CHEMIE
CHEMIE EN MATERIE
DE GESCHIEDENIS VAN DE CHEMIE
Chemie = wetenschap die probeert om gedrag van materie te verklaren door gedrag van atomen en
moleculen te bestuderen
• Aristoteles: aarde, vuur, water, lucht
• Democritus: atomos = bouwstenen
• Ontstaan van chemie
→ Alchemie: occulte wetenschap
▪ Transmutatie van metalen naar goud
▪ Ontwikkeling chemische technieken
▪ Minerale zuren
→ Geneeskunde: bijpraktijk alchemisten
• Chemie in de 18e eeuw
→ Observatie => hypothese => experiment => theorie
→ Lavoisier en Priestley: ontkrachten flogistontheorie (hypothese dat er bij elke
verbranding flogistons vrijkomen)
• Chemie in de 19e eeuw
→ Fysische chemie, anorganische chemie, organische chemie, analytische chemie…
MATERIE
• Materie = alles met massa en volume
• Stof = specifiek deel van materie
Fysische toestand
• Vast, vloeibaar, gasvormig (aggregatietoestand)
• Bij vaste stoffen: kristallijn (regelmatige patronen atomen/moleculen), polykristallijn (minder
regelmaat), amorf (geen regelmaat)
Samenstelling van materie
• Mengsels = samengestelde stoffen: verschillende componenten
→ Heterogeen: fasegrenzen
→ Homogeen: geen fasegrenzen = oplossing
• Zuivere stoffen: constante chemische samenstelling/eigenschappen
→ Fysische scheidingstechnieken
→ Soms nog verder te ontbinden (indien niet: elementaire/enkelvoudige stof)
• Molecule > covalente binding
• Formule-eenheid > ionbinding
FYSISCHE EN CHEMISCHE OMZETTINGEN
• Fysische omzetting: verandering van aggregatietoestand => identiteit deeltjes verandert niet
→ Fysische eigenschap: smeltpunt, kookpunt, elektrische geleidbaarheid…
• Chemische omzetting: verandering die samenstelling stof verandert
→ Chemische eigenschap: ontvlambaarheid, corrosiegevoeligheid…
1
,ATOMEN: BOUWSTENEN VAN DE MATERIE
ATOOMTHEORIE VAN DALTON
Lavoisier: wet van behoud van massa
In een chemische reactie wordt geen massa gevormd, nog vernietigd.
Proust: wet van de constante samenstelling
Een zuivere verbinding bevat steeds exact dezelfde elementen in exact dezelfde massaverhouding,
ongeacht zijn oorsprong.
Dalton: atoomtheorie gebaseerd op postulaten
• Elementen zijn opgebouwd uit kleine, ondeelbare1 en onvernietigbare deeltjes: atomen.
• De atomen van een bepaald element zijn identiek in massa en andere eigenschappen en zijn
verschillend van de atomen van andere elementen.
• Verbindingen zijn het resultaat van een combinatie van meerdere verschillende atoomsoorten
in een vaste en constante verhouding.
• Atomen van één element kunnen via chemische reacties niet omgezet worden in atomen van
een ander element. Een chemische reactie is louter een reorganisatie van atomen.
Dalton: de wet van de veelvuldige verhoudingen (volgt rechtstreeks uit atoomtheorie)
Wanneer twee elementen A en B combineren om meer dan één verbinding te vormen, zullen de
massa’s van B die reageren met een vaste hoeveelheid A zich altijd tot elkaar verhouden als
verhoudingen van kleine gehele getallen.
CHEMISCHE ELEMENTEN
• 118 elementen > 90 natuurlijke
• Essentieel in menselijk lichaam (99%): C, H, N, O
ATOOMTHEORIEËN
Atoomtheorie van Dalton: zie bovenstaande postulaten
• Dus: atoommassa Ar = fundamentele atoomeigenschap
→ Ar relatief bepalen t.o.v. ander element (mO = 8x mH)
→ Guy-Lussac: 2 volumes zuurstofgas + 1 volume zuurstofgas = 2 volumes waterdamp
→ Hypothese van Avogadro: gelijke volumina van verschillende gassen bevatten
evenveel moleculen
=> waterstofgas en zuurstofgas > twee-atomige deeltjes! (H2, O2, H2O)
Het elektron
• Plumpuddingmodel (Thomson): atoom = sferische wolk met evenveel e- als p+ (lukraak)
• Experiment van Millikan (oliedruppels) => bepalen van elektrische lading en massa e-:
me- = 1/2000 x mH
1
Intussen kunnen we dit wel (cfr. kernenergie)
2
,Het nucleaire atoom
• Rutherford: nucleaire atoommodel
Grootste deel v/d massa en alle positieve lading is geconcentreerd in een kern met hoge dichtheid.
De e- bevinden zich buiten de kern en bewegen hier zeer snel omheen in een ijle ruimte die relatief
zeer groot is t.o.v. de atoomkern.
Er zijn evenveel e- buiten de kern als p+ in de kern (want een atoom is elektrisch neutraal).
• Chadwick: neutronen = neutrale ongeladen deeltjes
→ Nucleonen = protonen + neutronen
Atoommodel van Rutherford-Bohr
• Atoom > kern + elektronenmantel
• Energie-inhoud = afhankelijk van plaats elektron
→ Hoe dichter bij de kern, hoe lager de energie (negatief)
→ Op ∞ geen energie
→ Overgaan naar lagere energietoestand (dichter bij kern) door uitzenden van straling
• Elektronenconfiguratie = verdeling van elektronen over schillen
→ 7 energieniveaus = schillen
→ Max. aantal e- per schil = 2n² (enkel bij eerste 4 schillen, daarna blijft max. 32)
→ Buitenste schil: max. 8 e-
→ Voorlaatste schil: max. 18 e-
SAMENSTELLING VAN ATOMEN
Subatomaire deeltjes
• 𝐴
𝑍𝑋
→ A = nucleonengetal = massagetal = #p+ + #n
→ Z = atoomgetal = #p+ = #e-
Isotope nucliden
• Nucliden = atoomsoorten met welbepaald aantal protonen en neutronen
• Isotopen = nucliden van eenzelfde element met verschillend aantal neutronen
→ Zelfde Z, verschillende A => verschillen in massa
→ Zelfde chemisch gedrag (zelfde elektronenmantel)
→ Abundantie = natuurlijk voorkomen (%)
Atoommassa en atoommassa-eenheid u
𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑒 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝐶 12
1𝑢 = = 1,66054 × 10−27 𝑘𝑔
12
𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑒 𝑎𝑡𝑜𝑜𝑚𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 (𝑔) 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑒 𝑎𝑡𝑜𝑜𝑚𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 (𝑔)
𝐴𝑟 = =
1 12 1,66054 × 10−24 𝑔
12 × 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑒 𝑎𝑡𝑜𝑜𝑚𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝐶 (𝑔)
Opm.: Ar = relatieve atoommassa = gewogen gemiddelde van Ar-waarden van in natuur
voorkomende isotopen (geen eenheid)
3
, GOLFMECHANISCH ATOOMMODEL
(Voorgesteld door Schrödingervergelijking)
Kwantumgetallen
• Hoofdkwantumgetal n: schillen
→ Aantal schillen/energieniveaus: beschrijft grootte orbitaal
• Nevenkwantumgetal l (kleine letter L): subniveaus
→ Beschrijft vorm orbitaal (bol, dubbele lob, vier lobben…)
→ Cijfer correspondeert met s, d, p, f
• Magnetisch kwantumgetal ml: banen
→ Beschrijft oriëntatie orbitaal (via welke assen)
→ Varieert van -l tot +l
• Spinkwantumgetal ms: twee elektronen
→ Spinbeweging elektronen
→ Steeds -½ of +½
Orbitalen
• S-orbitalen: bolvorm
• P-orbitalen: haltervorm
AUFBAU-PRINCIPE
Aufbau-principe: bepaalt hoe elektronen in orbitalen worden geplaatst
• Pauli-verbod
In eenzelfde atoom kunnen 2 elektronen niet dezelfde 4 kwantumgetallen hebben.
→ Minstens spinkwantumgetal ms moet verschillen
• Regel van Hund: regel van de maximale spinmultipliciteit
In een subniveau met een stel orbitalen wordt de elektronen-bezetting met de laagste energie
bekomen als een maximaal aantal elektronen een parallelle spin heeft.
→ Opvullen subniveau: eerst alle kotjes apart vullen, dan pas dubbel
↑↓ ↑↓ ↑
• Aufbau-orde van de subniveaus
→ Opvullingsvolgorde volgt hoofdkwantumgetal n
→ Volgorde: s, p, d, f
→ Opgelet voor doorkruisingen
Elektronenconfiguratie
• Regel van de minimale energie: er zijn geen elektronen aanwezig in bepaald subniveau als
niet alle voorgaande subniveaus opgevuld zijn
• Sommige elementen hebben afwijkende configuratie doordat halfgevulde en volledig
gevulde subniveaus extra stabiel zijn:
4
CHEMIE EN MATERIE
DE GESCHIEDENIS VAN DE CHEMIE
Chemie = wetenschap die probeert om gedrag van materie te verklaren door gedrag van atomen en
moleculen te bestuderen
• Aristoteles: aarde, vuur, water, lucht
• Democritus: atomos = bouwstenen
• Ontstaan van chemie
→ Alchemie: occulte wetenschap
▪ Transmutatie van metalen naar goud
▪ Ontwikkeling chemische technieken
▪ Minerale zuren
→ Geneeskunde: bijpraktijk alchemisten
• Chemie in de 18e eeuw
→ Observatie => hypothese => experiment => theorie
→ Lavoisier en Priestley: ontkrachten flogistontheorie (hypothese dat er bij elke
verbranding flogistons vrijkomen)
• Chemie in de 19e eeuw
→ Fysische chemie, anorganische chemie, organische chemie, analytische chemie…
MATERIE
• Materie = alles met massa en volume
• Stof = specifiek deel van materie
Fysische toestand
• Vast, vloeibaar, gasvormig (aggregatietoestand)
• Bij vaste stoffen: kristallijn (regelmatige patronen atomen/moleculen), polykristallijn (minder
regelmaat), amorf (geen regelmaat)
Samenstelling van materie
• Mengsels = samengestelde stoffen: verschillende componenten
→ Heterogeen: fasegrenzen
→ Homogeen: geen fasegrenzen = oplossing
• Zuivere stoffen: constante chemische samenstelling/eigenschappen
→ Fysische scheidingstechnieken
→ Soms nog verder te ontbinden (indien niet: elementaire/enkelvoudige stof)
• Molecule > covalente binding
• Formule-eenheid > ionbinding
FYSISCHE EN CHEMISCHE OMZETTINGEN
• Fysische omzetting: verandering van aggregatietoestand => identiteit deeltjes verandert niet
→ Fysische eigenschap: smeltpunt, kookpunt, elektrische geleidbaarheid…
• Chemische omzetting: verandering die samenstelling stof verandert
→ Chemische eigenschap: ontvlambaarheid, corrosiegevoeligheid…
1
,ATOMEN: BOUWSTENEN VAN DE MATERIE
ATOOMTHEORIE VAN DALTON
Lavoisier: wet van behoud van massa
In een chemische reactie wordt geen massa gevormd, nog vernietigd.
Proust: wet van de constante samenstelling
Een zuivere verbinding bevat steeds exact dezelfde elementen in exact dezelfde massaverhouding,
ongeacht zijn oorsprong.
Dalton: atoomtheorie gebaseerd op postulaten
• Elementen zijn opgebouwd uit kleine, ondeelbare1 en onvernietigbare deeltjes: atomen.
• De atomen van een bepaald element zijn identiek in massa en andere eigenschappen en zijn
verschillend van de atomen van andere elementen.
• Verbindingen zijn het resultaat van een combinatie van meerdere verschillende atoomsoorten
in een vaste en constante verhouding.
• Atomen van één element kunnen via chemische reacties niet omgezet worden in atomen van
een ander element. Een chemische reactie is louter een reorganisatie van atomen.
Dalton: de wet van de veelvuldige verhoudingen (volgt rechtstreeks uit atoomtheorie)
Wanneer twee elementen A en B combineren om meer dan één verbinding te vormen, zullen de
massa’s van B die reageren met een vaste hoeveelheid A zich altijd tot elkaar verhouden als
verhoudingen van kleine gehele getallen.
CHEMISCHE ELEMENTEN
• 118 elementen > 90 natuurlijke
• Essentieel in menselijk lichaam (99%): C, H, N, O
ATOOMTHEORIEËN
Atoomtheorie van Dalton: zie bovenstaande postulaten
• Dus: atoommassa Ar = fundamentele atoomeigenschap
→ Ar relatief bepalen t.o.v. ander element (mO = 8x mH)
→ Guy-Lussac: 2 volumes zuurstofgas + 1 volume zuurstofgas = 2 volumes waterdamp
→ Hypothese van Avogadro: gelijke volumina van verschillende gassen bevatten
evenveel moleculen
=> waterstofgas en zuurstofgas > twee-atomige deeltjes! (H2, O2, H2O)
Het elektron
• Plumpuddingmodel (Thomson): atoom = sferische wolk met evenveel e- als p+ (lukraak)
• Experiment van Millikan (oliedruppels) => bepalen van elektrische lading en massa e-:
me- = 1/2000 x mH
1
Intussen kunnen we dit wel (cfr. kernenergie)
2
,Het nucleaire atoom
• Rutherford: nucleaire atoommodel
Grootste deel v/d massa en alle positieve lading is geconcentreerd in een kern met hoge dichtheid.
De e- bevinden zich buiten de kern en bewegen hier zeer snel omheen in een ijle ruimte die relatief
zeer groot is t.o.v. de atoomkern.
Er zijn evenveel e- buiten de kern als p+ in de kern (want een atoom is elektrisch neutraal).
• Chadwick: neutronen = neutrale ongeladen deeltjes
→ Nucleonen = protonen + neutronen
Atoommodel van Rutherford-Bohr
• Atoom > kern + elektronenmantel
• Energie-inhoud = afhankelijk van plaats elektron
→ Hoe dichter bij de kern, hoe lager de energie (negatief)
→ Op ∞ geen energie
→ Overgaan naar lagere energietoestand (dichter bij kern) door uitzenden van straling
• Elektronenconfiguratie = verdeling van elektronen over schillen
→ 7 energieniveaus = schillen
→ Max. aantal e- per schil = 2n² (enkel bij eerste 4 schillen, daarna blijft max. 32)
→ Buitenste schil: max. 8 e-
→ Voorlaatste schil: max. 18 e-
SAMENSTELLING VAN ATOMEN
Subatomaire deeltjes
• 𝐴
𝑍𝑋
→ A = nucleonengetal = massagetal = #p+ + #n
→ Z = atoomgetal = #p+ = #e-
Isotope nucliden
• Nucliden = atoomsoorten met welbepaald aantal protonen en neutronen
• Isotopen = nucliden van eenzelfde element met verschillend aantal neutronen
→ Zelfde Z, verschillende A => verschillen in massa
→ Zelfde chemisch gedrag (zelfde elektronenmantel)
→ Abundantie = natuurlijk voorkomen (%)
Atoommassa en atoommassa-eenheid u
𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑒 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝐶 12
1𝑢 = = 1,66054 × 10−27 𝑘𝑔
12
𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑒 𝑎𝑡𝑜𝑜𝑚𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 (𝑔) 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑒 𝑎𝑡𝑜𝑜𝑚𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 (𝑔)
𝐴𝑟 = =
1 12 1,66054 × 10−24 𝑔
12 × 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑒 𝑎𝑡𝑜𝑜𝑚𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝐶 (𝑔)
Opm.: Ar = relatieve atoommassa = gewogen gemiddelde van Ar-waarden van in natuur
voorkomende isotopen (geen eenheid)
3
, GOLFMECHANISCH ATOOMMODEL
(Voorgesteld door Schrödingervergelijking)
Kwantumgetallen
• Hoofdkwantumgetal n: schillen
→ Aantal schillen/energieniveaus: beschrijft grootte orbitaal
• Nevenkwantumgetal l (kleine letter L): subniveaus
→ Beschrijft vorm orbitaal (bol, dubbele lob, vier lobben…)
→ Cijfer correspondeert met s, d, p, f
• Magnetisch kwantumgetal ml: banen
→ Beschrijft oriëntatie orbitaal (via welke assen)
→ Varieert van -l tot +l
• Spinkwantumgetal ms: twee elektronen
→ Spinbeweging elektronen
→ Steeds -½ of +½
Orbitalen
• S-orbitalen: bolvorm
• P-orbitalen: haltervorm
AUFBAU-PRINCIPE
Aufbau-principe: bepaalt hoe elektronen in orbitalen worden geplaatst
• Pauli-verbod
In eenzelfde atoom kunnen 2 elektronen niet dezelfde 4 kwantumgetallen hebben.
→ Minstens spinkwantumgetal ms moet verschillen
• Regel van Hund: regel van de maximale spinmultipliciteit
In een subniveau met een stel orbitalen wordt de elektronen-bezetting met de laagste energie
bekomen als een maximaal aantal elektronen een parallelle spin heeft.
→ Opvullen subniveau: eerst alle kotjes apart vullen, dan pas dubbel
↑↓ ↑↓ ↑
• Aufbau-orde van de subniveaus
→ Opvullingsvolgorde volgt hoofdkwantumgetal n
→ Volgorde: s, p, d, f
→ Opgelet voor doorkruisingen
Elektronenconfiguratie
• Regel van de minimale energie: er zijn geen elektronen aanwezig in bepaald subniveau als
niet alle voorgaande subniveaus opgevuld zijn
• Sommige elementen hebben afwijkende configuratie doordat halfgevulde en volledig
gevulde subniveaus extra stabiel zijn:
4
