Moleculen en bindingen (Scheikunde havo), les 1: Uitleg

• newEditor
• Scheikunde
• Middelbare school
• havo
• Leerjaar 4,5

Introductie

Uitleg over moleculaire stoffen: formules en namen van binaire stoffen, atoombinding en structuurformule, polaire binding, vanderwaalsbinding, waterstofbrug, molecuulrooster, fase-overgangen, hydrofiel en hydrofoob. Met een woordweb, zes controlevragen, twee animaties, een poll en een open vraag. Zouten en mengsels staan in andere lessen.

Kristallen van jood (I₂) in een afgesloten glazen fles (foto: Dnn87, CC BY 3.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · MATERIE · MOLECULEN

Moleculen en bindingen

Examenstof scheikunde havo

Les 1 van 3: uitleg. Les 2 is de examentraining, les 3 de terugblik met quiz. Syllabus: M1.1, M1.2, M1.3, M1.7-M1.9, M1.12, M1.13, M3.1-M3.7. Image credit: Dnn87 / Wikimedia Commons, CC BY 3.0

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · MATERIE · MOLECULEN

Wat ga je kunnen?

Ik kan met atoombindingen, vanderwaalsbindingen en waterstofbruggen verklaren hoe moleculaire stoffen zijn gebouwd en welke eigenschappen ze hebben.

Wat gebeurt er met de deeltjes als water kookt?

Verwachte woorden: stoom, bellen, deeltjes bewegen sneller, deeltjes gaan uit elkaar, bindingen. Koppel de woorden aan de les: moleculen, atoombinding, bindingen tussen moleculen, fase-overgang. Veelgemaakte misvatting: bij koken breken de H-O bindingen in het watermolecuul en ontstaan waterstof en zuurstof. De moleculen blijven heel, alleen de bindingen tussen de moleculen worden verbroken.

Kristallen van jood (I₂) in een afgesloten glazen fles (foto: Dnn87, CC BY 3.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · MATERIE · MOLECULEN

Moleculaire stoffen

• Een moleculaire stof bestaat uit moleculen: groepjes atomen met atoombindingen.

• De molecuulformule geeft de atoomsoorten; de index geeft het aantal, zoals H₂O.

• Niet-metalen als H₂, O₂, N₂, F₂, Cl₂, Br₂ en I₂ bestaan uit moleculen van twee gelijke atomen.

• Edelgassen zijn losse atomen (He, Ne, Ar). Fosfor, zwavel en koolstof schrijf je als P, S en C.

Syllabus M1.1, M1.2, M1.12: formules van niet-metalen (argon, broom, chloor, fluor, fosfor, helium, jood, koolstof, neon, silicium, stikstof, waterstof, zuurstof, zwavel), molecuulformule en index. Jood is een goed voorbeeld van een moleculaire stof: de kristallen bestaan uit I₂-moleculen. Veelgemaakte fout: zuurstof schrijven als O in plaats van O₂, of chloor als Cl. Image credit: Dnn87 / Wikimedia Commons, CC BY 3.0

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · MATERIE · MOLECULEN

Soorten stoffen aan de formule

• Metaal: alleen metaalatomen in de formule, zoals Cu, Fe of Zn. Een legering is een mengsel van metalen.

• Moleculaire stof: alleen niet-metaalatomen, zoals CO₂, NH₃ en Cl₂. Macromoleculair zijn bijvoorbeeld C (diamant) en Si.

• Zout: metaal- en niet-metaaldeeltjes samen, zoals NaCl; opgebouwd uit ionen, niet uit moleculen.

• Niet-ontleedbaar: één atoomsoort (H₂, Cu). Ontleedbaar: meer atoomsoorten in één verbinding (H₂O).

• Op microniveau: een moleculaire stof heeft neutrale moleculen, een zout heeft geladen ionen in een rooster.

Syllabus M1.7, M1.8, M1.9. De zouten zelf (ionen, formules, ionrooster) staan in de les Zouten en oplosbaarheid; hier alleen het verschil met moleculaire stoffen. Een macromoleculaire stof is een netwerk van atoombindingen en bestaat dus niet uit losse moleculen. Zouten met NH₄⁺ hebben geen metaal in de formule maar zijn wel zouten (ionen). Veelgemaakte fout: denken dat H₂O niet ontleedbaar is omdat het een molecuul is.

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · MATERIE · MOLECULEN

Namen en formules

• Een binaire moleculaire stof heeft 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, hexa 6. Mono laat je bij het eerste atoom weg.

• Voorbeelden: CO koolstofmonoxide, CO₂ koolstofdioxide, SO₃ zwaveltrioxide, P₂O₅ difosforpentaoxide.

• Triviale namen: H₂O water, NH₃ ammoniak, H₂O₂ waterstofperoxide, C₆H₁₂O₆ glucose, CH₃COOH azijnzuur.

• Ook: HNO₃ salpeterzuur, H₂SO₄ zwavelzuur, H₃PO₄ fosforzuur. Fase: (s), (l), (g) en (aq) = opgelost in water.

Syllabus M1.1, M1.2, M1.3 (aggregatietoestand, index, triviale naam). De naam volgt de formule: koolstof, zuurstof krijgt oxide. Veelgemaakte fout: de telwoorden bij de verkeerde atoomsoort zetten (monokoolstofdioxide) of de index als coëfficiënt lezen. (aq) betekent opgelost in water, niet vloeibaar.

Welke stof bestaat niet uit losse moleculen?

A

Si

B

I₂

C

NH₃

D

CO₂

Syllabus M1.7: silicium is een macromoleculaire stof, een netwerk van atoombindingen zonder losse moleculen. I₂, NH₃ en CO₂ zijn moleculaire stoffen. Verwachte fout: I₂ kiezen omdat jood een vaste stof is.

Wat is de naam van de stof met formule SF₆?

A

zwavelfluoride

B

zwavelhexafluoride

C

hexazwavelfluoride

D

zwaveltetrafluoride

Syllabus M1.2: S eerst, 6 F is hexa, fluor wordt fluoride. Verwachte fout: het telwoord bij zwavel zetten of het telwoord weglaten.

Twee H-atomen vormen een atoombinding en samen H₂ (eigen animatie)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · MATERIE · MOLECULEN

Atoombinding

• Een atoombinding is een gemeenschappelijk elektronenpaar dat twee atomen bij elkaar houdt.

• Covalentie = aantal bindingen per atoom: H, F, Cl, Br, I 1; O, S 2; N, P 3; C, Si 4.

• Twee gedeelde paren zijn een dubbele binding (O=C=O), drie een drievoudige (N≡N).

• Zo blijven de atomen in een molecuul stevig bij elkaar: dit zijn de sterke bindingen.

Syllabus M3.1 (atoombinding, gemeenschappelijke elektronenparen), M1.6 (covalentie, zie ook de les Atoombouw en periodiek systeem). Kijkvraag bij de animatie: hoeveel elektronen zitten er na het vormen van de binding tussen de twee kernen, en van welk atoom zijn ze? Antwoord: twee, ze horen bij beide atomen. Veelgemaakte fout: denken dat één atoom een elektron aan het andere geeft (dat is een ionbinding, zie de les Zouten en oplosbaarheid). Image credit: Eigen animatie

Structuurformules van water, ammoniak, koolstofdioxide en methaan (eigen figuur)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · MATERIE · MOLECULEN

Structuurformule

• In een structuurformule is elke atoombinding een streep: één gemeenschappelijk elektronenpaar.

• Gebruik de covalenties: elk atoom krijgt precies zoveel strepen als zijn covalentie.

• H₂O: O heeft 2 strepen en elke H 1. CO₂: C heeft 4 strepen, dus O=C=O met twee dubbele bindingen.

• Omgekeerd: tel de atomen in de structuurformule om de molecuulformule te geven.

Syllabus M1.12, M1.13. Stappen: noteer de atomen uit de molecuulformule, kies het atoom met de hoogste covalentie als midden, verbind en controleer bij elk atoom het aantal strepen. Veelgemaakte fouten: een C met drie strepen, een H met twee strepen, vergeten dat een dubbele binding twee strepen is die bij allebei de atomen meetellen. Lewisstructuren met vrije elektronenparen zijn geen havo-stof. Image credit: Eigen figuur

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · MATERIE · MOLECULEN

Polaire atoombinding

• In een polaire atoombinding ligt het gemeenschappelijke elektronenpaar dichter bij één van de twee atomen.

• Voor het examen: de O–H en de N–H binding zijn polair. Het elektronenpaar ligt dichter bij O of N.

• Daardoor krijgt O of N een kleine negatieve lading (δ⁻) en het H-atoom een kleine positieve lading (δ⁺).

• Het molecuul blijft neutraal: het gaat om deelladingen, niet om ionen.

• Polaire O–H en N–H bindingen zorgen straks voor waterstofbruggen tussen moleculen.

Syllabus M3.1: polaire atoombinding, beperkt tot O–H en N–H. Elektronegativiteit wordt in havo niet gebruikt. Veelgemaakte fout: deelladingen (δ) als hele ladingen opvatten, of denken dat een polaire binding een ion maakt.

Hoeveel gemeenschappelijke elektronenparen zitten er in een molecuul CO₂?

A

2

B

3

C

6

D

4

Syllabus M3.1, M1.13: O=C=O heeft twee dubbele bindingen, dus 2 × 2 = 4 elektronenparen. Verwachte fout: 2 kiezen door de twee dubbele bindingen als twee bindingen te tellen.

Droogijs (vast CO₂) in een bak water geeft witte mist (foto: I. Chajotov, CC BY 4.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · MATERIE · MOLECULEN

Vanderwaalsbinding

• Tussen moleculen werkt altijd de vanderwaalsbinding (molecuulbinding): een zwakke aantrekking.

• Hoe groter de molecuulmassa (in u), hoe sterker de vanderwaalsbindingen.

• Een langgerekt molecuul raakt meer buren dan een bolvormig molecuul: sterkere bindingen.

• Droogijs (vast CO₂) heeft zwakke vanderwaalsbindingen en gaat bij lage temperatuur al over in gas.

Syllabus M3.1: vanderwaalsbinding met molecuulmassa en vorm van de moleculen. De molecuulmassa bereken je met de atoommassa's uit Binas. Droogijs gaat bij gewone druk direct van vast naar gas, bij ongeveer −78 °C; het witte mistje in de foto is waterdamp die condenseert. Veelgemaakte fout: vanderwaalsbindingen verwarren met atoombindingen binnen het molecuul. Image credit: Ibragim Chajotov (Ибрагим Хаётов) / Wikimedia Commons, CC BY 4.0

Waterstofbrug tussen twee watermoleculen, gestippeld (eigen figuur)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · MATERIE · MOLECULEN

Waterstofbrug

• Een waterstofbrug trekt de δ⁺ H van een O–H of N–H groep naar O of N van een ander molecuul.

• Een waterstofbrug is sterker dan een vanderwaalsbinding, maar veel zwakker dan een atoombinding.

• Alleen moleculen met O–H of N–H groepen vormen ze, zoals H₂O, NH₃ en glucose.

• Water vormt meerdere waterstofbruggen per molecuul; daarom is water bij kamertemperatuur vloeibaar.

Syllabus M3.1: waterstofbrug. De stippellijn in de figuur is de waterstofbrug, de volle streep een atoombinding. Veelgemaakte fouten: een waterstofbrug tekenen tussen twee H-atomen, of denken dat de brug tussen H en O in hetzelfde molecuul zit. Waterstofsulfide (H₂S) heeft geen O–H of N–H groep en vormt geen waterstofbruggen. Image credit: Eigen figuur

Sneeuwkristal van ijs (foto: Alexey Kljatov, CC BY 2.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · MATERIE · MOLECULEN

Molecuulrooster en kookpunt

• In een vaste moleculaire stof liggen de moleculen geordend in een molecuulrooster.

• Bij smelten en koken verbreek je bindingen tussen moleculen; atoombindingen blijven heel.

• Sterkere bindingen tussen moleculen geven een hoger smeltpunt en kookpunt.

• IJs: waterstofbruggen houden de watermoleculen vast in een rooster.

Syllabus M3.2 (molecuulrooster, naast ionrooster en metaalrooster; die staan in andere lessen: metaalrooster bestaat uit metaalionen met vrije elektronen, ionrooster in de les Zouten en oplosbaarheid), M3.3. De zeshoekige vorm van sneeuwkristallen komt van de geordende opbouw van ijs. Veelgemaakte fout: zeggen dat bij koken van water de atoombindingen breken. Image credit: Alexey Kljatov / Wikimedia Commons, CC BY 2.0

Vul in

Bij een grotere molecuulmassa zijn de vanderwaalsbindingen sterker en is het kookpunt hoger.

molecuulmassa

vanderwaalsbindingen

atoombindingen

waterstofbruggen

Syllabus M3.1, M3.3. Voor moleculen die verder op elkaar lijken geldt: grotere molecuulmassa, sterkere vanderwaalsbinding, hoger kookpunt.

Moleculen in vast, vloeibaar en gas bij oplopende temperatuur (eigen animatie)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · MATERIE · MOLECULEN

Fase-overgangen

• Fase-overgang: smelten (s→l), stollen (l→s), verdampen (l→g) en condenseren (g→l).

• Bij smelten en verdampen worden bindingen tussen moleculen verbroken: je moet verwarmen.

• Bij stollen en condenseren worden bindingen tussen moleculen gevormd: de stof koelt af.

• De atoombindingen blijven bij elke fase-overgang heel: water blijft H₂O.

Syllabus M1.3 (fase-overgang), M3.4. Kijkvraag bij de animatie: wat verandert er aan de afstand en de beweging van de moleculen, en wat verandert er niet aan de moleculen zelf? Antwoord: afstand en beweging veranderen, de moleculen blijven hetzelfde. Het roze molecuul volg je door de drie fasen heen. Image credit: Eigen animatie

Druppels zonnebloemolie op water mengen niet (foto: N. Kravtsjenko, CC BY-SA 4.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · MATERIE · MOLECULEN

Hydrofiel en hydrofoob

• Hydrofiel: vormt waterstofbruggen met water door O–H of N–H groepen, zoals glucose en ammoniak.

• Hydrofoob: alleen vanderwaalsbindingen, geen waterstofbruggen met water, zoals olie en hexaan.

• Hydrofiele stoffen lossen goed op in water. Hydrofobe stoffen niet, maar wel in elkaar.

• Oplossen: bindingen tussen moleculen breken, nieuwe waterstofbruggen met water ontstaan.

Syllabus M3.5, M3.6, M3.8 (oplossen van moleculaire stoffen). Veelgemaakte fout: zeggen dat een hydrofobe stof 'bang is voor water'; het gaat om het ontbreken van waterstofbruggen met water. Een stof met zowel een O–H groep als een lange koolstofketen kan beide kanten hebben. Image credit: N. V. Kravtsjenko (Кравченко Н. В.) / Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

Waterdruppels op een lotusblad (foto: GJ Bulte, CC BY-SA 3.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · MATERIE · MOLECULEN

Hechting aan een oppervlak

• Een oppervlak kan hydrofiel zijn (glas, katoen) of hydrofoob (was, vet, veel kunststoffen).

• Water hecht aan een hydrofiel oppervlak en maakt het nat: het vormt er waterstofbruggen mee.

• Op een hydrofoob oppervlak blijft water in druppels liggen: er zijn geen waterstofbruggen mee.

• Een lotusblad heeft een waslaagje (hydrofoob): druppels blijven bol en rollen weg.

Syllabus M3.7: hechting van deeltjes aan een oppervlak met hydrofiel en hydrofoob. Katoen en glas hebben O–H groepen aan het oppervlak. Veelgemaakte fout: denken dat water niet hecht omdat het oppervlak glad is. Image credit: GJ Bulte / Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0

Vul in

Een hydrofiele stof lost goed op in water, omdat ze waterstofbruggen met water vormt.

hydrofiele

waterstofbruggen

hydrofobe

atoombindingen

Syllabus M3.5, M3.6. Hydrofiel betekent waterstofbruggen met water.

Welk onderdeel was voor jou het lastigst?

1

Formules, namen en structuurformules

2

Atoombinding en polaire binding

3

Vanderwaals en waterstofbruggen

4

Hydrofiel, hydrofoob en fase-overgangen

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

Waarom is water vloeibaar en H₂ een gas?

Bij kamertemperatuur. Een goed antwoord: watermoleculen hebben O–H groepen en vormen waterstofbruggen met elkaar; H₂-moleculen hebben alleen zwakke vanderwaalsbindingen. Verwachte fout: zeggen dat de atoombindingen in water sterker zijn.

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · MATERIE · MOLECULEN

Begrippen (1/2)

• atoombinding: gemeenschappelijk elektronenpaar tussen twee atomen

• molecuulformule: atoomsoorten en aantallen in een molecuul, zoals H₂O

• structuurformule: tekening van een molecuul met een streep per atoombinding

• covalentie: aantal atoombindingen dat een atoom vormt

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

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · MATERIE · MOLECULEN

Begrippen (2/2)

• waterstofbrug: aantrekking tussen een H van O–H of N–H en O of N van een ander molecuul

• molecuulrooster: geordende rangschikking van moleculen in een vaste stof

• fase-overgang: smelten, stollen, verdampen of condenseren

• hydrofiel: vormt waterstofbruggen met water, mengt of lost goed op in water

• hydrofoob: vormt geen waterstofbruggen met water, mengt niet met water