Bindingen en polariteit (Scheikunde vwo), les 1: Uitleg

• New lesson editor
• Scheikunde
• Middelbare school
• vwo
• Leerjaar 4-6

Introduction

Uitleg over soorten stoffen en hun namen, de polaire atoombinding, ruimtelijke bouw met VSEPR, dipolen, bindingen tussen moleculen, roosters, smelt- en kookpunt, oplossen en hechting. Met een woordweb, zes controlevragen, twee animaties, een poll en een open vraag.

Schaatsenrijder op water, Schäftlarn 2009 (foto: Richard Bartz, CC BY-SA 2.5)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · MATERIE · BINDINGEN

Bindingen en polariteit

Examenstof scheikunde vwo

Les 1 van 3: uitleg. Les 2 is de examentraining, les 3 de terugblik met quiz. Syllabus: M1.1-M1.3, M1.7-M1.9, M1.16, M1.17, M3.1-M3.9. Image credit: Richard Bartz / Wikimedia Commons, CC BY-SA 2.5

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · MATERIE · BINDINGEN

Wat ga je kunnen?

Ik kan met polariteit, ruimtelijke bouw en de bindingen tussen deeltjes verklaren hoe stoffen zijn gebouwd en welke eigenschappen ze hebben.

Waarom is water vloeibaar en methaan een gas?

Verwachte woorden: moleculen, bindingen, waterstofbruggen, zwakke aantrekking, molecuulmassa, polair. Haal de woorden op die in de les terugkomen: polaire binding, dipool, vanderwaalsbinding, waterstofbrug. Veelgemaakte misvatting: de atoombindingen in water zijn sterker dan die in methaan. Het gaat om de bindingen tussen de moleculen.

Kristallijn koper, een metaal (foto: Hi-Res Images of Chemical Elements, CC BY 3.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · MATERIE · BINDINGEN

Metaal, zout of moleculair?

• Een metaal bestaat uit metaalatomen, zoals Cu of Fe. Een legering is een mengsel van metalen.

• Een zout bestaat uit ionen: een metaalion met een niet-metaalion, of NH₄⁺ zoals in NH₄Cl.

• Een moleculaire stof bestaat uit losse moleculen van niet-metalen, zoals CO₂ en H₂O.

• Een macromoleculaire stof, zoals diamant (C), is één groot netwerk van atoombindingen.

Syllabus M1.7: op basis van de formule aangeven of een stof een metaal (legering), (macro)moleculaire stof of zout is. De ionen en zouten zelf komen in de les Zouten en oplosbaarheid. Veelgemaakte fout: NH₄Cl moleculair noemen omdat er geen metaal in staat. Een zout met NH₄⁺ is wel een zout. Image credit: Hi-Res Images of Chemical Elements / Wikimedia Commons, CC BY 3.0

Kokend water in een pan, 2009 (foto: GRAN, CC BY 3.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · MATERIE · BINDINGEN

Stoffen op microniveau

• Niet-ontleedbaar: één atoomsoort (H₂, Cu). Ontleedbaar: meer atoomsoorten, zoals H₂O en NaCl.

• Moleculaire stof: neutrale moleculen; atoombindingen erin, andere bindingen ertussen.

• Zout: positieve en negatieve ionen in een rooster, bij elkaar gehouden door ionbindingen.

• Toestand: (s), (l), (g), (aq). Kokend water is H₂O(l) → H₂O(g): een fase-overgang, geen reactie.

Syllabus M1.8 (ontleedbaar en niet-ontleedbaar op microniveau), M1.9 (moleculaire stof en zout op microniveau), M1.3 (aggregatietoestand, toestandsaanduidingen, fase-overgang). Kijkvraag bij de foto: welke deeltjes zitten in de bellen, en blijven de moleculen heel? Antwoord: watermoleculen in de gasfase, de moleculen blijven H₂O. Veelgemaakte fout: denken dat water bij koken ontleedt in H₂ en O₂. Image credit: GRAN / Wikimedia Commons, CC BY 3.0

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · MATERIE · BINDINGEN

Binaire stoffen: naam en formule

• Een binaire moleculaire stof bestaat uit twee atoomsoorten. Noem eerst het eerste atoom, dan het tweede met -ide.

• Telwoorden geven de index: mono 1, di 2, tri 3, tetra 4, penta 5. Mono laat je bij het eerste atoom weg.

• SO₃ is zwaveltrioxide, CS₂ is koolstofdisulfide en N₂O₅ is distikstofpentaoxide.

• Omgekeerd: tetrafosfordecaoxide is P₄O₁₀. Het telwoord staat voor de atoomsoort waar het bij hoort.

• Triviale namen zijn geen systematische namen: water H₂O, ammoniak NH₃, glucose C₆H₁₂O₆, azijnzuur CH₃COOH.

Syllabus M1.2 (molecuulformule en systematische IUPAC-naam van binaire moleculaire stoffen, in beide richtingen), M1.1 en M1.3 (triviale naam, index). Veelgemaakte fouten: het telwoord bij het verkeerde atoom zetten, de index als coëfficiënt lezen, mono bij het eerste atoom schrijven.

Welke stof is een zout?

A

NH₄Cl

B

NH₃

C

CCl₄

D

HCl

Syllabus M1.7: NH₄Cl bestaat uit NH₄⁺ en Cl⁻ ionen. NH₃, CCl₄ en HCl zijn moleculaire stoffen. Verwachte fout: NH₃ of HCl kiezen omdat ze H en N of Cl bevatten.

Wat is de molecuulformule van dichloorheptaoxide?

A

Cl₇O₂

B

ClO₇

C

Cl₂O₇

D

Cl₂O₅

Syllabus M1.2: di is 2 chloor, hepta is 7 zuurstof. Verwachte fouten: de telwoorden verwisselen (Cl₇O₂) of mono weglaten bij het eerste atoom terwijl er di staat (ClO₇).

Het elektronenpaar in H₂ en in HCl (eigen animatie)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · MATERIE · BINDINGEN

Polaire atoombinding

• Elektronegativiteit: hoe sterk een atoom het gemeenschappelijke elektronenpaar naar zich toe trekt.

• Bij een groot verschil is de binding polair: δ⁻ bij het elektronegatiefste atoom, δ⁺ bij het andere.

• Gelijke atomen (H₂, Cl₂) of een klein verschil (C–H): apolaire binding, zonder partiële ladingen.

• Je zet partiële ladingen bij de atomen in de structuurformule: H–Cl met δ⁺ bij H en δ⁻ bij Cl.

Syllabus M3.1 (polaire atoombinding met elektronegativiteit), M1.17 (plaats van partiële ladingen). Elektronegativiteitswaarden staan in Binas of ScienceData, of worden in de opgave gegeven. Kijkvraag bij de animatie: waar bevinden de stippen zich vaker in HCl dan in H₂? Antwoord: dichter bij Cl, dus Cl wordt δ⁻. Veelgemaakte fout: een partiële lading δ⁻ opvatten als een hele lading, of denken dat een polaire binding een ion geeft. Image credit: Eigen animatie

CO₂ lineair, CH₂O plat vlak en CH₄ tetraëder, met bindingshoek (eigen figuur)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · MATERIE · BINDINGEN

Ruimtelijke bouw met VSEPR

• Bindingen en vrije elektronenparen om een atoom stoten elkaar af: ze gaan zo ver mogelijk uit elkaar.

• Omringingsgetal: aantal bindingspartners plus vrije paren; een meervoudige binding telt voor één.

• 2: lineair, 180°. 3: plat vlak, ongeveer 120°. 4: tetraëder, ongeveer 109°.

• H₂O: O heeft 2 bindingen en 2 vrije paren, dus 4-omringing (tetraëder): H–O–H ligt niet op een lijn.

Syllabus M1.16 (VSEPR, omringingsgetal 2, 3 en 4, bindingshoeken). De vrije elektronenparen haal je uit de lewisstructuur: zie de les Atoombouw en lewisstructuren. Voorbeelden in de figuur: CO₂ (C heeft 2 omringing: twee dubbele bindingen), CH₂O (C heeft 3: twee enkele bindingen en een dubbele) en CH₄ (C heeft 4). Veelgemaakte fout: een dubbele binding als twee omringingen tellen, of de vrije paren vergeten bij O en N. Image credit: Eigen figuur

Pijlen van de polaire bindingen tellen op bij CO₂ en H₂O (eigen animatie)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · MATERIE · BINDINGEN

Is het molecuul een dipool?

• Een molecuul is een dipool als het polaire bindingen heeft die niet symmetrisch liggen.

• Symmetrisch gebouwd, zoals CO₂ en CCl₄: de polaire bindingen heffen elkaar op, geen dipool.

• Niet symmetrisch, zoals H₂O, NH₃ en HCl: er is een positieve en een negatieve kant.

• Zonder polaire bindingen (H₂, CH₄) is een molecuul apolair. Bepaal eerst de ruimtelijke bouw.

Syllabus M3.5 (dipool/polair met polaire bindingen en ruimtelijke bouw of symmetrie). Kijkvraag bij de animatie: wat gebeurt er met de twee pijlen bij CO₂ en wat bij H₂O? Antwoord: bij CO₂ wijzen ze tegengesteld en is de som nul, bij H₂O wijzen ze schuin en is er een som richting O. De pijl wijst naar het atoom met δ⁻; het streepje aan de staart (plusje) staat aan de δ⁺-kant. Veelgemaakte fout: zeggen dat CO₂ een dipool is omdat de C=O bindingen polair zijn. Image credit: Eigen animatie

Wat is het omringingsgetal van N in NH₃?

A

3

B

4

C

2

D

5

Syllabus M1.16: N heeft drie bindingen met H en één vrij elektronenpaar, samen 4. Verwachte fout: 3 kiezen door het vrije paar niet mee te tellen.

Welk molecuul is geen dipool?

A

NH₃

B

HCl

C

H₂O

D

CCl₄

Syllabus M3.5: CCl₄ heeft vier polaire C–Cl bindingen in een tetraëder; die liggen symmetrisch en heffen elkaar op. Verwachte fout: NH₃ of H₂O als geen dipool kiezen omdat ze er symmetrisch uitzien in een tekening.

Onderkant van een gekkovoet op glas, 2009 (foto: B. C. Tørrissen, CC BY-SA 3.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · MATERIE · BINDINGEN

Bindingen tussen moleculen

• Vanderwaalsbinding: altijd aanwezig, sterker bij grotere molecuulmassa en langgerekte vorm.

• Dipool-dipoolbinding: tussen de δ⁺ en δ⁻ kanten van dipoolmoleculen, zoals HCl.

• Waterstofbrug: H van een O–H of N–H groep bindt aan een vrij paar van O of N elders.

• Bij gelijke massa: vanderwaals < dipool-dipool < waterstofbrug, alle zwakker dan atoombindingen.

Syllabus M3.1 (dipool-dipoolbinding, vanderwaalsbinding met molecuulmassa en vorm, waterstofbrug). De ion-dipoolbinding (hydratatie) hoort bij het oplossen van zouten en staat in de les Zouten en oplosbaarheid. De gekko blijft aan glas plakken met de vele fijne haartjes onder zijn tenen: samen geven de vanderwaalsbindingen een sterke hechting. Kijkvraag: waarom heeft een gekko geen lijm nodig? Veelgemaakte fout: waterstofbruggen tekenen tussen een H en een C of tussen twee H-atomen. Image credit: Bjørn Christian Tørrissen / Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0

Kwarts uit Těškov, Tsjechië, 2015 (foto: Jan Helebrant, CC BY-SA 2.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · MATERIE · BINDINGEN

Roosters en smelt- en kookpunt

• Atoomrooster: atoombindingen (diamant, kwarts). Molecuulrooster: bindingen tussen moleculen.

• Ionrooster: ionbindingen. Metaalrooster: metaalbinding, positieve ionen met vrije elektronen.

• Smelten en verdampen: bindingen tussen de deeltjes verbreken. Stollen en condenseren: ze vormen.

• Sterkere bindingen: hoger smelt- en kookpunt. Bij diamant breken atoombindingen: erg hoog.

Syllabus M3.2 (atoomrooster, ionrooster, metaalrooster, molecuulrooster), M3.3 (smeltpunt en kookpunt met de sterkte van de binding), M3.4 (bindingen verbroken of gevormd bij condenseren, smelten, stollen en verdampen). Kwarts is een voorbeeld van een atoomrooster (SiO₂). Veelgemaakte fout: zeggen dat bij smelten of koken van een moleculaire stof de atoombindingen breken. Image credit: Jan Helebrant / Wikimedia Commons, CC BY-SA 2.0

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · MATERIE · BINDINGEN

Oplossen, hydrofiel en hechting

• Hydrofiel: vormt waterstofbruggen of dipool-dipoolbindingen met water. Hydrofoob: alleen vanderwaalsbindingen.

• Polair lost op in polair, apolair in apolair: zo verklaar je oplosbaarheid en mengbaarheid.

• Moleculaire stof in water: bindingen binnen elke stof verbreken, nieuwe bindingen tussen stof en water vormen.

• Een lange apolaire keten maakt een molecuul hydrofober, ook als er een OH-groep aan zit.

• Hechting: een hydrofiel oppervlak (glas, katoen) bindt water; een hydrofoob oppervlak (was) niet.

Syllabus M3.6 (hydrofoob en hydrofiel met dipool-dipoolbinding, vanderwaalsbinding en waterstofbrug), M3.7 (oplosbaarheid en mengbaarheid, apolair en polair), M3.8 (hechting aan een oppervlak), M3.9 (bindingen verbroken en gevormd bij het oplossen van moleculaire stoffen). Het oplossen van zouten staat in de les Zouten en oplosbaarheid. Veelgemaakte fout: zeggen dat een hydrofobe stof bang is voor water in plaats van de ontbrekende waterstofbruggen te noemen.

Tussen welke twee moleculen ontstaat een dipool-dipoolbinding?

A

CH₄ en CH₄

B

N₂ en N₂

C

CO₂ en CO₂

D

HCl en HCl

Syllabus M3.1: HCl is een dipool. CH₄, N₂ en CO₂ zijn apolair, tussen die moleculen werkt alleen vanderwaals. Verwachte fout: CO₂ kiezen omdat de C=O bindingen polair zijn.

Welke stof lost het best op in hexaan (C₆H₁₄)?

A

Glucose

B

Jood (I₂)

C

Ammoniak (NH₃)

D

Keukenzout (NaCl)

Syllabus M3.7: hexaan is apolair, jood ook (twee gelijke atomen), dus mengen ze door vanderwaalsbindingen. Glucose en ammoniak zijn polair, NaCl is een zout. Verwachte fout: glucose kiezen omdat het een organische stof is.

Welk onderdeel was voor jou het lastigst?

1

Soorten stoffen, namen en formules

2

Polaire binding en dipool

3

Ruimtelijke bouw met VSEPR

4

Bindingen, kookpunt en oplossen

Gebruik de uitslag om les 2 te starten: begin bij het onderdeel met de meeste stemmen.

Leg uit waarom H₂O een dipool is en CO₂ niet.

Een goed antwoord: beide hebben polaire bindingen, maar CO₂ is lineair en symmetrisch zodat de bindingen elkaar opheffen, terwijl O in H₂O 4-omringing heeft (twee vrije paren), H–O–H niet op een lijn ligt en het molecuul dus een positieve en een negatieve kant heeft. Verwachte fout: alleen zeggen dat O elektronegatiever is dan C of H.

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · MATERIE · BINDINGEN

Begrippen (1/2)

• VSEPR: elektronenparen om een atoom gaan zo ver mogelijk uit elkaar

• omringingsgetal: aantal bindingspartners plus vrije elektronenparen om een atoom

• elektronegativiteit: hoe sterk een atoom het gemeenschappelijke elektronenpaar aantrekt

• partiële lading: δ⁺ of δ⁻: een kleine lading door een verschoven elektronenpaar

• dipool: molecuul met polaire bindingen die niet symmetrisch liggen

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · MATERIE · BINDINGEN

Begrippen (2/2)

• apolair: molecuul zonder polaire bindingen of met symmetrisch opgeheven polaire bindingen

• vanderwaalsbinding: zwakke aantrekking tussen moleculen; sterker bij grotere massa

• dipool-dipoolbinding: aantrekking tussen de δ⁺ en δ⁻ kanten van dipoolmoleculen

• waterstofbrug: binding van H in O–H of N–H aan een vrij paar van O of N in een ander molecuul

• atoomrooster: netwerk van atomen met atoombindingen, zoals diamant