Hoofdstuk 8
Atomen en moleculen

§1       Chemische reacties

In dit hoofdstuk maken we een begin aan de scheikunde. We beginnen met het beschrijven van chemische reacties.

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.

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 (roest). De zuurstof en het ijzer zijn 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).

Chemische reacties beschrijven we 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). Tussen de reactanten en de producten schrijven we een pijltje:

$$ \text{reactant 1} + \text{reactant 2} + \text{...} \;\;\; \rightarrow \;\;\; \text{product 1} + \text{product 2} + \text{...} $$

Laten we als voorbeeld de verbranding van staalwol nemen. Zoals we hebben gelezen reageert hier het ijzer in de staalwol met de zuurstof in de lucht en ontstaat er ijzeroxide. De reactanten zijn dus ijzer en zuurstof en het product is ijzeroxide. We schrijven dan:

$$ \mathrm{ijzer} + \mathrm{zuurstof} \rightarrow \mathrm{ijzeroxide} $$

Het is belangrijk om chemische reacties te onderscheiden van faseovergangen. Bij een faseovergang ontstaat namelijk 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.

Sommige stoffen komen niet in alle fasen. 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 in o.a. een bruine stof die we karamel noemen.

Uitschrijven van reactieschema’s en herkennen van het verschil tussen faseovergangen en chemische reacties

1. Leg uit welk van de volgende fenomenen chemische reacties zijn en welke niet:

a. Staal wordt bij hoge temperaturen vloeibaar.

b. Als we suiker verwarmen ontstaat er karamel.

c. Wolken ontstaan als waterdamp in de lucht condenseert tot waterdruppels.

2. Als we het metaal calcium in water gooien reageert het heftig. Bij deze reactie ontstaat kalk en waterstofgas. Schrijf het reactieschema op dat bij deze reactie hoort.

3. Bij de verbranding van staalwol ontstaat roest. Staalwol bestaat voornamelijk uit ijzer. Schrijf het reactieschema op dat bij deze reactie hoort.

4. Stel je krijgt een glas cola met een aantal ijsklontjes. Geef aan in welke fase de frisdrank, de koolstofdioxide (de 'prik') en het ijs zich bevinden.

5. Geef bij elk van de volgende stoffen aan of ze in vloeibare vorm bestaan:

a. Hout

b. IJzer

c. Suiker

d. Goud

e. Zout

6. Geef bij elk van de volgende fenomenen aan of het gaat om een faseovergang of een chemische reactie. Licht je keuze telkens toe.

a. Het koken van water

b. Het maken van karamel

c. Het bakken van een ei

d. Het smelten van ijzer

e. Het bevriezen van een ijslolly

f. Het verbranden van hout

g. Het ontstaan van wolken

§2       Het periodiek systeem

In deze paragraaf bestuderen we verschillende soorten atomen.

De wereld bestaat uit kleine bolvormige deeltjes die we atomen noemen. Er bestaan 118 soorten atomen. Al deze soorten hebben een naam en een symbool. Dit symbool bestaat uit een hoofdletter en in sommige gevallen ook een kleine letter. 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 volgende atoomsoorten en de bijbehorende symbolen moet je uit het 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
Zink	Zn	Neon	Ne
Aluminium	Al	Argon	Ar
Tin	Sn
Lood	Pb

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

1.

§3       Metalen

In deze paragraaf bestuderen we een aantal eigenschappen van metalen.

In de onderstaande afbeelding zijn de metalen in het periodiek systeem in het grijs aangegeven. De metalen in de eerste 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. De stoffen in de tweede kolom reageren heftig met zuurstof.

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.

Het reageren van een metaal met zuurstof noemen we oxideren. Het bekendste voorbeeld hiervan hebben we al gezien in een eerdere paragraaf: de oxidatie van ijzer, waarbij een oranje stof genaamd roest ontstaat. We noemen het oxideren van ijzer daarom ook wel roesten. Een ander bekend voorbeeld is het oxideren van koper. Geoxideerd koper is lichtgroen. Het Vrijheidsbeeld is hier bijvoorbeeld van gemaakt.

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 soort atoom en de metaalroosters zijn daardoor erg geordend. 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 orde van het rooster (zie de rechter twee afbeeldingen). Als gevolg hiervan zijn legeringen juist erg sterk.

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

Redeneren over edele en onedele metalen en tekenen van metaalroosters

1. Maak een tekening van aluminium op atomaire niveau.

2. Noem drie zeer onedele, drie onedele en drie edele metalen.

3. Goud komt in de natuur in zuivere vorm voor. IJzer echter niet. Leg uit hoe dit komt.

4. Chroom is een duur metaal. Toch worden metalen voorwerpen in de badkamer vaak omhult door een laagje chroom. Bedenk waarom dit gedaan wordt.

5. Trouwringen bestaan meestal voor een groot deel uit goud. Zuiver goud is echter niet geschikt voor sieraden. Bedenk waarom dit zo is.

6. Brons is een legering van 90% koper en 10% tin. Een tin-atoom is iets groter dan een koperatoom.

a. Teken een model van brons met 20 atomen.

b. Leg aan de hand van deze tekening uit waardoor brons stugger is dan koper.

§4       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 bijvoorbeeld H₂O, omdat het uit twee waterstofatomen (H₂) en één zuurstofatoom (O) bestaat.

Ook lucht bestaat uit moleculen. Lucht bestaat voor 78% uit stikstof (N₂), voor 21% uit zuurstof (O₂) en voor minder dan een procent uit de gassen argon (Ar) en koolstofdioxide(CO₂).

Het soort molecuul bepaalt met wat voor 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!

Ook de fase van de stof kunnen we weergeven in de molecuulformule. We gebruiken hiervoor de eerste letters 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:

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

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

De niet-metalen in de meest rechtse kolom worden de edelgassen genoemd. Edelgassen zijn niet reactief. Dit betekent dat ze vrijwel nooit met andere stoffen reageren. 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 worden de halogenen genoemd. De halogenen zijn juist erg reactief en reageren vooral goed met metalen. Moleculen die alleen uit halogeenatomen bestaan, komen voor in paren (dus in groepjes van twee). Dit is goed te zien in de onderstaande afbeelding. Een chloormolecuul heeft dus de molecuulformule Cl₂ bestaat dus uit twee chlooratomen. Een fluormolecuul heeft de molecuulformule F₂ 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 onthoudt.

Het verschil tussen atomen en moleculen begrijpen, het opstellen van molecuulformules en redeneren over edelgassen en halogenen

1.

2. Bestaan er meer atoomsoorten of meer molecuulsoorten? Leg je antwoord uit.

3. Maak tekeningen van:

a. 14 Sn(s)

b. 3 O₂(g)

c. 6 Cu(s)

d. 8 Hg(l)

4. Noteer de molecuulformules van de onderste twee moleculen. De rode atoom staat voor zuurstof, de grijze atomen voor koolstof en de blauwe voor waterstof.

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.

8. Hoeveel koolstofatomen ontstaan er uit één suikermolecuul?

9. Hoeveel watermoleculen ontstaan er uit één suikermolecuul?

10. Leg uit wat het verschil is tussen Cl₂ en 2Cl.

11. Wat hebben edelgassen en edelmetalen met elkaar gemeen.

12. Waarom worden gloeilampen gevuld met argon en niet met lucht?

13. Welke twee eigenschappen maakt helium geschikt als vulling van een zeppelin?

14. Een ballon is gevuld met helium. Teken het helium op atomair niveau

15. Teken een stikstofmolecuul, een zuurstofmolecuul en een koolstofdioxidemolecuul op atomair niveau. Noteer ook de bijbehorende molecuulformules.

16. Teken drie fluormoleculen. Noteer ook de bijbehorende molecuulformule.

17. Teken tien broommoleculen op atomair niveau. Noteer ook de bijbehorende molecuulformule.

18. In neonverlichting zit neon. Als we door neon een elektrische stroom laten lopen, dan gaat het oplichten. Teken neon op atomair niveau.

§5       Scheiden en ontleden

In deze paragraaf leren we het verschil tussen scheiden en ontleden. Scheiden is een voorbeeld van een chemische reactie.

Als we veel energie aan een stof toevoegen, 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 kunnen we bijvoorbeeld ontleden in koolstof en water (zie het filmpje op de website). De koolstof die ontstaat, kunnen we niet verder ontleden, maar het water wel. Als we water onder stroom zetten, 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. Bij ontleden ontstaan nieuwe moleculen en dus nieuwe stoffen. Dit is dus een chemische reactie. Suikerwater daarentegen is een mengsel. Mengsel bestaan uit 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.

2. Leg uit of er bij de volgende processen sprake is van ontleding of scheiding:

a. Zout wordt gewonnen door zeewater te laten verdampen.

b. Aardgas wordt verbrand in de brander.

c. Alcohol wordt gedestilleerd uit wijn.

d. Vlees verkoolt op een barbecue.

e. In de industrie maakt men chloor uit natriumchloride (keukenzout).

3. Je kunt water koken en je kunt water ontleden.

a. Wat ontstaat er bij het koken van water?

b. Wat ontstaat er bij het ontleden van water?

c. Leg uit in welk geval er een chemische reactie plaatsvindt.

d. Leg uit voor welk proces je meer energie nodig hebt.