Module 1: Atoombouw-chemische bindingen-intermoleculaire krachten

Module 1: Atoombouw-chemische bindingen-intermoleculaire krachten

B3 V2 De steeds verdere verfijning van het atoommodel historisch interpreteren.

Herinner jij je nog de Tabel van Mendelejev? Daarover leerde je wellicht dat de atomen die erin staan de bouwstenen zijn waaruit alle materie is gemaakt. Maar... waaruit bestaan die atomen dan? En hoe is dat allemaal tot stand gekomen? Deeltjesfysicus Maja Verstraeten (UAntwerpen) neemt je mee naar de oerknal waar alles is begonnen. Welkom in de wereld van de elementaire deeltjes.

Hoe wordt een atoom gevormd?

Oefening

Oefening: Welke atoommodel?

Start

Voorbereiding: bekijk de volgende filmpjes en beantwoord de vragen.

Geef een samenvatting van de opeenvolgende atoommodellen: naam van de wetenschapper die het model voorstelde-belangrijkste ontdekkiong van de wetenschapper- belangrijkste inhoud van dit model.

Atoommodellen

Early atomic theory

What is an atom and how do we know?

History of the atom

Voorbereiding p.9 module 1

Los de volgende vragen op van 1 Atoommodellen op pagina 9- in je handboek module 1.

  • Waar is het begrip atoom van afgeleid?
  • Wie introduceerde deze termen?
  • Van welke filosofische stroming waren zij aanhangers van?
  • Welke stelling poneerde deze leer i.v.m. de opbouw van de stof?

1 John Dalton introduceerde de atoomtheorie in de natuurwetenschap chemie.

  • Wanneer leefde deze wetenschapper?
  • Vat zijn theorie kort samen.

2 Joseph-John Thomson stelde een nieuw atoommodel voor.

  • Wanneer leefde hij?
  • Hoe kwam (1856-1940) tot het besluit dat er negatieve deeltjes in het atoom aanwezig zijn? Formuleer zijn besluit van het experiment.
  • Beschrijf dit model.
  • Het atoommodel lijkt op ......................................

3 Ernest Rutherford veranderde het atoommodel na een belangrijk experiment.

  • Wanneer leefde hij?
  • Bekijk het filmpje i.v.m. het experiment. Beschrijf het experiment, geef de waarnemingen en verklaring.
  • Beschrijf het atoommodel dat hij in 1911 voorstelde.

Experiment van Rutherford

4 James Chadwick ontdekte deeltjes in de kern.

  • wanneer?
  • welke?
  • welke krachten houden deze deeltjes samen met de protonen?

5 Niels Bohr en Arnold Sommerfeld beschreven de elektronenmantel.

  • wanneer?

6 In de jaren 20 werden de inzichten van de kwantummechanica toegepast. Welk model ontstond daaruit?

Oefening: Vergelijk atoommodellen

Start

B1 - B1 Het begrip isotoop definiëren en de voorstelling ervan interpreteren.

Subatomaire deeltjes

Teken de structuur van een atoom en vermeld de volgende begrippen: nucleonen, elektronen, protonen, neutronen, ijl.

 

Bekijk de volgende you tube filmpjes met recentere kennis van atomen.

Real atoms

A boy and his atom.

How to move an atom.

What does an atom look like?

Oefening: Karakteristieken van de subatomaire deeltjes

Start

Stel de subatomaire deeltjes voor met een notatie A symbool deeltje.

                                                                                 z

Geef de symbolische voorstelling van het atoom natrium met massagetal 23 en atoomnummer 11. Bereken het aantal subatomaire deeltjes.

Isotopen

Het element waterstof komt in de natuur voor als een mengsel van drie verschillende atomen. Welke zijn dit ( symbolische voorstelling)? Hoeveel e-,p+ en n0 bevatten deze?

Zoek dit op in je handboek module 1 p12.

Isotopen

Geef twee mogelijke toepassingen van isotopen. Zie p 12.

B2 V1 De gemiddelde relatieve atoommassa van een element berekenen en het verband leggen tussen de gemiddelde relatieve atoommassa van een element uit het PSE en het procentueel voorkomen van natuurlijke isotopen van dat element.

Welke atoommassa wordt vermeld in het PS? Waarom is dat zo?

Bekijk het filmpje en vat het samen.

V3 Het verband leggen tussen het lijnenspectrum van een element en het atoommodel van Bohr en Sommerfeld.

Experiment p 14.

Formuleer de onderzoeksvraag van de vlamtest.

Stel de hypothese op.

Voer de proef uit of bekijk het filmpje.

Filmpje over de vlamtest: noteer de waarnemingen.

Uitleg bij filmpje (https://scheikundejongens.nl/tag/vlamkleuren/: Afgelopen jaarwisseling zo’n 65 miljoen euro aan vuurwerk de lucht in is gegaan. Voor economen is dat natuurlijk allemaal leuk en aardig, maar wat ik als chemicus veel interessanter vind, is hoe al dat siervuurwerk aan haar prachtige kleurtjes komt. De theorie hierachter is niet heel ingewikkeld.

Voor de kleuren in siervuurwerk zijn in feite drie stoffen belangrijk: een brandstof, een oxidator (door mijn scheikundedocent altijd “zuurstofleverancier” genoemd) en de kleurstof zelf. De kleurstof is geen organisch molecuul, maar meestal een anorganisch zout zoals strontiumnitraat, bariumchloride of koper(II)chloride. Wanneer de brandstof wordt verbrand, wordt de temperatuur hoog genoeg om het zout in de gasfase te brengen. In de gasfase komt het zout niet langer voor als ionen, maar is het grotendeels uiteengevallen in losse ongeladen atomen. In feite is dit een soort redoxchemie. Bijvoorbeeld voor bariumchloride:

Ba2+ + 2e– ⇌ Ba (g)
2 Cl– ⇌ 2 Cl• (g) + 2 e–

De losse bariumatomen zorgen voor de kleur van de vlam. Door de enorm hoge temperatuur komt een elektron van het bariumatoom zo nu en dan in een hogere energietoestand terecht (ook wel aangeslagen toestand genoemd). Wanneer het elektron weer terugkeert naar de grondtoestand, wordt het verschil in energie uitgezonden in de vorm van een foton: we zien licht! Dit effect is overigens exact het principe achter de vlamkleurproefjes die je op de middelbare school misschien wel eens hebt gedaan.

Vlamkleuren zijn niet alleen erg mooi, ze worden in de praktijk ook voor analyse gebruikt. Met atomaire-emissiespectroscopie (AES) kun je de aanwezigheid en concentraties van vele elementen bepalen door nauwkeurig naar de emissies van de atomen in een vlam te kijken. Nauw verwant hieraan is atomaire-absorptiespectroscopie(AAS), waarbij je niet kijkt naar de emissie van licht van atomen in de vlam, maar juist naar de absorptie ervan.

Welke element heeft welke kleur in de vlamtest?

In dit practicum laten wij zien welk metaalzout welke kleur geeft bij verbranding.

Vul p 14 in.

  • Waarnemingen vlamproef:
  • Onderzoeksvraag?
  • Toepassingen op dit principe?
  • Vergelijk een continue met een discontinue spectrum?
  • Welke soort spectrum is het lijnenspectrum dat men bekomt bij het verwarmen van een atoom waarna het licht door een prisma gestuurd wordt?

Extra beeldmateriaal om de leerstof te verduidelijken.

Verband lijnenspectrum en elektronenmantel

Lijnen spectrum en atoommodel van Bohr

Atoommodel van Bohr

Spectrosopische waarnemingen van atomen met meerdere elektronen kon men niet verklaren met het atoommodel van Bohr. Welke veranderingen werden doorgevoerd aan het daarop volgend atoommodel? Naam model?

Het Golfmechanisch atoommodel: Wat waren de theorieën van Broglie, Heisenberg, Schrödinger?

Structuur van de elektronenwolk

  • Hoeveel lijnen bevat het zichtbare spectrum van waterstof? Teken deze.
  • Teken enkele overgangen van het H-atoom. Welk soort energie zemdem de elektronen uit bij deze overgangen?
  • Geef de formule die de energie van straling weergeeft: p16
  • Hoe verklaarde Bohr het bestaan van het discontinue lijnenspectrum van H?
  • Welke atoommodel leidt hij daardoor af?

B4 B2 Hoofdniveaus, subniveaus, magnetische niveaus en spin van een elektron onderscheiden voor het beschrijven van de energietoestand van een elektron.

  • Wat bepaalt de energietoestand van een atoom volgens Bohr-Sommerfeld? zie p 20
  • Rangschik de niveaus volgens stijgende energie.
  • Hoeveel elektronen bevat elk niveau-geef kort uitleg.


  • Vul in:

    Subniveau s p d 

       f
    nevenquantumgetal        
    max aantal e-        

     

Quantumgetallen

Om de kenmerken te beschrijven van elektronen en hun wolken werden vier getallen ingevoerd, zogeheten kwantumgetallen.

  • Welke betekenis hebben de kwantumgetallen in de golfmechanica? p 22
  • Hoeveel magnetische niveaus bevatten de s,p,d en f subniveaus?
  • Maak een overzicht van de magnetische quantumgetallen van deze magnetische niveaus.
  • Waarom stoten twee elektronen in eenzelfde magnetisch niveau elkaar niet volledig af?
  • Definieer de spin van een elektron.
  • Geeft de mogelijke spinquantumgetallen.

Het hoofdkwantumgetal geeft info over de gemiddelde afstand van de elektronenwolk tot de kern, het komt overeen met de getallen van de energieniveaus/energieschillen volgens Bohr.

  • Pas de gegevens uit de tabel toe op de kwantumgetallen van alle elektronen van het atoom met Z=6.
  • Welke vorm heeft de oplossing van de wiskundige vergelijking volgens Schrödinger voor l =0, l =1, l =2?
  • Rangschik de orbitalen volgens de energie-inhoud:
  • Het magnetisch kwantumgetal bepaalt de oriëntatie van het orbitaal (bv t.o.v. een sterk magnetisch veld): - l tot + l : verklaar ml=0, ml=-1,0,+1
  • Hoeveel verschillende d-orbitalen en f-orbitalen bestaan er? Geef de waarden voor l  en ml.
  • Teken een elektron met spin kwantumgetal +1/2.
  • Waarom stoten twee elektronen met dezelfde spin elkaar af?

B5 V2bis Een orbitaal definiëren als de voorstelling van het trefkansgebied om een elektron aan te treffen rond de atoomkern.

Orbitalen

  • Los de volgende vragen op in je handboek p 19.
  • Hoe kan de Schrödingervergelijking worden opgelost?
  • Waarmee stemmen de discrete energieën overeen?
  • Welk nieuw element introduceert de golfmechanica in het atoommodel?
  • Baan bij atoommodel van Bohr = .........in de oplossing van Schrödingervergelijking.
  • Geef de definitie van een orbitaal.

B6 B3 De basisregels voor de opvulling van de verschillende energieniveaus van de elektronen in een atoom toepassen en de elektronenconfiguratie weergeven.

  • Welke voorstellingen gebruikt men om de elektronenverdeling of elektronenconfiguratie te schrijven? p 24.
  •  
  • Formuleer de vijf basisregels om de elektronenverdeling te schrijven. Illustreer telkens met een oefening p 25.
  • Maak oefeningen en controleer met de oplossingen op p 36.
  • Hoe ontstaan ionen?
  • Geef de elektronenverdeling van Fe2+, F-.
  • p 27 oefeningen toepassingen op Hund en Pauli.

Regel van Hund

Maak een overzicht van de 7 hoofdniveaus volgens de tabel p 23

 

Schil

Nevenkwantumgetal

Magnetisch kwantumgetal

Aantal elektronen per orbitaal

Aantal elektronen per soort orbitaal

Aantal elektronen per schil

n

 

l

orbit

ml

orbit

 

 

 

1

K

 

 

 

 

 

 

 

2

L

0

2s

0

 

 

 

 

1

2p

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V6 V3 Het verband tussen de elektronenconfiguratie en de opbouw van het PSE met s-, p-, den f-blok aangeven.

1 Geef de regels die M’jev toepaste om de elementen te rangschikken.

2 Volgens welke regels zijn de elementen nu gerangschikt in het PSE?

3 Leg uit: perioden, groepen, hoofdgroepen, nevengroepen, a-elementen, b-elementen, o-elementen.

4 Welke blokken onderscheidt men in het PSE? Teken deze blokken. Wat is hun naam? En waarom is dat de naam?

5 Hoeveel groepen bevat elke blok? Waarom?

6 Hoeveel perioden zijn er in het PS? Waarom?

7 Welke elementen zitten er in het s- en p-blok?

8 Welke elementen zitten er in het d-blok?

9 Welke elementen zitten er in het f-blok? Wat betekenen deze namen?

10 Wat bepaalt de chemische eigenschappen van een element?

11 Hoe bepaal je de plaats van een element in het PSE m.b.v. de elektronenconfiguratie: Plaats in PSE: Het aantal schillen=

Het aantal valentie-elektronen=

12 Welke groep zijn de Edelgassen? Wat is er zo speciaal aan deze groep?

13 Oefeningen p 29-30.

Pas het stappenplan toe om de plaats ( groep, periode,hoofd- of nevengroepelement, blok van: het element met Z=12, Z=24, Z= 35.

V6bis De sterkte van metaal- en niet-metaalkarakter, de monoatomische ionvorming, afmetingen van atomen en monoatomische ionen en de meest voorkomende oxidatiegetallen verklaren en toepassen in relatie met het PSE of in verband brengen met de elektronenconfiguratie.

Hoe kunnen atomen van de hoofdgroepen de edelgasconfiguratie bereiken?

Welke elektronenverdeling bereiken de overgangselementen bij het vormen van ionen?

Welke elektronen worden eerst afgegeven bij het vormen van ionen?

De tabel van M’jef bestaat uit drie soorten elementen; WELKE? Wat is hun elektronengedrag?

Wat is de plaats van H in het PSE?

 

Welke drie argumenten kan je gebruiken om de grootte van een atoom te bepalen?

1 Hoe verandert de atoomstraal binnen een groep? Verklaar.

2 Hoe verandert de straal binnen een periode? Verklaar.

3 Waarom kan je de atoomstraal van edelgassen niet verklaren met de vorige argumenten?

4 Welke elementen vertonen uitzonderingen op de toename van r in een periode?

5 Welk is het grootste: Na of Na+   Cl of Cl-? Leg uit.

6 Duid de metalen en niet-metalen aan in het PS.

7 Er zijn drie soorten elementen naargelang het chemisch gedrag van hun atomen, welke? Leg kort uit.

8 Wat is het doel van elektronenuitwisselingen?

9 Welke elektronenuitwisselingen gaan het beste?

10 Geef de definitie van Ionisatie-energie, EN-waarde, elektronenaffiniteit.

11 Schets de verandering van deze kenmerken in het PSE. Verklaar deze veranderingen.

12 Vergelijk K, Ti,As en Br i.v.m. het metaal/niet-metaalkarakter.

13 IE1< of> dan IE2? Leg uit.

14 Waar is IE/EA afhankelijk van?

15 Waar bevindt zich het sterkste metaal/niet-metaal? Verklaar  

16 Welk metaal/niet-metaalkarakter vertonen de blokken?

4 Verband tussen de elektronenconfiguratie en het oxidatiegetal van een element.

1 Geef de definitie van OG. p125

2 Geef een overzicht van het OG voor elementen in het s,p en d-blok.

3 Verklaar de oxidatiegetallen voor Chloor: -I, +V en + VII

Los volgende vragen op met je handboek vanaf p 31

1 Hoe verandert de atoomstraal binnen een groep? Verklaar.

2 Hoe verandert de straal binnen een periode? Verklaar.

3 Waarom kan je de atoomstraal van edelgassen niet verklaren met de vorige argumenten?

4 Welke elementen vertonen uitzonderingen op de toename van r in een periode?

5 Welk is het grootste: Na of Na+   Cl of Cl-? Leg uit.

6 Duid de metalen en niet-metalen aan in het PS.

7 Er zijn drie soorten elementen naargelang het chemisch gedrag van hun atomen, welke? Leg kort uit.

8 Wat is het doel van elektronenuitwisselingen?

9 Welke elektronenuitwisselingen gaan het beste?

10 Geef de definitie van Ionisatie-energie, EN-waarde, elektronenaffiniteit.

11 Schets de verandering van deze kenmerken in het PSE. Verklaar deze veranderingen.

12 Vergelijk K, Ti,As en Br i.v.m. het metaal/niet-metaalkarakter.

13 IE1< of> dan IE2? Leg uit.

14 Waar is IE/EA afhankelijk van?

15 Waar bevindt zich het sterkste metaal/niet-metaal? Verklaar  

16 Welk metaal/niet-metaalkarakter vertonen de blokken?

Verband PSE en oxidatiegetal

Verband tussen de elektronenconfiguratie en het oxidatiegetal van een element.

1 Geef de definitie van OG. 

2 Geef een overzicht van het OG voor elementen in het s,p en d-blok.

3 Verklaar de oxidatiegetallen voor Chloor: -I, +V en + VII.

Voorbereiding: oefeningen p 35 tot met 39.

Hybridisatie