iv. chemische binding - vtk gent...stap 3: atomisatie f2 stap 2: ie1 li stap 1: sublimatie li (s) f2...
TRANSCRIPT
1
IV. Chemische binding
Ene
rgie
2
0
atomengasfase
verbindinggasfase
Waarom worden chemische bindingengevormd?
C, H, H, H, H gasfase
CH4, gasfase
−1652 kJ/mol
moleculaire stabiliteit is drijvende kracht vorming verbinding
E = 0: kernen + elektronen; geen interactie/in rust
C(g) + 4 H(g) → CH4(g) ∆E = − 1652 kJ/mol
0
QM atoommodelzie ook Hoofdstuk 9
3
Wat is een chemische verbinding?
verbinding = stabiel aggregaat van kernenen elektronen
++
+8
+6
+
+
++
10 elektronen
10 elektronen
CH4
H2O
4
Hoe chemische binding beschrijven?
⇒ praktisch: vereenvoudige modellen op basis van aard interacties tussen atomen
verbindingenkern(en) + elektronen
QM-atoommodel
interacties verklaren én voorspellen eigenschappen
atomen
QM-model
•QM-model is ingewikkeld voor grotere verbindingen
5
verbindingenkern(en) + elektronen atomen
interacties verklaren én voorspellen eigenschappen
model
Hoe chemische binding beschrijven?
type interactie ⇔ type verbinding ⇒ model
QM-atoommodel ⇒ eigenschappen atomen ⇒ model binding ⇒ eigenschappen verbindingen (ook “nieuwe” verbindingen!)
6
•overdracht elektronen: ionaire binding
•delen elektronen: covalente binding
•ongelijk delen elektronen: covalente binding met ionair karakter
Welke types interacties onderscheidt men?
elektrostatische interactie tussen ionen
elektrostatische interactie tussen kernen/elektronen
elektrostatische interactie tussen kernen/elektronen
+ elektrostatische interactie tussen dipoolladingen
δ+ δ−elektrische dipool
dipoolladingen: |δ+|=|δ−|
A− B+
A-B
Aδ--Bδ+ δ: partiële lading; δ < 1.602 × 10−19 C
7
•ionaire verbindingen: elektrostatische interactie tussen
•covalente verbindingen: interactie kernen/elektronen
•metalen: interactie kernen/elektronen
•transitiemetaalverbindingen (GEEN examenstof)
Types verbinding ⇒ gebruikt model
metaal kation + niet-metaal anion (Na+ en Cl−)
metaal kation + polyatomair anion (Fe3+ en CO32−)
polyatomair kation + niet-metaal anion (NH4+ en S2−)
polyatomair kation + polyatomair anion (NH4+ en CO3
2−)
niet-metaalatoom + niet-metaalatoom
metaalatoom + metaalatoom
transitiemetaalion + liganden
8
De ionaire binding
Na Cl2 + 2 Na → 2 NaCl
Cl2NaCl
9
Ionaire verbindingen
•elektrostatische interactie tussen ionen: wet Coulomb
•voorstelling ionen: Lewistheorie
•eigenschappen
brosheid, geleidbaarheid in oplossing, smeltpunt, kookpunt
ionaire verbindingen komenvoor in kristalrooster
•roosterenergie:
•drijvende kracht vorming ionaireverbinding
•definitie
10
Metaal + niet-metaalstaat elektronen af
⇒ kationneemt elektronen op
⇒ anion
elektrostatische krachten tussen ionen
kristalrooster
11
Studie-opgave 4.2
Bereken de Coulomb potentiële energie (in kJ/mol) voor onderstaande ionenparen als je aanneemt dat de afstand tussen de ionen gegeven wordt door de som van de straal van de betrokken ionen:
a) Li+ en F−
b) Cs+ en F−
c) Na+ en S2−
d) Ba2+ en O2−
e) colineaire schikking van F−, Ca2+ en F−
ion rion
(pm)
ion rion
(pm)
ion rion
(pm)
Li+ 59 Ca2+ 99 I− 220
Na+ 99 Ba2+ 135 O2− 140
Cs+ 169 F− 133 S2− 184
Ep(kJ/mol)
Li+ en F− −722
Cs+ en F− −459
Na+ en S2− −979
Ba2+ en O2− −2016
F− Ca2+ F− −2090
12
13
Lewistheorie
14
Lewissymbool atomen
enkel valentieschaalelektronen
hoogst bezette E-niveau
Lewistheorie: e-paren + octetregel
observatie: in binaire ionaire verbindingen hebben de atomen eenedelgasconfiguratie
duet
H. Be.. B
.
. . C
.
. ..
.:F::
N.:
. . O:
:..
IA IIA IIIA IVA VA VIA VIIA
15
Lewisvoorstelling ionen
•verklaart in vele gevallen stoichiometrie ionaire verbindingen
•is eenvoudig MAAR staat volledig los van QM-atoommodel
Na . Cl:+ ::
. Na+ Cl:::
:+ −Na . Cl:+ ::
. Na+ Cl:::
:+ −+1
H
Li
Na
K
Rb
Cs
Fr
+2
Be
Mg
Ca
Sr
Ba
Ra
0
He
Ne
Ar
Kr
Xe
Rn
−1
F
Cl
Br
I
At
−2
O
S
Se
Te
Pb
16
Opgave 4.3
Chloor kan voorkomen in positieve en in
negatieve oxidatietoestanden. Wat is het
maximale negatieve en positieve
oxidatiegetal dat chloor kan hebben. Schrijf
de elektronenconfiguratie voor elk van deze
toestanden.
Cl−: [Ne] 3s2 3px2 3py
2 3pz1
Cl7+: [Ne] 3s2 3px2 3py
2 3pz2 of [Ar]
17
18
Roosterenergie
19
EMXXM )s()g()g( ∆→+ −+
roosterenergie = maat voor de sterkte van de aantrekkingskracht van de ionen in het kristalrooster
Ene
rgie ∆E = roosterenergie
M+(g) X-
(g)
MX(s)
Roosterenergie: definitie
20
21
)s()g(2)s( MXX21
M →+
E = toestandsfunctie
Globale reactie = Σ j deelreacties
Globale ∆E = Eeind – Ebegin = Σ ∆Ej
if1pad EEE −=∆
if2pad EEE −=∆
toestand i → toestand f∆Ei→f = Ef – Ei
∆E is ONafhankelijk van de manier waarop de omzetting van reactanten
naar producten uitgevoerd wordt
reactanten
productenEvaluatie bijdrage roosterenergie tot stabiliteit ionaire verbinding:
globale reactie ontbinden in hypothetische deelstappen met gekende energieverandering; één van de deelstappen is M+
(g) + X-(g) → MX(s)
Bijdrage roosterenergie tot stabiliteitZie ook H 9
22
)g()s( LiLi →
−+ +→ eLiLi )g()g(
)g()g(2 FF21 →
)g()g( FeF −− →+
)s()g()g( LiFFLi →+ −+
)s()g(2)s( LiFF21
Li →+Σ deelreacties
stap 5: roosterenergie
stap 4: EA1 F
stap 3: atomisatie F2
stap 2: IE1 Li
stap 1: sublimatie Li
)s()g(2)s( LiFF21
Li →+
roosterenergie is drijvende kracht vorming ionaire verbinding
+ 161
+ 520
+ 77
∆E (kJ)
-328
-1047
-617
endotherm
endotherm
endotherm
exotherm
exotherm
23
Li(s) + F(g)
LiF(s)
Li(g) + F(g)
Li+(g) + F(g)
Li+(g) + F-(g)
Li(s) + ½ F2(g)
sublimatie Li(s)
atomisatie ½ F2(g)
IE1 Li = + 520 kJ EA1 F = −328 kJ
Roosterenergie −1047 kJ
−855 kJ
Li(s) + ½ F2(g) → LiF(s) ∆E = −617 kJ
Li(g) + F(g) → LiF(s) ∆E = −855 kJ
−617 kJ
+192 kJ
Li(g) + F(g) → Li+(g) + F-(g) ∆E = +192 kJ
24
25
Opgave 4.5
Bereken ∆E voor de reactie ½ Li2(g) → Li+(g) + e.
Teken ook een energiediagramma.
IE voor Li = 520 kJ/mol
BDE Li-Li = 110 kJ/mol
∆E = + 575 kJ
26
27
=rqq
krgieroosterene 21
•lading ionen ↑ ⇒ roosterenergie ↑
•afstand ionen ↓ ⇒ roosterenergie ↑
r = f(straal ionen)
roosterenergie = f(lading ionen en afstand tussen ionen)
f(structuur rooster)
28
straal kation ↑
straal anion ↑
roos
tere
nerg
ie ↑
29
=rqq
kgieoosterenerr 21
invloed lading ionen overweegt op invloed grootte ionen
0
100
200
300
400
500
600
700
800
150 250 350 450
r (pm)E
Cou
lom
b (k
J/m
ol)
0
5001000
1500
20002500
3000
35004000
4500
0 2 4 6 8
q1 * q2
EC
oulo
mb
(kJ/
mo
l)
r = 200 pm q1q2 = 1
30
Studie-opgave 4.4
Welk van volgende lijsten van ionaire verbindingen
is niet gerangschikt in volgorde van toenemende
roosterenergie?
a) NaI, NaCl, NaF
b) BaI2, BaBr2, BaCl2
c) CsCl, RbCl, KCl
d) NaCl, CaCl2, BeO
e) KI, MgO, CaO KI, MgO, CaO
31
32
Opgave 4.6
De roosterenergie voor de oxiden en chloriden
van ijzer(II) en ijzer(III) bedragen −2631, −3865,
−5359 en −14774 kJ/mol.
Koppel de formule van de betrokken ionaire
verbindingen met de roosterenergie. Verklaar je
antwoord. kJ/mol
FeCl2 −2631
FeO −5359
FeCl3 −3865
Fe2O3 −14 774
33
34
Verklaring eigenschappen ionaire
verbindingen
35
ionaire verbindingen breken bij uitoefenen van een uitwendige kracht
Brosheid
36
Geleidbaarheid in smelt en in oplossing
anode katode
kationenanionen
solvatatie ionen
•smelt of oplossing: ionen zijn beweeglijk
•vast: ionen zijn gefixeerd in rooster
⇒ ionen zijn geen ladingsdragers
⇒ geen geleidbaarheid
⇒ ionen zijn ladingsdragers
⇒ geleidbaarheid
37
Hoog smeltpunt en hoog kookpuntdamp bestaat uit ionenparen
vast
smelt
damp
roosterenergie ↑⇒ smeltpunt ↑
Coulomb aantrekking ionen ↑⇒ kookpunt ↑
38
♦berekenen van roosterenergie via deelreacties
♦evaluatie van energiebijdragen in de berekening van roosterenergie; welke factoren zijn energetisch gunstig/ongunstig
♦bepalen invloed lading/straal ionen op roosterenergie in reeks ionaireverbindingen
Examenstof
belangrijke vaardigheden