Algemene chemie
1. Inleiding
Materie = al wat massa heeft en ruimte inneemt
Wel: metalen, aarde, water…
Niet: elektromagnetische straling, rechtspraak…
(Zuivere) stof = vorm van materie die een gelijke chemische samenstelling heeft en die
bestaat uit slechts 1 soort molecule
Wel: water
Niet: lucht
Enkelvoudige stof = stof opgebouwd uit atomen van 1 element
Wel: waterstof (H), zuurstof (O), kwik (Hg)…
Niet: water (H2O), kwarts (SiO2), methaan (CH4)…
Samengestelde stof = stof opgebouwd uit meerdere elementen
Neerslag/bezinksel/precipitaat = vaste stof die in een oplossing wordt gevormd en zinkt
Structuur van het atoom
Atoom = kern (protonen & neutronen) + elektronen
A
Z E
- Massagetal A = aantal neuronen + aantal protonen
- Z = aantal protonen (= aantal elektronen bij neutrale atomen): bepaalt de
atoomsoort
Isotopen = zelfde atomen, maar met verschillende massa of anders: atomen met eenzelfde
aantal protonen, maar met een verschillend aantal neutronen (vb. 2010Ne en 2110Ne).
, 2. Atoombouw en periodiek systeem van elementen
Korte historiek
Dalton (1808)
Atoommodel
- Foute bevindingen:
o Alle materie is samengesteld uit kleine, ondeelbare partikels.
o Alle atomen van een gegeven element zijn identiek in hun eigenschappen en
massa.
o Atomen zijn onverwoestbaar, kunnen niet gecreëerd worden en behouden
hun identiteit na een scheidkundige reactie.
o Er bestaan 3 types atomen: enkelvoudige, samengestelde en complexe.
- Juiste bevindingen:
o Verschillende chemische elementen bestaan uit verschillende atoomsoorten.
Iedere atoomsoort bezit een karakteristieke massa.
o Chemische verbindingen worden gevormd door een combinatie van atomen
van verschillende elementen in verhoudingen van gehele getallen.
o In chemische reacties worden atomen herschikt, van elkaar gescheiden en
met elkaar gecombineerd.
Thompson (1904)
Proef van Thompson
- Doel = structuur van een atoom vinden
- O.b.v. deze proef heeft hij een model opgesteld
- Besluit: de proef bewijst het bestaan van een negatief geladen elektron en laat toe
de m/e van elektronen te bepalen.
Atoommodel = plum pudding model = watermeloenmodel
Een atoom is een positief geladen bol met een doorsnede van 10-10 m en met een uniform
verdeeld negatief geladen elektronendeeltjes.
Rutherford (1909)
Experiment van Rutherford
- Je kan een atoom niet zien met licht (de golflengte is te lang), wel met helium.
- Verstrooiing van -stralen aan goudfilm: de meeste stralen gaan doorheen de film,
sommige worden verstrooid onder een grote hoek.
Verklaring in 1911: om verstrooiing over een grote hoek te krijgen, moet de massa
grotendeels geconcentreerd zijn in een klein volume.
Atoommodel: een atoom is een ijle ruimte met een kleine, positief geladen nucleus (r = 10 -15
m) omgeven door een elektronenwolk (r = 10-10 m). De kern bevat protonen.
Probleem:
Een elektron draait rond en wordt continu versneld, daardoor zendt het
elektromagnetische straling uit. Het uitzenden van straling kost energie m.a.w. je zou
verwachten dat een elektron haar energie verliest en terugvalt naar de kern. Maar
elektronen verliezen geen energie, anders zouden ze vertragen.
,Elektronenmantel
Elektromagnetische golf = transversale golf van onderling loodrechte, sinusoïdaal
oscillerende elektrische en magnetische velden
Frequentie f = 1/T = aantal golflengten die passeren in een punt per tijdseenheid, Hz of 1/s.
Golflengte = de kortste afstand tussen 2 plaatsen met dezelfde elektromagnetische
toestand, m
Lichtsnelheid c = *f = /k (in het luchtledige = 300 000 km/s)
Zwart lichaam = een geïdealiseerd object dat alle
elektromagnetische straling die erop valt, absorbeert.
Waarnemingen:
1. Het maximum verschuift naar een kleinere
golflengte bij een hogere temperatuur.
2. De curve is enkel afhankelijk van de temperatuur.
Planck
Kwantizatie van energie: energie wordt slechts uitgestraald in pakketjes evenredig met de
frequentie. Zo een pakketje heet een kwantum. E = h*f met h = de constante van Planck.
De materie kan alleen gehele veelvouden van kwanta uitwisselen: E = n*h*f.
Lenard
Foto-elektrisch effect
- Voorspelling van de klassieke fysica: hoe intenser het licht, hoe hoger de energie van
de elektronen.
- Waarnemingen door Lenard:
o De maximale kinetische energie van elektronen = f(vlicht)
o Aantal elektronen = f(lichtintensiteit)
o Er is een minimale vlicht nodig.
De voorspelling uit de klassieke fysica bleek dus niet te kloppen.
Einstein
Verklaarde het foto-elektrisch effect uiteindelijk als een kwantumeffect: bij de botsing van
een foton en een elektron neemt het elektron in het atoom de beschikbare energie over.
Daarmee kan het elektron zich losmaken van de aantrekkingskracht van de kern en een
zekere kinetische energie (snelheid) verwerven. Met een grotere lichtintensiteit krijgt men
meer elektronen los, maar die hebben geen hogere snelheid.
Licht bestaat uit discrete energiekwanta = fotonen.
Fotonenergie is gekwantiseerd: E = h*f
E = m*c2
, Lijnenspectra:
- Verhitten van een vaste stof: continu spectrum m.a.w. alle golflengtes komen voor,
met een intensiteit die karakteristiek is voor de stof.
- Verhitten van een gas: lijnenspectrum m.a.w. slechts welbepaalde golflengtes komen
voor, die karakteristiek zijn voor het gas.
- Verklaring: E- bevinden zich normaal in de energie-armste toestand (grondtoestand,
meest stabiele toestand), maar door het opnemen van energiekwanta komt het e- in
een energierijkere toestand (aangeslagen toestand). Bij terugvallen van een e - op
lager energieniveau ontstaan er elektromagnetische golven, waarvan de golflengte
overeenkomt met de vrijgekomen energie. Na analyse door een prisma verkrijgt men
een emissiespectrum.
Bohr (1913)
Postulaat 1: kwantisatie draaiimpuls: enkel welbepaalde banen zijn toegelaten (“stationaire
toestanden”). Het elektron zendt in deze toestand geen elektromagnetische straling uit.
- n = hoofdkwantumgetal
- straal van de baan: 2r = n
Postulaat 2: (de)excitatie van een elektron door (uitzenden) opname van een foton
Successen:
- De energieniveaus van het H-atoom (lijnenspectra) en ionen met 1 elektron.
- Ionisatie-energie van het H-atoom.
- Waarde van de Rydberg constante: RH = 1.097 * 105 cm-1
Tekortkomingen:
- Kan energieniveaus voor atomen met meer dan 1 elektron niet bepalen.
- Grootte van een opgewekte magnetische dipool is fout.
- Draaiimpuls van het H-atoom in grondtoestand is fout.
- Atomen zijn niet “plat”.
- Elektronen draaien niet in banen rond de kern.
De Broglie
Als elektromagnetische golven een deeltjes-karakter hebben (golf-deeltje dualiteit), hebben
deeltjes dan ook ene golf-karakter?
Ja, = h/p
Heisenberg
Het onzekerheidsprincipe: het is onmogelijk om tegelijk de positie en de impuls van een
deeltje precies te kennen: x * mv = h/4
Schrödinger
Microscopische systemen kunnen slechts voorkomen in welbepaalde toestanden met
welbepaalde discontinue energieën. Iedere gekwantiseerde stationaire toestand wordt
beschreven d.m.v. een golffunctie. Deze golffunctie heeft een statistische betekenis.
Golffunctie = orbitaal. Het kwadraat van deze vergelijking geeft de waarschijnlijkheid (90%)
aan dat een e- op een bepaalde plaats terug te vinden is (elektronenwolkmodel).
1. Inleiding
Materie = al wat massa heeft en ruimte inneemt
Wel: metalen, aarde, water…
Niet: elektromagnetische straling, rechtspraak…
(Zuivere) stof = vorm van materie die een gelijke chemische samenstelling heeft en die
bestaat uit slechts 1 soort molecule
Wel: water
Niet: lucht
Enkelvoudige stof = stof opgebouwd uit atomen van 1 element
Wel: waterstof (H), zuurstof (O), kwik (Hg)…
Niet: water (H2O), kwarts (SiO2), methaan (CH4)…
Samengestelde stof = stof opgebouwd uit meerdere elementen
Neerslag/bezinksel/precipitaat = vaste stof die in een oplossing wordt gevormd en zinkt
Structuur van het atoom
Atoom = kern (protonen & neutronen) + elektronen
A
Z E
- Massagetal A = aantal neuronen + aantal protonen
- Z = aantal protonen (= aantal elektronen bij neutrale atomen): bepaalt de
atoomsoort
Isotopen = zelfde atomen, maar met verschillende massa of anders: atomen met eenzelfde
aantal protonen, maar met een verschillend aantal neutronen (vb. 2010Ne en 2110Ne).
, 2. Atoombouw en periodiek systeem van elementen
Korte historiek
Dalton (1808)
Atoommodel
- Foute bevindingen:
o Alle materie is samengesteld uit kleine, ondeelbare partikels.
o Alle atomen van een gegeven element zijn identiek in hun eigenschappen en
massa.
o Atomen zijn onverwoestbaar, kunnen niet gecreëerd worden en behouden
hun identiteit na een scheidkundige reactie.
o Er bestaan 3 types atomen: enkelvoudige, samengestelde en complexe.
- Juiste bevindingen:
o Verschillende chemische elementen bestaan uit verschillende atoomsoorten.
Iedere atoomsoort bezit een karakteristieke massa.
o Chemische verbindingen worden gevormd door een combinatie van atomen
van verschillende elementen in verhoudingen van gehele getallen.
o In chemische reacties worden atomen herschikt, van elkaar gescheiden en
met elkaar gecombineerd.
Thompson (1904)
Proef van Thompson
- Doel = structuur van een atoom vinden
- O.b.v. deze proef heeft hij een model opgesteld
- Besluit: de proef bewijst het bestaan van een negatief geladen elektron en laat toe
de m/e van elektronen te bepalen.
Atoommodel = plum pudding model = watermeloenmodel
Een atoom is een positief geladen bol met een doorsnede van 10-10 m en met een uniform
verdeeld negatief geladen elektronendeeltjes.
Rutherford (1909)
Experiment van Rutherford
- Je kan een atoom niet zien met licht (de golflengte is te lang), wel met helium.
- Verstrooiing van -stralen aan goudfilm: de meeste stralen gaan doorheen de film,
sommige worden verstrooid onder een grote hoek.
Verklaring in 1911: om verstrooiing over een grote hoek te krijgen, moet de massa
grotendeels geconcentreerd zijn in een klein volume.
Atoommodel: een atoom is een ijle ruimte met een kleine, positief geladen nucleus (r = 10 -15
m) omgeven door een elektronenwolk (r = 10-10 m). De kern bevat protonen.
Probleem:
Een elektron draait rond en wordt continu versneld, daardoor zendt het
elektromagnetische straling uit. Het uitzenden van straling kost energie m.a.w. je zou
verwachten dat een elektron haar energie verliest en terugvalt naar de kern. Maar
elektronen verliezen geen energie, anders zouden ze vertragen.
,Elektronenmantel
Elektromagnetische golf = transversale golf van onderling loodrechte, sinusoïdaal
oscillerende elektrische en magnetische velden
Frequentie f = 1/T = aantal golflengten die passeren in een punt per tijdseenheid, Hz of 1/s.
Golflengte = de kortste afstand tussen 2 plaatsen met dezelfde elektromagnetische
toestand, m
Lichtsnelheid c = *f = /k (in het luchtledige = 300 000 km/s)
Zwart lichaam = een geïdealiseerd object dat alle
elektromagnetische straling die erop valt, absorbeert.
Waarnemingen:
1. Het maximum verschuift naar een kleinere
golflengte bij een hogere temperatuur.
2. De curve is enkel afhankelijk van de temperatuur.
Planck
Kwantizatie van energie: energie wordt slechts uitgestraald in pakketjes evenredig met de
frequentie. Zo een pakketje heet een kwantum. E = h*f met h = de constante van Planck.
De materie kan alleen gehele veelvouden van kwanta uitwisselen: E = n*h*f.
Lenard
Foto-elektrisch effect
- Voorspelling van de klassieke fysica: hoe intenser het licht, hoe hoger de energie van
de elektronen.
- Waarnemingen door Lenard:
o De maximale kinetische energie van elektronen = f(vlicht)
o Aantal elektronen = f(lichtintensiteit)
o Er is een minimale vlicht nodig.
De voorspelling uit de klassieke fysica bleek dus niet te kloppen.
Einstein
Verklaarde het foto-elektrisch effect uiteindelijk als een kwantumeffect: bij de botsing van
een foton en een elektron neemt het elektron in het atoom de beschikbare energie over.
Daarmee kan het elektron zich losmaken van de aantrekkingskracht van de kern en een
zekere kinetische energie (snelheid) verwerven. Met een grotere lichtintensiteit krijgt men
meer elektronen los, maar die hebben geen hogere snelheid.
Licht bestaat uit discrete energiekwanta = fotonen.
Fotonenergie is gekwantiseerd: E = h*f
E = m*c2
, Lijnenspectra:
- Verhitten van een vaste stof: continu spectrum m.a.w. alle golflengtes komen voor,
met een intensiteit die karakteristiek is voor de stof.
- Verhitten van een gas: lijnenspectrum m.a.w. slechts welbepaalde golflengtes komen
voor, die karakteristiek zijn voor het gas.
- Verklaring: E- bevinden zich normaal in de energie-armste toestand (grondtoestand,
meest stabiele toestand), maar door het opnemen van energiekwanta komt het e- in
een energierijkere toestand (aangeslagen toestand). Bij terugvallen van een e - op
lager energieniveau ontstaan er elektromagnetische golven, waarvan de golflengte
overeenkomt met de vrijgekomen energie. Na analyse door een prisma verkrijgt men
een emissiespectrum.
Bohr (1913)
Postulaat 1: kwantisatie draaiimpuls: enkel welbepaalde banen zijn toegelaten (“stationaire
toestanden”). Het elektron zendt in deze toestand geen elektromagnetische straling uit.
- n = hoofdkwantumgetal
- straal van de baan: 2r = n
Postulaat 2: (de)excitatie van een elektron door (uitzenden) opname van een foton
Successen:
- De energieniveaus van het H-atoom (lijnenspectra) en ionen met 1 elektron.
- Ionisatie-energie van het H-atoom.
- Waarde van de Rydberg constante: RH = 1.097 * 105 cm-1
Tekortkomingen:
- Kan energieniveaus voor atomen met meer dan 1 elektron niet bepalen.
- Grootte van een opgewekte magnetische dipool is fout.
- Draaiimpuls van het H-atoom in grondtoestand is fout.
- Atomen zijn niet “plat”.
- Elektronen draaien niet in banen rond de kern.
De Broglie
Als elektromagnetische golven een deeltjes-karakter hebben (golf-deeltje dualiteit), hebben
deeltjes dan ook ene golf-karakter?
Ja, = h/p
Heisenberg
Het onzekerheidsprincipe: het is onmogelijk om tegelijk de positie en de impuls van een
deeltje precies te kennen: x * mv = h/4
Schrödinger
Microscopische systemen kunnen slechts voorkomen in welbepaalde toestanden met
welbepaalde discontinue energieën. Iedere gekwantiseerde stationaire toestand wordt
beschreven d.m.v. een golffunctie. Deze golffunctie heeft een statistische betekenis.
Golffunctie = orbitaal. Het kwadraat van deze vergelijking geeft de waarschijnlijkheid (90%)
aan dat een e- op een bepaalde plaats terug te vinden is (elektronenwolkmodel).
