Hoofdstuk 1
Experimenteren
§1 Veiligheid §2 Experimenteren §3 Zuivere stoffen en mengsels §4 Chemische reacties en faseovergangen
§1 Veiligheid
In de scheikunde werken we vaak met chemicaliën. Voordat we gaan experimenteren met deze stoffen is het van belang dat je hier veilig mee om kan gaan. In deze paragraaf lees je hier meer over.
Ter bescherming van je kleding en je armen dragen we tijdens scheikunde-experimenten een labjas. Ter bescherming van je ogen draag je een veiligheidsbril (zie de onderstaande afbeelding). Beide dien je ten alle tijden op te hebben als er in het lokaal scheikunde-experimenten worden uitgevoerd. Denk er tevens aan om lange haren met een elastiek in een knotje te binden. Je wilt immers niet dat je haren in een gevaarlijke stof of in een vlam belanden. Let er ook op dat je niet eet en drinkt in het scheikundelokaal, omdat stoffen via je handen in je eten kunnen gaan zitten. Om gevaarlijke stoffen niet onopgemerkt via je handen mee naar buiten te nemen, is het van belang je handen te wassen na afloop van een experiment.
(Afbeelding: TEDxNewcastle met Andrew Szydlo)
Bij het gebruik van stoffen is het van belang eerst op het etiquette te kijken, zodat je weet waar je op moet letten bij het gebruik van de stof. Op het etiquette staan namelijk zogenaamde gevarenpictogrammen of gevarensymbolen. Hieronder zie je een aantal pictogrammen die je uit je hoofd wilt kennen.
Even ter verduidelijking. "Schadelijk" betekent met name dat de stoffen irriterend of schadelijk zijn voor de huid en ogen of bij het inademen of inslikken. "corrosief" betekent dat de stof bijtend reageert op de huid en ook bepaalde stofen kan aantasten. Een fles die "onder druk" staat kan gevaar opleveren als deze verwarmd word. Dan neemt de druk in de fles immers toe en kan de fles exploderen of kan de dop eraf schieten. Misschien dat je je ook afvraagt wat het verschil is tussen "ontvlambaar" en "oxiderend". "Ontvlambaar" betekent dat het materiaal in brand kan vliegen als er vuur in de buurt is. "Oxiderend" betekent dat de stof in brand kan vliegen als het in aanraking komt met bepaalde andere stoffen. Bij "langetermijnschade" moet je bijvoorbeeld denken aan kankerverwekkende stoffen. Je merkt dit effect niet meteen, maar op lange termijn is het zeer gevaarlijk.
Let er tevens op dat je veel stoffen die je gebruikt in de scheikundeles niet in de prullenbak of de gootsteen kan gooien. Dit geldt bijvoorbeeld voor stoffen die giftig zijn of schadelijk zijn voor het milieu. Vaak wordt dit verzameld in er een speciaal afvalvat in het lokaal.
Mocht er toch iets misgaan tijdens een experiment, dan zijn er in het lokaal een aantal hulpmiddelen aanwezig. Als je een stof in je ogen krijgt, spoel je ogen dan zo snel mogelijk schoon met de oogdouche. Als je kleding in brand vliegt, ga dan onder de douche staan. Als er in het lokaal een brand ontstaat, dan kan je ook gebruik maken van de branddeken. Gelukkig zijn deze noodmaatregelen zelden tot nooit nodig, maar mocht het een keer misgaan, dan is het belangrijk dat je weet wat je in zo’n situatie moet doen.
Door de gevaren die bepaalde stoffen met zich meebrengen, kan je je wellicht begrijpen dat er ook regels zijn over het verwerken van afval. Neem bijvoorbeeld klein chemisch afval (kca), dit is huishoudelijk afval dat chemische stoffen bevat die schadelijk kunnen zijn voor de gezondheid en het milieu. Denk bijvoorbeeld aan batterijen. Dit afval wordt apart ingezameld en speciaal verwerkt.
Sommig afval kunnen we hergebruiken. Dit wordt ook wel recyclen genoemd. Dit gebeurt bijvoorbeeld met plastic en papier, maar ook met metalen zoals staal. Groente, fruit en tuinafval (afgekort als GFT) wordt apart ingezameld en wordt compost van gemaakt, dan kan dienen als mest om de groei van gewassen te bevorderen. In BINAS kan je van een aantal soorten afval vinden wat hiermee gedaan wordt. Je kan hier ook het symbool vinden voor recylcen en voor klein chemisch afval. Ook kan je in BINAS voor een aantal gevaarlijke stoffen vinden waar je bij op moet letten.
Niet al het afval kunnen we echter recyclen. Als dit niet lukt, dan wordt afval verbrand of gestort op een vuilnisbelt. Verbranden heeft als voordeel dat de warmte die hierbij vrijkomt nuttig gebruikt kan worden, maar er kunnen wel schadelijke stoffen bij vrijkomen.
Zorg dat je de veiligheidseisen bij experimenteren in de scheikunde kent / pictogrammen / gevaarlijke stoffen
| |
|
Zorg dat je weet hoe verschillende soorten afval verwerkt worden
|
§2 Experimenteren
In deze paragraaf komen we dan eindelijk toe aan het uitvoeren van experimenten. In de theorie bespreken we een aantal materialen die we gebruiken bij experimenteren.
Als we stoffen willen mengen of verwarmen, dan doen we deze stoffen vaak eerst in glaswerk. Een bekend voorbeeld is de reageerbuis. Dit is een lang, dun, glazen buisje dat wordt gebruikt als we werken met kleine hoeveelheden stof. Hieronder zien we links bietensap dat in verschillende stoffen een andere kleur krijgt. Rechts zien we een chemische reactie tussen twee stoffen waar licht bij vrij komt. Deze stoffen worden bijvoorbeeld gebruikt in "glowsticks" en in de natuur zorgen ze voor het licht van vuurvliegjes.
(Afbeelding: Alvy16; CC BY 4.0 / PRHaney; CC BY-SA 3.0)
Door en reageerbuis rustig heen en weer te schudden kan je stoffen mengen. Als harder schudden nodig is, kan je de reageerbuis dichtmaken met een rubberen stop. Met een reageerbuisknijper kan de reageerbuis opgepakt worden en in een vlam verhit worden.
Een type glaswerk waar we meer stof in kwijt kunnen is het bekerglas (zie de eerste onderstaande afbeelding). Daarnaast hebben we ook de erlenmeyer (zie de tweede afbeelding). Een erlenmeyer heeft een brede bodem en een smalle hals en als gevolg kan je dit type glaswerk gemakkelijk schudden zonder te morsen. Zowel het bekerglas als de erlenmeyer kunnen ook verwarmd worden. Ze worden hiervoor eerst op een driepoot gezet (zie de derde afbeelding). Een ander type glaswerk is de maatcilinder (zie de vierde afbeelding). Een maatcilinder is een lange cilinder met op de zijkant een maatverdeling waarmee we het volume van vloeistoffen kunnen bepalen. Meestal wordt de maatverdeling gegeven in milliliters. Maatcilinders zijn niet bedoeld om te verwarmen.
Om stoffen te verwarmen gebruiken we een gasbrander (zie de onderstaande afbeelding). De branders in het scheikundelokaal werken op aardgas. Dit gas bestaat voornamelijk uit het brandbare methaan (CH4). Dit gas is kleurloos en geurloos en daarom moeilijk door mensen te detecteren. Omdat het gevaarlijk kan zijn als dit gas in een afgesloten ruimte ontsnapt, is een geur toegevoegd, zodat we het aardgas direct kunnen herkennen. Als we het aardgas met een lucifer aansteken, dan reageert het gas met de zuurstof in de lucht. Bij deze reactie komt warmte en licht vrij—er ontstaat vuur.
Als je met de gasbrander wilt werken, zorg je eerst dat zowel de gaskraan als de twee draaiknoppen op de brander dicht zijn. Daarna draai je eerst de gaskraan een klein stukje open. Steek dan een lucifer aan en draai de onderste draaiknop van de brander een stukje open. Met deze knop wordt gas toegelaten in de brander. Steek dan met de lucifer de vlam aan. Als het goed is krijg je nu een gele vlam te zien.
De bovenste knop regelt de luchttoevoer. Op dit moment is deze knop nog dicht en als gevolg kan er maar weinig zuurstof bij de vlam komen. We spreken in dit geval van onvolledige verbranding. Bij dit type verbranding komt naast water en koolstofdioxide ook koolstof (C) en koolstofmonoxide (CO) vrij. Koolstof is een zwarte vaste stof die we in het dagelijks leven "roet" noemen. Het ontstaan van roet merken we bijvoorbeeld als we een stukje glas in deze vlam houden (zie de rechter onderstaande afbeelding). Omdat we geen roet op ons glaswerk willen hebben, wordt een gele vlam niet gebruikt voor het verwarmen van materialen. Als we brander even niet gebruiken, dan zetten we wel de gele vlam aan, omdat deze vlam het best zichtbaar is. De gele vlam wordt daarom ook wel de waarschuwingsvlam genoemd. Koolstofmonoxide is een onzichtbaar gas dat bij hoge concentratie gevaarlijk is voor de mens.
Als we stoffen willen verwarmen, dan zetten we de luchttoevoer verder open. Als we dit geleidelijk doen, zullen we eerst zien dat de vlam blauw wordt. Bij grote hoeveelheden zuurstof gaat de vlam daarnaast ook hoorbaar ruisen en wordt er een lichtblauwe kern in de vlam zichtbaar. We noemen deze vlammen de blauwe vlam en de ruisende vlam (zie de onderstaande rechter). Hoe meer we de luchttoevoer openzetten, hoe heter de vlam wordt. Het topje van de lichtblauwe kern is het heetste deel van de vlam en daar worden dan ook materialen gehouden die we sterk willen verhitten.
(Afbeelding: ... / Arthur Jan Fijalkowski; CC BY 3.0)
Bij de blauwe vlam en de ruisende vlam vindt volledige verbranding plaats. Bij dit type verbranding ontstaat alleen koolstofdioxide (CO2) en waterdamp (H2O).
Zowel waterdamp als koolstofdioxide kunnen we niet zien. Het ontstaan van koolstofdioxide kunnen we bijvoorbeeld aantonen door het gas door kalkwater te laten stromen. Deze vloeistof is normaal doorzichtig, maar wordt troebel wit in aanraking met CO2. Waterdamp kan aangetoond worden door het te laten condenseren, zodat druppels zichtbaar worden. We kunnen aantonen dat dit water is door het te laten reageren met wit kopersulfaat. Dit wordt namelijk blauw in aanraking met water.
In de onderstaande afbeelding zijn de stoffen die ontstaan bij de verschillende vlammen nog eens overzichtelijk weergegeven:
|
Zorg dat je de werking van de brander kan beschrijven
|
|
§3 Zuivere stoffen en mengsels
In deze paragraaf gaan we het verschil tussen zuivere stoffen en mengsels bespreken. We gaan ook een techniek leren waarmee we kunnen bepalen of een stof zuiver is of niet. Maar eerst gaan we het begrip stofeigenschappen bespreken.
Sommige eigenschappen van de stoffen kunnen gebruikt worden om de stoffen te herkennen. We noemen dit stofeigenschappen. Een stuk goud heeft bijvoorbeeld altijd deze eigenschappen:
- Gele kleur
- Glanzend
- Vast bij kamertemperatuur
- Vervormbaar
- Goede geleider van elektriciteit
- Niet brandbaar
- Smeltpunt van 1064 graden Celsius
- Kookpunt van 2856 graden Celsius
- Dichtheid van 19,3 g/cm3
Elk stuk goud heeft o.a. deze eigenschappen en daarom is goud aan deze eigenschappen te herkennen. Als we een stof vinden met al deze eigenschappen, dan weten we dat dit goud is. Als het één van deze eigenschappen niet heeft, dan weten we zeker dat het geen goud is.
Niet alle eigenschappen van een stof zijn ook meteen stofeigenschappen. Als je een stuk goud hebt met een massa van 500 gram dan wil dat niet zeggen dat elk stuk goud een massa van 500 gram heeft. Massa is dus geen stofeigenschap. Ook de fase van een stof is geen stofeigenschap. Elke stof bevindt zich in een van de volgende drie fasen:
- Vast
- Vloeibaar
- Gas
Goud kan voorkomen als vaste stof, maar ook als vloeistof of gas en daarom is de fase geen stofeigenschap. De fase bij kamertemperatuur is wel een stofeigenschap. Goud is bij kamertemperatuur immers altijd een vaste stof.
Als een bepaald materiaal uit één soort stof bestaat, dan noemen we dit materiaal zuiver. Helemaal zuiver zijn stoffen eigenlijk nooit, maar er zijn een aantal stoffen die redelijk in de buurt komen. Denk bijvoorbeeld aan een suikerklontje of een stuk koperdraad. Als een materiaal uit meerdere stoffen bestaat, dan noemen we dit een mengsel. Een voorbeeld van een mengsel is beton. Dit is een mengsel van water, zand, cement en grind. Zelfs het water uit de kraan is een mengsel. Hieronder zien we een label van een flesje mineraalwater. Op dit label staat dat er in het water allerlei stoffen zijn opgelost, zoals calcium, magnesium en natrium.
We kunnen met een simpel experiment bepalen of een materiaal een zuivere stof of een mengsel is. Neem bijvoorbeeld de zuivere stof tin. Als we deze stof geleidelijk verwarmen, dan begint het te smelten bij een temperatuur van 232 °C. Gedurende de periode waarin het tin aan het smelten is, blijft de temperatuur 232 °C. We noemen dit het smeltpunt van tin (zie de onderstaande afbeelding).
De reden dat de temperatuur tijdens het smelten niet hoger wordt, is omdat de warmte tijdens het smelten niet gebruikt wordt om het tin te laten smelten, maar om de sterke bindingen tussen de tin-atomen te verbreken. Dit is nodig om het tin vloeibaar te maken. Als je de temperatuur van tin verhoogd tot 2602 °C, dan begint het te koken. Ook hier zien we dat de temperatuur constant blijft tot het moment dat al het tin is verdampt.
Als we een mengsel verwarmen, dan zien we een ander patroon. Omdat de verschillende stoffen in een mengsel allemaal andere smeltpunten hebben, is er geen eenduidig smeltpunt. Als gevolg blijft de temperatuur tijdens het smelten en het koken niet constant. De temperatuurstijging tijdens het smelten noemen we het smelttraject en de temperatuurstijging tijdens het koken het kooktraject (zie de onderstaande afbeelding).
Door te achterhalen of een stof een smeltpunt of een smelttraject heeft, kunnen we dus bepalen of een stof een zuivere stof of een mengsel is!
|
Zorg dat je kan aantonen of een stof een zuivere stof of een mengsel is
| ||||||||||||||||||||
|
§4 Chemische reacties en faseovergangen
In deze paragraaf gaan we het verschil tussen faseovergangen en chemische reacties bestuderen.
Scheikunde gaat over de eigenschappen van stoffen en wat er gebeurt als we deze stoffen mengen. In sommige omstandigheden kunnen stoffen veranderen in compleet andere stoffen. Als dit gebeurt, spreken we van een chemische reactie. Bijvoorbeeld een kleurverandering of een verbranding is een aanwijzing dat er een chemische reactie heeft plaatsgevonden.
Een bekend voorbeeld van een chemische reactie is de verbrandingsreactie. In de eerste onderstaande afbeelding zien we de verbranding van staalwol. Staalwol bestaat voornamelijk uit ijzer en bij hoge temperaturen reageert het met de zuurstof in de lucht. Bij de verbranding van ijzer ontstaat ijzeroxide. In het dagelijks leven noemen we dit ook wel "roest". Bij deze reactie is zuurstof en ijzer dus veranderd in een nieuwe stof: ijzeroxide. Er heeft dus een chemische reactie plaatsgevonden. In de natuur roest ijzer ook, maar dat gaat veel langzamer (zie de tweede afbeelding).
(Afbeelding: alennzg / Islander61; CC BY-SA 4.0)
Chemische reacties kunnen we beschrijven met een reactieschema. In een reactieschema schrijven we schematisch op welke stoffen voor de reactie aanwezig waren (de reactanten) en welke stoffen na de reactie zijn ontstaan (de producten):
$$ \mathrm{reactant} 1 + \mathrm{reactant} 2 + \mathrm{...} \rightarrow \mathrm{product} 1 + \mathrm{product} 2 + \mathrm{...} $$Laten we als voorbeeld de verbranding van staalwol nemen. Zoals we eerder gelezen hebben, reageert het ijzer waaruit het staalwol bestaat met de zuurstof in de lucht en ontstaat er ijzeroxide. De reactanten zijn dus ijzer en zuurstof en het product is ijzeroxide. We schrijven dit op als:
$$ \mathrm{ijzer} + \mathrm{zuurstof} \rightarrow \mathrm{ijzeroxide} $$Het reageren van een metaal met zuurstof wordt in zijn algemeenheid corrosie genoemd. Alleen de corrosie van ijzer wordt ook wel roesten genoemd. Een nadeel van roesten is dat roest erg broos is en zuurstof daardoor gemakkelijk bij het ijzer komt onder de roestlaag, waardoor het verder blijft roesten. Dit werkt niet zo bij o.a. chroom. Chroom is veel meer corossiebestendig. Bij de corrosie van dit metaal ontstaat een dun hard laagje chroomoxide. Dit laagje beschermd de chroom eronder. Dit is de reden dat bijvoorbeeld kranen en douches vaak met een laagje chroom worden bedekt. Edelmetalen als goud en platina oxideren helemaal niet.
Een ander voorbeeld van een chemische reactie treedt op als we carbid (ook wel calciumcarbide) combineren met water. Er ontstaat hierbij de stof ethyn en calciumhydroxide. Er geldt dus:
$$ \mathrm{carbid} + \mathrm{water} \rightarrow \mathrm{ethyn} + \mathrm{calciumhydroxide} $$Als we de stof ethyn combineren met lucht en dan aansteken, dan ontstaat een explosie waarbij de gassen koolstofdioxide en waterdamp vrijkomen.
$$ \mathrm{carbid} + \mathrm{zuurstof} \rightarrow \mathrm{koolstofdioxide} + \mathrm{waterdamp} $$In sommige delen van Nederland wordt rond de jaarwisseling carbid en water in een melkbus gedaan. Bij het ontsteken schiet de dos van de melkbus soms meters ver weg en is een grote knal te horen en een vlam te zien.
(Afbeelding: Jjdez; CC BY-SA 3.0)
Het is belangrijk chemische reacties te kunnen onderscheiden van natuurkundige processen. Hier verandert een stof, maar er ontstaat geen nieuwe stof en er is dan dus ook geen sprake van een chemisch reactie. Een voorbeeld hiervan is het uitzetten of krimpen van een gas, als we dit gas verwarmen of afkoelen. Als we bijvoorbeeld een ballon in een koude vloeistof duwen, dan wordt het gas kouder en daardoor krimpt de ballon. Dit is een voorbeeld van een natuurkundig proces, want er ontstaan bij deze verandering geen nieuwe stoffen.
Andere voorbeelden van natuurkundige processen zijn faseovergangen. We kennen allemaal de drie fasen van water. Vast water noemen we ijs, vloeibaar water noemen we gewoon "water" en water in gasvorm noemen we waterdamp. Als een stof van de ene fase overgaat naar een andere, dan spreken we van een faseovergang. Bij een faseovergang ontstaat geen nieuwe stof. We krijgen gewoon dezelfde stof te zien, alleen dan in een andere fase. Of je water nu in gas-, vloeibare- of vaste vorm tegenkomt, het blijft water. Een faseovergang is daarom geen chemische reactie maar een natuurkundig proces.
Er zijn ook stoffen die niet in alle fasen voorkomen. Neem bijvoorbeeld hout. Er bestaat geen "vloeibaar hout" of "houtgas". Suiker komt ook niet in alle fasen voor. Als we suiker verwarmen vindt er een chemische reactie plaats. Hierbij ontstaat o.a. een bruine stof genaamd karamel.
|
Zorg dat je het verschil kent tussen chemische reacties en faseovergangen
|
|
§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. In dit hoofdstuk bespreken we metaalroosters en moleculen. 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 (zie de onderstaande afbeelding).
In de 19de eeuw zijn door de wetenschapper Dmitri Mendelejev de atoomsoorten op rij gezet van de lichtste tot de zwaarste. Hij ontdekte toen dat de eigenschappen van de stoffen zich in een vast patroon herhaalden. Bijvoorbeeld, atoom nummer 2 is niet reactief, atoom nummer 3 juist wel en 4 iets minder. Dit herhaalde zich bij atoom 10 (niet reactief), atoom 11 (reactief) en atoom 12 (iets minder reactief). Mendelejev kwam toen op het briljante idee om de stoffen met gelijke eigenschappen onder elkaar te noteren. Het resultaat is de bovenstaande tabel, genaamd het periodiek systeem der elementen. We lezen dit systeem van links naar rechts en dan rij voor rij naar beneden. De (horizontale) rijen worden ook we periodes genoemd en de (vertiale) kolommen worden groepen genoemd. Deze groepen en kolommen zijn hierboven genummerd. Merk op dat de eerste periode maar twee elementen heeft. De tweede heeft er acht. Etc. Je kan een soortgelijke tabel in BINAS vinden.
De atoomsoorten die hieronder in grijs zijn weergegeven noemen we metalen. De atoomsoorten die blauw zijn weergegeven noemen we niet-metalen. De atomen in de witte vlakjes worden metalloïden 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 |
| Barium | Ba | Zuurstof | O |
| Chroom | Cr | Zwavel | S |
| IJzer | Fe | Fluor | F |
| Nikkel | Ni | Chloor | Cl |
| Platinum | Pt | Broom | Br |
| Koper | Cu | Jood | I |
| Zilver | Ag | Helium | He |
| Goud | Au | Neon | Ne |
| Zink | Zn | Argon | Ar |
| Cadmium | Cd | ||
| Kwik | Hg | ||
| Aluminium | Al | ||
| Tin | Sn | Metalloïde | |
| Lood | Pb | Silicium | Si |
Leerdoelen:
| ||||||
|
§2 Metalen
In deze paragraaf bestuderen we een aantal eigenschappen van metalen.
Metalen zijn te herkennen aan de volgende stofeigenschappen:
- Ze glimmen als ze gepolijst zijn.
- Ze zijn buigbaar.
- Ze zijn goede geleiders van warmte en elektriciteit.
- Ze zijn vast bij kamertemperatuur (behalve kwik).
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 kunt kwik tegenwoordig niet meer kopen, omdat het erg giftig is. We moeten het daarom dus even doen met het volgende filmpje:
(Afbeelding: images-of-elements.com; CC BY-SA 3.0; Marmall4; CC BY 3.0)
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 ze 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 gemakkelijk reageren met stoffen als water en zuurstof.
(Afbeelding: Dudva; CC BY-SA 4.0 / Matthew Bowden; www.digitallyrefreshing.com; PD )
De stoffen zilver (Ag), goud (Au) en platinum (Pt) worden edele metalen genoemd. Deze metalen reageren niet of nauwelijks met andere stoffen.
(Afbeelding: Alchemist-hp; CC BY-SA 3.0 / Alchemist-hp; CC BY-SA 3.0 / Robert Lavinsky; CC BY 3.0)
De overige metalen noemen we de onedele metalen. Deze metalen zijn wel reactief, maar deze reacties verlopen meestal langzaam. Het roesten van ijzer is een voorbeeld hiervan. Het reageren van een metaal met zuurstof noemen we oxideren of corrosie. Het bekendste voorbeeld hiervan zijn we al eerder tegengekomen: de oxidatie van ijzer. We noemen dit ook wel roesten. Een nadeel van roesten is dat roest erg broos is en zuurstof daardoor gemakkelijk bij het ijzer komt onder de roestlaag, waardoor het verder blijft roesten. Dit werkt anders bij o.a. koper, alluminium, tin, chroom en zink. Deze metalen zijn meer corrosiebestendig. Dit komt doordat ze een dun en hard oxidelaagje vormen dat het metaal eronder beschermd tegen verdere corrosie. Bij het oxideren van koper ontstaat koperoxide, ook wel patina genoemd. Patina is lichtgroen. Het Vrijheidsbeeld is hier bijvoorbeeld van gemaakt (zie de afbeelding linksonder). Bij chroom ontstaat een dun doorzichtig laagje chroomoxide. Doordat dit laagje doorzichtig is blijft het glimmende metaal eronder goed zichtbaar. Dit is de reden dat bijvoorbeeld ijzeren kranen vaak met een laagje chroom worden bedekt (zie de afbeelding rechtsonder). Dit wordt verchromen genoemd. Een andere manier om ijzer te beschermen tegen corrosie is door het te bedekken met een laagje zink (dit wordt galvaniseren genoemd), maar je kan het ijzer natuurlijk ook gewoon verven.
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 de legering de perfecte ordening van het rooster (zie de middelste twee afbeeldingen). Als gevolg hiervan zijn legeringen een stuk sterker. Een bekend voorbeeld van een legering is staal. Dit bestaat uit ijzer gemengd met een beetje koolstof. Staal wordt bijvoorbeeld gebruikt voor de kabels die een brug omhoog houden (zie de rechter afbeelding).
Een aantal veelvoorkomende legeringen kan je in BINAS vinden. Hier zien we dat de legering brons een combinatie van koper en tin is, messing een combinatie van koper en zink en soldeer een combinatie van tin en lood.
De orde in het rooster verbreekt ook als we een metaal smelten. In dat geval gaan de atomen langs elkaar bewegen (zie de onderstaande afbeelding).
Leerdoelen:
| ||||||||||
|
§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 (H2O2) bevat slechts één zuurstofatoom meer dan water, maar toch is het een geheel andere stof. Waterstofperoxide wordt bijvoorbeeld gebruikt voor het blonderen van haar!
Bron: S. Nova (glas water)
Ook de fase van een stof kunnen we weergeven met een 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). We noemen dit ook wel toestandsaanduidingen.
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. Onder de afbeelding zien we de bijbehorende molecuulformule.
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 deze stof ook gebruikt in heliumballonnen en zeppelins.
(Afbeelding: Pslawinski; CC BY-SA 2.5)
De atomen van edelgassen bewegen allemaal los van elkaar (zie de onderstaande afbeelding). Edelgassen vormen dus geen moleculen.
De niet-metalen in de tweede kolom van rechts in het periodiek systeem 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 immers 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 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 0,04 vol% koolstofdioxide in de lucht). Waterstof is de atoomsoort met de kleinste massa en als gevolg werd het vroeger gebruikt in zeppelins. 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.
(Afbeelding: Sam Shere; PD)
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 is de hardste stof die bestaat.
(Afbeelding: Y.K. Liao; CC BY-SA 4.0 / Dmgerman; CC BY 3.0 / Pixabay; PD)
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.
(Afbeelding: Ben Mills; PD / W. Oelen; CC BY 3.0)
Leerdoelen:
| ||||||||||
|
