Algemene chemie 1
DEEL 1 Atomen en Moleculen
H1 Aanleiding voor de ontwikkeling v/d kwantummechanica
1.1 Historische ontwikkeling v/h atoommodel
Het atoommodel van Dalton – 1808
Dalton was de 1ste met een volwaardig atoommodel: hij zei dat alles was opgebouwd uit atomen die
ondeelbaar zijn en die elks een karakteristieke massa bezitten
→ Ontkracht door Thompson & Rutherford
Het atoommodel van Thomson – 1904
Experiment
! Thomson bewijst het bestaan van negatief geladen
elektronen:
1. Hij stelt een kleine glasbuis op met 2
elektroden + gaatje in anode
2. Legt spanning aan
3. Gas begint te ontladen in de buis
4. Elektromagnetisch veld zorgt ervoor dat elektronen & atoomkernen uit elkaar worden
getrokken → geïoniseerd
5. De hoogspanning tussen de kathode & de anode zorgt voor kathodestralen → worden
afgebogen door elektrisch veld
De eigenschappen v/d kathodestralen zijn onafhankelijk v/h gas in de buis of v/h elektrodemateriaal
→ Er moet iets fundamenteel zijn dat ze gemeenschappelijk hebben
Atoommodel
Atoom = positief geladen ‘soep’ met daarin uniform verdeelde negatief geladen
elektronendeeltjes, atoom is ‘vol’
De proef van Millikan – 1909
Wou de lading v/e elektron
achterhalen
1
,Opstelling
Kamer gevuld met lucht, waarin zich 2 horizontale elektroden bevinden
Bovenaan in de kamer is een opening voorzien waardoor met een vernevelaar een kleine
hoeveelheid olie kan verneveld worden tot een fijne mist. Deze mist bestaat uit kleine sferische
oliedruppeltjes
Experiment
1. Vele krijgen door de wrijving tijdens het vernevelen een kleine elektrische lading
2. De oliedruppeltjes zullen o.i.v. de gravitatiekracht naar beneden vallen: F =mg +
g
Ondervinden ook wrijving door luchtmoleculen (Fdrag): F =6πηrv
drag f
3. Wanneer we hiervan de beginsnelheid berekenen kunnen we ook de grootte en dus ook de
massa v/h deeltje bepalen
𝑉
4. Dan leggen we een elektrisch veld E aan: F = q E = q𝑑
E
5. Indien het deeltje geladen is wordt het door het elektrisch veld afgeremd → som v/d
krachten is gelijk aan de gravitatiekracht
6. Hieruit kunnen we de massa v/h elektron bepalen
e = -1,602 x 10-19 C
Lading was altijd een geheel veelvoud van onderste getal → fundamentele eenheid → lading v/e
elektron
Het atoommodel van Rutherford – 1911
Experiment
Hij maakt gebruik v/e goudfilm: heel dunne film → deeltjes kunnen er eventueel door, atomen liggen
zo goed als vlak naast elkaar, bijna 2D model
Goud: heel dens materiaal → bijna een muur → schiet relatief lichte heliumkernen af
Volgens het model van Thomsom zouden ze grotendeels terugkeren MAAR dit gebeurt niet!
→ grootste deel gaat erdoor DUS atomen vormen GEEN dense muur
2
,Kwam niet zomaar op het idee van heliumkernen → voorgaand onderzoek
Waarneming Verklaring
Meeste 𝛼-deeltjes gaan DOOR de film Massa is grotendeels geconcentreerd in klein
volume, veel lege ruimte
Sommige 𝛼-deeltjes worden afgebogen onder De kern is positief geladen, net zoals de 𝛼-
een kleine hoek deeltjes
Soms wordt een 𝛼-deeltje teruggekaatst De kern bevat de meeste massa v/h atoom
Atoommodel
Atoom = grotendeels lege ruimte met kleine positief geladen nucleus omgeven door
elektronenwolk
MAAR volgens de klassieke fysica zou het atoom dan instabiel moeten zijn
Elektron draait rond en wordt dus continu versneld → zendt EM straling uit → verliest
continu energie
Rutherford VS Thomsom
Thomsom Rutherford
Massieve bol met daarin elektronen verdeeld Massieve kern met elektronenwolk errond
Atoom is dens Atoom is hoofdzakelijk lege ruimte
Massa uniform verdeeld Massa geconcentreerd in kern; massa v/d
elektronen is verwaarloosbaar
Positieve lading uniform verdeeld Kern is positief; ladingsscheiding
Algemene structuur v/h atoom
Atoom = kern + elektronen
Kern = protonen + neutronen
Elektronen bepalen massa
Isotopen
▪ Zelfde atoom MAAR andere massa
▪ Zelfde aantal protonen, verschillend aantal neutronen
Chemische aard bepaald door neutronen & protonen
3
, 1.2 De kwantumeigenschappen van licht
Het golfkarakter van licht – EM straling
E = E sin(kx −ωt +φ)
Transversale golf: amplitudeveranderingen loodrecht op richting v/d golf 0
Longitudinale golf: amplitudeverandering in de richting v/d golf
Golfvector
k = 2π / λ
→ Golf beschreven door sinusfunctie
ω = 2πν
EM golf = transversale golf van onderlinge loodrechte, sinusoïdale Angulaire frequentie
oscillerende elektrische & magnetische velden
→ Energie vervat in golf
! Frequentie (v in Hz) OF golflengte (𝜆 in m) karakteriseert golf
Lengte bepaalt of golflengtes zichtbaar zijn
Frequentie (v) = aantal golflengten dat passeert in een punt per
eenheid van tijd
Snelheid in vacuüm: c = νλ = ω / k
Aanleiding voor kwantumtheorie
Zwarte lichaamstraling spectrum
Algemeen
Continu vs discreet:
▪ Continu: water stroomt uit kraan, druppeltjes zijn niet te
onderscheiden
▪ Discreet: kraan bijna dicht → geen continue stroom →
waterdruppeltje = kwanta
! Materiaal zendt bij bepaalde temp zélf straling uit
Vb.: Blad ontvangt constant temp v/d zon → warmt niet op, stuurt constant straling uit MAAR niet
zichtbaar → als T toeneemt, neemt de intensiteit v/d zichtbare straling toe
→ Blad wil in thermisch evenwicht zijn!
Planck curve
Josiah Wedgewood stelt een gids op voor pottenbakkers zodat ze weten welke
kleur ze kunnen verkrijgen bij welke temperatuur → Planck curve
Waarnemingen curve:
1. Bij hogere T verschuift het maximum naar kleinere golflengtes
2. Curve ENKEL afhankelijk van T
→ Valt niet te verklaren door klassieke natuurwetenschappen
4
DEEL 1 Atomen en Moleculen
H1 Aanleiding voor de ontwikkeling v/d kwantummechanica
1.1 Historische ontwikkeling v/h atoommodel
Het atoommodel van Dalton – 1808
Dalton was de 1ste met een volwaardig atoommodel: hij zei dat alles was opgebouwd uit atomen die
ondeelbaar zijn en die elks een karakteristieke massa bezitten
→ Ontkracht door Thompson & Rutherford
Het atoommodel van Thomson – 1904
Experiment
! Thomson bewijst het bestaan van negatief geladen
elektronen:
1. Hij stelt een kleine glasbuis op met 2
elektroden + gaatje in anode
2. Legt spanning aan
3. Gas begint te ontladen in de buis
4. Elektromagnetisch veld zorgt ervoor dat elektronen & atoomkernen uit elkaar worden
getrokken → geïoniseerd
5. De hoogspanning tussen de kathode & de anode zorgt voor kathodestralen → worden
afgebogen door elektrisch veld
De eigenschappen v/d kathodestralen zijn onafhankelijk v/h gas in de buis of v/h elektrodemateriaal
→ Er moet iets fundamenteel zijn dat ze gemeenschappelijk hebben
Atoommodel
Atoom = positief geladen ‘soep’ met daarin uniform verdeelde negatief geladen
elektronendeeltjes, atoom is ‘vol’
De proef van Millikan – 1909
Wou de lading v/e elektron
achterhalen
1
,Opstelling
Kamer gevuld met lucht, waarin zich 2 horizontale elektroden bevinden
Bovenaan in de kamer is een opening voorzien waardoor met een vernevelaar een kleine
hoeveelheid olie kan verneveld worden tot een fijne mist. Deze mist bestaat uit kleine sferische
oliedruppeltjes
Experiment
1. Vele krijgen door de wrijving tijdens het vernevelen een kleine elektrische lading
2. De oliedruppeltjes zullen o.i.v. de gravitatiekracht naar beneden vallen: F =mg +
g
Ondervinden ook wrijving door luchtmoleculen (Fdrag): F =6πηrv
drag f
3. Wanneer we hiervan de beginsnelheid berekenen kunnen we ook de grootte en dus ook de
massa v/h deeltje bepalen
𝑉
4. Dan leggen we een elektrisch veld E aan: F = q E = q𝑑
E
5. Indien het deeltje geladen is wordt het door het elektrisch veld afgeremd → som v/d
krachten is gelijk aan de gravitatiekracht
6. Hieruit kunnen we de massa v/h elektron bepalen
e = -1,602 x 10-19 C
Lading was altijd een geheel veelvoud van onderste getal → fundamentele eenheid → lading v/e
elektron
Het atoommodel van Rutherford – 1911
Experiment
Hij maakt gebruik v/e goudfilm: heel dunne film → deeltjes kunnen er eventueel door, atomen liggen
zo goed als vlak naast elkaar, bijna 2D model
Goud: heel dens materiaal → bijna een muur → schiet relatief lichte heliumkernen af
Volgens het model van Thomsom zouden ze grotendeels terugkeren MAAR dit gebeurt niet!
→ grootste deel gaat erdoor DUS atomen vormen GEEN dense muur
2
,Kwam niet zomaar op het idee van heliumkernen → voorgaand onderzoek
Waarneming Verklaring
Meeste 𝛼-deeltjes gaan DOOR de film Massa is grotendeels geconcentreerd in klein
volume, veel lege ruimte
Sommige 𝛼-deeltjes worden afgebogen onder De kern is positief geladen, net zoals de 𝛼-
een kleine hoek deeltjes
Soms wordt een 𝛼-deeltje teruggekaatst De kern bevat de meeste massa v/h atoom
Atoommodel
Atoom = grotendeels lege ruimte met kleine positief geladen nucleus omgeven door
elektronenwolk
MAAR volgens de klassieke fysica zou het atoom dan instabiel moeten zijn
Elektron draait rond en wordt dus continu versneld → zendt EM straling uit → verliest
continu energie
Rutherford VS Thomsom
Thomsom Rutherford
Massieve bol met daarin elektronen verdeeld Massieve kern met elektronenwolk errond
Atoom is dens Atoom is hoofdzakelijk lege ruimte
Massa uniform verdeeld Massa geconcentreerd in kern; massa v/d
elektronen is verwaarloosbaar
Positieve lading uniform verdeeld Kern is positief; ladingsscheiding
Algemene structuur v/h atoom
Atoom = kern + elektronen
Kern = protonen + neutronen
Elektronen bepalen massa
Isotopen
▪ Zelfde atoom MAAR andere massa
▪ Zelfde aantal protonen, verschillend aantal neutronen
Chemische aard bepaald door neutronen & protonen
3
, 1.2 De kwantumeigenschappen van licht
Het golfkarakter van licht – EM straling
E = E sin(kx −ωt +φ)
Transversale golf: amplitudeveranderingen loodrecht op richting v/d golf 0
Longitudinale golf: amplitudeverandering in de richting v/d golf
Golfvector
k = 2π / λ
→ Golf beschreven door sinusfunctie
ω = 2πν
EM golf = transversale golf van onderlinge loodrechte, sinusoïdale Angulaire frequentie
oscillerende elektrische & magnetische velden
→ Energie vervat in golf
! Frequentie (v in Hz) OF golflengte (𝜆 in m) karakteriseert golf
Lengte bepaalt of golflengtes zichtbaar zijn
Frequentie (v) = aantal golflengten dat passeert in een punt per
eenheid van tijd
Snelheid in vacuüm: c = νλ = ω / k
Aanleiding voor kwantumtheorie
Zwarte lichaamstraling spectrum
Algemeen
Continu vs discreet:
▪ Continu: water stroomt uit kraan, druppeltjes zijn niet te
onderscheiden
▪ Discreet: kraan bijna dicht → geen continue stroom →
waterdruppeltje = kwanta
! Materiaal zendt bij bepaalde temp zélf straling uit
Vb.: Blad ontvangt constant temp v/d zon → warmt niet op, stuurt constant straling uit MAAR niet
zichtbaar → als T toeneemt, neemt de intensiteit v/d zichtbare straling toe
→ Blad wil in thermisch evenwicht zijn!
Planck curve
Josiah Wedgewood stelt een gids op voor pottenbakkers zodat ze weten welke
kleur ze kunnen verkrijgen bij welke temperatuur → Planck curve
Waarnemingen curve:
1. Bij hogere T verschuift het maximum naar kleinere golflengtes
2. Curve ENKEL afhankelijk van T
→ Valt niet te verklaren door klassieke natuurwetenschappen
4
