Scheikunde: Hoofdstuk 1 (Atoombouw)

Basiskennis

Alle stoffen zijn verdeelbaar in zuivere stoffen en mengsels. Een mengsel bestaat uit meerdere soorten stoffen. Een zuivere stof bestaat uit 1 soort stof, dus 1 soort molecuul. Mengsels hebben smelt- en kooktrajecten. Zuivere stoffen hebben smelt- en kookpunten.
Een helder vloeibaar mengsel is een oplossing. Een troebel mengsel van een vaste stof en een vloeistof is een suspensie. Een emulsie is een mengsel van 2 vloeistoffen.
Een mengsel kun je scheiden op basis van een verschil in stofeigenschappen.

In een vaste stof trillen de moleculen op een vaste plaats. In een vloeistof bewegen de moleculen langs elkaar. In een gas bewegen de moleculen in het volledige volume.

Moleculen zijn opgebouwd uit atomen. De 118 ontdekte atoomsoorten of elementen hebben een eigen symbool. Moleculen kunnen uit atoomsoort bestaan (niet-ontleedbare stoffen) of uit meerdere atoomsoorten bestaan (ontleedbare stoffen).

In een stofformule geef je aan uit welke elementen een molecuul bestaat. Een stofformule bestaat uit een coëfficiënt, 1 of meerdere elementen met hun indexen en een fase.
7 niet-ontleedbare stoffen bestaan altijd uit 2 atomen. Dit zijn broom, chloor, fluor, jood, waterstof, zuurstof en stikstof. Sommige stoffen hebben een niet-systematische naam. Deze moet je uit je hoofd leren.

De formules van moleculaire stoffen kun je maken met Griekse telwoorden. De systematische namen worden vaak Griekse telwoorden gebruikt. Je moet de eerste 6 daarvan kennen: mono (1), di (2), tri (3), tetra (4), penta (5) en hexa (6). Trisiliciumdibromide is dus de naam van de stof Si3Br2.
Soms is er een gebruikelijkere naam dan de systematische naam. De naam van H2O is water, en niet diwaterstofoxide.

Bij een chemische reactie geldt de wet van massabehoud. Alle atomen van de beginstoffen moeten ook aanwezig zijn bij de reactieproducten. Bij een ontledingsreactie heb je 1 beginstof en meerdere reactieproducten. Bij een synthese of vormingsreactie heb je meerdere beginstoffen. Een verbranding is een reactie met zuurstof onder vuurverschijnselen. De reactieproducten zijn de oxiden van alle elementen in de brandstof.

Een chemische reactie kan exotherm (energie komt vrij) of endotherm (energie is nodig) zijn.

3 soorten stoffen, 2 soorten elementen

Er zijn 2 soorten elementen op het periodiek systeem: metalen en niet-metalen. De horizontale rijen zijn perioden, de verticale kolommen zijn groepen. Groep 17 bevat de halogenen. Deze niet-metalen zijn erg reactief. Groep 18 zijn de edelgassen. Deze zijn juist totaal niet reactief.
Er zijn 3 soorten stoffen: metalen (bestaan uit metaalatomen), moleculaire stoffen (bestaan uit niet-metaalatomen) en zouten (bestaan uit een metaal- en een niet-metaalatoom). In de tabel hiernaast zie je wat kenmerken over metalen, zouten en moleculaire stoffen.

Atoombouw

Volgens het atoommodel van Rutherford bestaat een atoom uit een kern met protonen (p+) en neutronen (n0) en een elektronenwolk met elektronen (e-). Volgens het atoommodel van Bohr zitten de elektronen niet in een wolk, maar in elektronenschillen, op een vaste afstand van de kern. Bohr gebruikte de letters K, L, M N, enz. voor deze elektronenschillen. Per schil is er ruimte voor een beperkt aantal elektronen: maximaal 2 in de K-schil, 8 in de L-schil, 8 in de M-schil, 18 in de N-schil, 18 in de O-schil, 32 in de P-schil en 32 in de Q-schil. De verdeling van elektronen over de schillen is de elektronenconfiguratie. De elektronenconfiguratie van chloor is 2,8,7.
Edelgassen hebben een volle buitenste schil (edelgasconfiguratie). Deze configuratie is erg stabiel.
De opbouw van het periodiek systeem is deels gebaseerd op de elektronenconfiguratie.

Het aantal protonen in een atoomkern komt overeen met het atoomnummer. Atomen met hetzelfde aantal protonen maar een verschillend aantal neutronen zijn isotopen. Een atoom heeft geen lading (anders was het een ion), dus dan is het aantal elektronen gelijk aan het aantal protonen. Het massagetal is het aantal protonen en neutronen in een kern. Er zijn verschillende notaties mogelijk voor het schrijven van een isotoop. Niet alle isotopen zijn stabiel.
De atoommassa is een gemiddelde, gewogen naar het voorkomen van bepaalde isotopen. De atoommassa wordt gegeven in u.
Bij een chemische reactie vallen de moleculen uiteen in atomen, die vervolgens nieuwe moleculen vormen. Bij een kernreactie smelten atomen samen of splitsen atomen zich. Kernreacties schrijf je als volgt op. Het aantal protonen van de 2 elementen die samensmelten bepaalt welk nieuw element er wordt gevormd.

Moleculaire stoffen

Moleculaire stoffen willen graag een edelgasconfiguratie, dus een volle buitenste schil, want dit is het stabielst. Een waterstofatoom moet nog 1 elektron voor een edelgasconfiguratie. 2 waterstofatomen kunnen hun elektronen delen. Hierdoor hebben beide waterstofatomen een volle buitenste schil. Dit is een atoombinding of covalente binding. Deze binding wordt gevormd door een gemeenschappelijk elektronenpaar.
De covalentie is het aantal atoombindingen dat een atoom vormt. Waterstof heeft een covalentie van 1. De niet-metalen in groep 17 hebben ook een covalentie van 1, want als ze 1 elektron erbij krijgen, hebben ze een edelgasconfiguratie. De niet-metalen in groep 16 hebben een covalentie van 2, enz.

In een structuurformule worden alle elektronenparen van een stof getekend. Er kunnen ook meerdere atoombindingen tussen twee atomen voorkomen.
Zuurstof heeft bijvoorbeeld een covalentie van 2, dus bij O₂ heb je een dubbele binding. Bij N₂ heb je zelfs te maken met een drievoudige binding.
De moleculen van een moleculaire stof zitten vaak in een molecuulrooster. De bindingen tussen moleculen zijn een stuk zwakker dan de atoombindingen. Als een molecuul bestaat uit 1 element, waarvan meer dan 2 atomen in het molecuul zitten, zitten de moleculen in een atoomrooster.

Zouten

Zouten bestaan uit een metaal- en een niet-metaalion. Zouten geleiden alleen stroom in de vloeibare fase, of als ze opgelost zijn. In een zout wil het metaalion graag minder elektronen voor de edelgasconfiguratie. Het niet-metaalion wil juist extra elektronen voor de edelgasconfiguratie. Ze wisselen dus een elektron uit, waardoor het ionen worden.
Het metaalion is dus altijd positief geladen. Het niet-metaalion is dus altijd negatief geladen. Zouten bestaan uit ionen, maar ze zijn wel elektrisch neutraal. De ladingen heffen elkaar dus op.
Het aantal elektronen in de niet-volledig gevulde buitenste schil noem je de valentie-elektronen.
De lading van een ion is de elektrovalentie. In de tabel hiernaast (en in Binas 40A) staan de vaste ladingen van ionen. Sommige metalen kunnen meerdere ladingen vormen. Je zet de lading dan tussen haakjes met een Romeins cijfer (zoals een koper(II)ion).
Je kunt een zoutformule maken door goed te kijken naar de ladingen. Je moet ervoor zorgen dat er net zo veel positieve als negatieve ladingen zijn. Voorbeeld: de formule van het zout is dus Ag₂S (s) (of Ag⁺₂S²⁻ (s)), want dan zijn de ladingen neutraal.
Moleculen van een zout zitten in een ionrooster. De bindingen tussen de negatieve en positieve ionen heten ionbindingen, en zijn erg sterk. Zouten geleiden alleen in de vloeibare fase, omdat de krachten dan niet zo sterk zijn, en de ionen dus stroom kunnen vervoeren.

Metalen

Metalen worden bij elkaar gehouden door metaalionen. Deze ontstaan doordat de buitenste elektronen vrije elektronen zijn. Deze elektronen gaan van ion naar ion, waardoor er een erg sterke metaalbinding ontstaat. Het rooster van metalen heet metaalrooster. Door de sterke metaalbinding zijn alle metalen, op kwik na, vast bij kamertemperatuur. Hoe hoger het smeltpunt van een metaal is, hoe sterker de metaalbinding is. Naast het hoge smeltpunt zijn metalen dus goede geleiders en ze zijn goed vervormbaar. Als je metaal vervormt, schuiven de lagen van metaalionen langs elkaar. Door de vrije elektronen veranderd de binding tussen de ionen echter niet.