinden we inderdaad dat het opgebouwd is uit een metaal en een niet-metaal. In dit geval gaat het om het metaal natrium dat explosief reageert met water en het gele en giftige gas chloor. Als we deze stoffen weer met elkaar laten reageren, dan ontstaat weer keukenzout.

Als een metaalatoom en een niet-metaalatoom met elkaar reageren, dan veranderen beide atomen in ionen. Als bijvoorbeeld een natriumatoom met een chlooratoom reageert, dan pakt het chlooratoom een elektron af van het natriumatoom. Als gevolg ontstaat een natriumion (Na+) en een chloride-ion (Cl-) (zie de onderstaande afbeelding).

Omdat positieve en negatieve ladingen elkaar aantrekken, zal een natriumion zich omringen door chloorionen en andersom. Het resultaat is een hecht rooster waarin de chloorionen en de natriumionen elkaar afwisselen. We noemen dit een ionrooster (zie de onderstaande afbeelding).

Samen met de kennis uit het vorige hoofdstuk weten we dus nu dat metalen uit metaalatomen bestaan en zich ordenen in een metaalrooster, dat niet-metalen bestaan uit niet-metaalatomen en zich ordenen als moleculen en dat zouten bestaan uit een combinatie van metaalatomen en niet-metaalatomen en zich ordenen in ionroosters (zie de onderstaande afbeelding).

We zien moleculen, metaalroosters en ionroosters terug bij de ontleding van keukenzout. Keukenzout zelf vormt een ionrooster. Het natrium dat ontstaat vormt een metaalrooster en het chloorgas vormt moleculen (Cl2):


Zouten vormen geen moleculen en dus kunnen we er ook geen molecuulformule voor opstellen. We kunnen voor zouten wel een verhoudingsformule opstellen. Deze formule geeft aan in welke verhouding de verschillende ionen aanwezig zijn in het ionrooster. Neem bijvoorbeeld keukenzout. Natriumionen hebben een lading van 1+. Chloride-ionen hebben een lading van 1-. Omdat keukenzout een neutrale stof is, moeten er dus evenveel natriumionen als chloride-ionen in een keukenzout zitten. De verhoudingsformule van keukenzout wordt dus simpelweg Na+Cl-. In de praktijk laten we de ladingen in de verhoudingsformule weg en korten we dit af tot NaCl.

Nog een voorbeeld. Natriumoxide bestaat uit natriumionen (Na+) en oxide-ionen (O2-):

$$ \mathrm{O}^{2-} \,\,\, \mathrm{Na}^+ $$

Natriumoxide is een neutrale stof. Als beide ionen evenveel aanwezig zouden zijn, dan zou het resultaat niet neutraal zijn. Het totaal is wel neutraal als het zout twee keer zoveel natriumionen zou bevatten:

$$ \mathrm{O}^{2-} \,\,\, \mathrm{Na}^+ \,\,\, \mathrm{Na}^+$$

De verhoudingsformule van natriumoxide is daarom Na2O. Bij de vorming van dit zout hebben beide natriumatomen elk een elektron afgestaan (zodat ze lading 1+ krijgen) en heeft het zuurstofatoom deze twee elektronen opgenomen (zodat het een lading van 2- krijgt). Hieronder staat deze reactie schematisch weergegeven:

Laten we nog een laatste voorbeeld bespreken. Wat is de verhoudingsformule van aluminium(III)oxide? Een aluminiumion heeft een lading van 3+ en een oxide-ion heeft een lading van 2-:

$$ \mathrm{Al}^{3+} \,\,\, \mathrm{O}^{2-} $$

Om een neutraal stuk aluminium(III)oxide over te houden hebben, hebben we twee aluminiumionen nodig en drie oxide-ionen:

$$ \mathrm{Al}^{3+} \,\,\, \mathrm{Al}^{3+} \,\,\, \mathrm{O}^{2-} \,\,\, \mathrm{O}^{2-} \,\,\, \mathrm{O}^{2-} $$

De verhoudingsformule wordt dus Al2O3.

We kunnen de verhoudingsformules ook in woord uitdrukken. Het is hier niet nodig om de griekse voorvoegsel te gebruiken. Zo noemen we Na2O bijvoorbeeld gewoon natriumoxide en niet dinatriummonooxide. Al2O3 noemen we aluminium(III)oxide. De romeinse cijfers worden hier genoteerd omdat de ionlading van aluminium niet rechtstreeks uit het periodiek systeem af te lezen is.



         Achterhalen van de formule van zouten en (voor VWO) het schetsen van de elektronenuitwisseling tussen de ionen van het zout
  1. In dit progamma leer je de formules voor zouten te vinden aan de hand van de naam van de stof:
  2. Error: Embedded data could not be displayed.
  3. (VWO) In dit programma leer je de elektronenuitwisseling bij maken van het zout te tekenen. Trek hiervoor eerst de benodigde atomen in het lege vlak en trek daarna elektronen van het ene naar het andere atoom om er ionen van te maken.
  4. Error: Embedded data could not be displayed.
    1. Geef de verhoudingsformule van natriumoxide.
    2. Geef de verhoudingsformule van koperoxide.
    3. Geef de verhoudingsformule van aluminium(III)chloride.
    4. Geef de verhoudingsformule van ijzer(II)sulfide.
    5. Geef de verhoudingsformule van ijzer(III)sulfide.
    6. Geef de verhoudingsformule van chroom(III)oxide.
    7. Geef de verhoudingsformule van lood(II)jodide.
    8. Geef de verhoudingsformule van lood(IV)fosfide.
  5. Bij een reactie tussen calcium en chloor ontstaat calciumchloride.
    1. Welk atoom staat elektronen af en welk atoom neemt elektronen op?
    2. Geef de verhoudingsformule van calciumchloride.
    3. (VWO) Geef dit proces met een tekening weer.
  6. IJzer halen we uit ijzererts (IJzer(III)oxide). Als we ijzererts bij hoge temperaturen laten reageren met koolstofmonoxide, dan ontstaat er koolstofdioxide en ijzer.
    1. Geef bij elk van de stoffen in deze reactie aan of het gaat om een moleculaire stof, een metaal of een zout.
    2. Welk ion in de ijzererts heeft elektronen opgenomen en welk ion heeft elektronen afgestaan?
    3. Geef de verhoudingsformule van ijzererts.
    4. (VWO) Geef dit proces met een tekening weer.

 

§4     Oplossen van zouten

Als we een zout oplossen in bijvoorbeeld water, dan gaan de ionen vrij door de vloeistof bewegen. Dit bestuderen we in deze paragraaf.

Hieronder zien we een watermolecuul. Zoals je kunt zien bevinden er aan de bovenkant een aantal elektronen en aan de onderkant een aantal protonen. Dit zorgt ervoor dat de bovenkant van een watermolecuul een kleine negatieve lading heeft en de onderkant een kleine positieve lading.

Als we een zout in water oplossen, dan trekken de watermoleculen met de twee geladen kanten aan de ionen in het zout. Als deze aantrekkingskracht groot genoeg is, dan trekken de watermoleculen de ionen uit het rooster. De ionen bewegen dan vrij rond in het water (zie de onderstaande afbeelding).

De reactievergelijking voor het oplossen van een zout schrijven we als volgt op:

$$ \mathrm{NaCl} (s) \rightarrow \mathrm{Na}^+(aq) + \mathrm{Cl}^-(aq) $$

In een eerder hoofdstuk hebben we gezien dat (s) staat voor een vaste stof. Met (aq) geef je aan dat de ionen in water ("aqua") zijn opgelost. Er staat hier dus dat het ionrooster is opgedeelt in individuele ionen, die vrij rondbewegen in water.

Doordat ionen geladen deeltjes zijn, kan een zoutoplossing elektriciteit geleiden. Dit kunnen we aantonen met een experiment. Zet een lamp in serie met de vloeistof en laat er een stoom doorheen lopen. Als je dit doet met bijvoorbeeld gedestilleerd water, wat slecht geleid, dan gaat het lampje niet aan. Als er zout wordt toegevoegd, dan gaat de lamp wel aan. Dit is ook waarom kraanwater geleid—door de ionen die in dit water zijn opgelost. Zonder deze ionen zou water geen stroom geleiden.



         Noteren van reactievergelijkingen waarbij een zout wordt opgelost
  1. Het rooster van magnesiumoxide lijkt erg op het rooster van keukenzout.
    1. Welk ion in magnesiumoxide is positief geladen en welke negatief?
    2. Teken een stukje van het rooster van magnesiumoxide.
    3. Verklaar waarom magnesiumoxide niet oplost in water, terwijl natriumchloride dit wel doet.
  2. In tandpasta zit natriumfluoride. Geef de reactievergelijking voor het oplossen van natriumfluoride in water.
    1. Als je een zoutoplossing indampt ontstaan zoutkristallen. Geef de reactievergelijking voor het indampen van een keukenzoutoplossing.
    2. Maak een schematische tekening op atomaire niveau van voor én na de reactie.