Gebruiker:Thur.van.es/Boek 01

Scheikunde voor mbo

Voorwoord

Onderstaande tekst is bedoeld als eerste deel van een concentrische beschrijving van het theoretische deel van de scheikundekennis die een beginnend analist of allround laborant tot zijn beschikking moet hebben.

Om de regelmatige confrontatie met het imago "hier zijn jullie te dom voor" van studenten in de laborant-opleiding te voorkomen is eventueel "verdiepende tekst" voor de analist bewust niet in dit bestand opgenomen. Vaak bevat deze verdiepende tekst informatie die in een eenmalig aanbiedende, sequentiële leergang het onderwerp meteen uitputtend behandelt, in de veronderstelling dat de student, op het moment dat de informatie relevant wordt, deze ook kan reproduceren. Ervaringswijsheid is toch dat het onderwerp dan toch nog een keer besproken moet worden, of dat de behandeling in een veel kortere tijd kan omdat de student inmiddels een ruimer referentiekader in de scheikunde heeft.

Geprobeerd wordt een concentrische opbouw van de theorie van de scheikunde te presenteren die enerzijds recht doet aan de interne samenhang in deze theorie, anderzijds recht doet aan de praktische instelling van de MBO-student die snel vraagt naar het nut van de gepresenteerde stof en de relatie ervan met de praktijk zoals deze zich op dat moment in de labzaal voordoet.

Wat is scheikunde?

Scheikunde ontwikkelde zich vanuit de wens om de grote verscheidenheid aan stoffen te kunnen indelen in groepen. Scheikunde is dan in eerste instantie de kunst van het scheiden. Scheiden kan op veel verschillende manieren: op kleur, op maat, op vluchtigheid of oplosbaarheid in bepaalde vloeistoffen. Al deze methoden zijn gebruikt.

Neem als voorbeeld een hoeveelheid zeewater. Als je een paar emmers zeewater uit de branding in een groot vat schept bereik je de eerste scheiding al door het gewoon een tijdje te laten staan: op de bodem van het vat vind je al snel wat zand dat je meegeschept hebt. Het water door en fijne zeef filtreren levert een andere stof op. Het vat een tijd in de zon laten staan levert ten slotte een laagje zout op en het water is "verdwenen".

Mengsels

Zeewater bestaat duidelijk uit een een aantal verschillende stoffen. Rond 1600 begon men met het netjes opschrijven wat je moest doen om een bepaalde component uit een mengsel te krijgen.

Scheiden is alleen mogelijkheid als twee stoffen verschillende eigenschappen hebben. Tegelijk met het netjes noteren van de procedures voor het scheiden werd ook begonnen met het zo nauwkeurig mogelijk noteren van de eigenschappen van de stoffen en componenten.

Soms bleek wat eerst een component werd genoemd toch weer te scheiden. Soms bleek dat niet mogelijk.

Zuivere stof

Stoffen die zich niet lieten scheiden werden zuiver genoemd: ´´´zuivere stoffen´´´. Tegenwoordig zijn er ongeveer vier miljoen zuivere stoffen beschreven. In de scheikunde worden deze stoffen in drie grote groepen verdeeld. In volgorde van aantal:

• Organische stoffen.
  Dit is wat aantal betreft veruit de grootste groep. In je opleiding zul je af en toe met organische stoffen kennis maken, maar de brandbaarheid van veel van deze stoffen maakt ze tot lastige stoffen om me te werken in het schoollaboratorium. Anderzijds vormen de stoffen waarmee in de biologie gewerkt wordt juist een belangrijk onderdeel van de organische verbindingen.
• Zouten.
  Deze groep stoffen zul je in het scheikunde lab het meest tegenkomen. Het zijn bijna allemaal vaste stoffen. Dat wil niet zeggen dat ze ongevaarlijk zijn: ook dertig gram keukenzout is dodelijk!
• Geen zout en niet organisch.
  Stoffen die niet in een van de twee andere groepen vallen. In het scheikundelaboratorium kom je ze relatief weinig tegen.

Zuivere stoffen bleken soms met grovere middelen wel in andere stoffen omgezet te kunnen worden. Deze manier van scheiden wordt ontleden genoemd. De eigenschappen van de nieuwe stoffen waren wel compleet anders dan die van de uitgangsstof.

Een zuivere stof die ontleed kan worden, heet verbinding, zuivere stoffen die niet ontleed kunnen worden heten element. Voorbeelden:

Water (vloeistof) __> waterstof (gas) + zuurstof (gas)

Kwikoxide (vast) __> kwik (vloeistof) +zuurstof (gas)

Ook het terugvormen van de oorspronkelijke stof was niet altijd eenvoudig of mogelijk of verliep juist heel spontaan. Waterstof en zuurstof vormen wel weer water, maar alleen na activering met een gloeiend stukje hout en een goede knal. Zuurstof en kwik vormen alleen kwikoxide als ze een tijd samen verhit worden. Het aanbaksels in de koekenpan laat zich niet meer tot rauw ei omzetten.

Uiteindelijk bleken ongeveer negentig stoffen echt niet te ontleden. Er zijn dus ongeveer negentig elementen.

Symbolen

Aan het eind van de 18e eeuw gebeurde er op chemisch/wetenschappelijk gebied twee dingen:

1. De wetenschap werd internationaler.
2. De taal van de wetenschap werd een moderne taal (Frans, Duits, Engels, Nederlands) in plaats van het Latijn.

Dat maakt de leesbaarheid groter, maar de het onderlinge contact lastiger. Bijvoorbeeld:

Nederlands	Frans	Duits	Engels
IJzer	Fer	Eisen	Iron
Koper	Cuivre	Kupfer	Copper
Koolstof	Carbone	Kohlenstoff	Carbon
Lood	Plom	Blei	Lead

Vooral bij elementen die al lange tijd bekend waren verschillen tussen de talen lastig. Ook de verschillende spellingsregels of de manier waarop in de verschillende talen omgegaan wordt met samengestelde woorden levert problemen op. Vergelijk bijvoorbeeld natriumchloride (Nederlands), Natriumchlorid (Duits, dat lijkt nog), sodium chloride (Engels, twee woorden!) of chlorure de sodium (Frans).

Al rond 1780 probeert Dalton de spraakverwarring te bestrijden met een tekeningetje per element. Verschillende arseringen in een cirkeltje geven aan welk element bedoeld wordt. Met negentig elementen werkt dat niet. Uiteindelijk is besloten letters te gebruiken:

Elementen worden aangegeven met een of twee letters. De eerste letter is altijd een hoofdletter, de tweede letter altijd een kleine letter. Meestal worden de letters ontleens aan de latijnse naam van het element. De eerste letter van de naam is ook vaak de eerste letter van het symbool. Van een aantal veelgebruikte elementen moet je de naam e het symbool uit je hoofd leren. Deze elementen staan in onderstqqnde tabel.

Element	Symbool	Element	Symbool
Aluminium Argon Barium Berrylium Boor Broom Calcium Chloor Chroom Fluor Fosfor Goud Helium IJzer Jood Kalium Kobalt Koolstof Koper	Al Ar Ba Be B Br Ca Cl Cr F P Au He Fe I K Co C Cu	Kwik Lithium Lood Magnesium Mangaan Natrium Neon Nikkel Platina Silicium Stikstof Tin Uraan Waterstof Zilver Zink Zuurstof Zwavel	Hg Li Pb Mg Mn Na Ne Ni Pt Si N Sn U H Ag Zn O S

Van andere elementen kun je in BINAS de naam en het symbool vinden. Deze elementen zul je niet zo vaak gebruiken, dus deze ook uit je hoofd leren heeft weinig zin. De elementen kunnen wel gebruikt worden in toetsen, dus de tabellen in BINAS moet je wel kunnen gebruiken!

Groepen elementen

Een aantal van de elementen bleek al een hele tijd bekend: goud, zilver, lood, zwavel, koper en ijzer waren al bekende stoffen in de tijd van de Romeinen. De lijst met nieuwe elementen werd steeds langer en minder overzichtelijk. Maar in de scheikunde wordt gelet op eigenschappen van stoffen, dus ook op die van de elementen. De elementen waren in groepen in te delen op basis van hun eigenschappen.

Metalen

De eerste groep wordt gevormd door de metalen. Hun eigenschapen zijn:

1. ze geleiden warmte
2. ze geleiden elektrische stroom makkelijk,
3. zijn vast bij kamertemperatuur en
4. kunnen met behulp van een hamer in een bepaald model gebracht worden.

Binnen de metalen als groep kon weer een onderverdeling gemaakt worden tussen

1. heel onedele metalen als natrium en kalium. Deze metalen kom je alleen in het laboratorium als metaal tegen. Normaal vormen deze metalen een onderdeel van een verbinding.
2. onedele metalen zoals ijzer en nikkel. Deze metalen kom je soms als metaal tegen, maar ook vaak als deel van een verbinding. Denk maar aan ijzer en roest.
3. half edele metalen als koper.
4. edele metalen zoals zilver, goud en platina.

Niet-metalen

De eigenschappen van metalen gelden juist niet voor de niet-metalen:

• ze geleiden warmte slecht
• ze geleiden elektrische stroom niet of slecht
• ze zijn vast of gasvormig

Binnen de niet-metalen zijn ook groepen aan te wijzen, al zijn deze minder groot dan bij de metalen.

1. De halogenen. Deze groep omvat de elementen chloor, broom en jood. In de natuur komen deze elementen bijna alleen voor als deel baan een verbinding. Uiteraard ken je chloor ook in zijn vorm van bleekwater en jood is het actieve deel van jodiumtinctuur.
2. De edelgassen. De voornaamste vertegenwoordiger is helium, bekende van de wegvliegende luchtballon. Daarnaast zijn neon en xenon bekend uit de ermee gevulde lampen.

Massa

Dmitri Mendelejev

Rond 1800, er waren al heel wat elementen gevonden, werd duidelijk dat elementen wel met elkaar reageren, maar niet in elke verhouding. De reactie tussen ijzer en zwavel kan genoteerd worden als:

ijzer + zwavel __> ijzersulfide

Er moet wel aan een bepaalde massaverhouding voldaan worden:

massa_ijzer : massa_zwavel = 7 : 4

Zeven gram ijzer reageert met vier gram zwavel tot 11 gram ijzersulfide zonder dat er ijzer of zwavel overblijft. Neem je vijf gram zwavel dan houd je na reactie elf gram ijzersulfide en een gram zwavel over. Omgekeerd: neem je tien gram ijzer en vier gram zwavel dan blijft er drie gram ijzer over (en uiteraard 11 gram ijzersulfide). Twintig gram zwavel en 35 gram ijzer reageert weer netjes tot 55 gram ijzersulfide.

Ook voor andere reacties werden vaste verhoudingen gevonden voor de massa's van de reagerende stoffen. Blijkbaar bestaan ijzer en zwavel uit kleine stukjes die bij de vorming van ijzersulfide als stukje bij elkaar blijven en waarvan de stukjes ijzer 7/4 keer zo zwaar zijn als de stukjes zwavel.

In het begin van de 19e eeuw was er geen enkele mogelijkheid om de grootte of de echte massa van de ijzer- en zwaveldeeltjes te bepalen. Dat er zoiets als kleinste deeltjes ijzer en zwavel (en ook van de andere elementen) moesten bestaan was wel duidelijk. Deze kleinste deeltjes werden atoom genoemd.

Vanuit het Grieks: "A" = "niet" en "thomos" = "delen".

Naast eigenschappen als kleur, reactiemogelijkheid en dichtheid werd ook de massa van het atoom van een element belangrijk in de eigenschappenlijst.

Een overzicht van het periodiek systeem van de elementen zoals dat tegenwoordig vaak wordt weergegeven.

Rond 1871 was de lijst met elementen zo groot geworden dat het mogelijk werd een logische samenhang te vinden. Zowel door de Rus Mendelejev als door de Duitser Meyer werd een lijst samengesteld op basis van atoommassa´s. Mendelejev is daarbij het meest bekend geworden, omdat hij niet alleen de lijst maakte, maar ook de moed had om voor een paar "open plekken" inderdaad open plekken te laten. Het element germanium was op het moment dat hij zijn lijst maakte nog niet ontdekt. Mendelejev noemde het element "eka-silicium" omdat het onder silicium in zijn systeem moest passen. Op basis van de eigenschappen van omringende elementen gaf hij aan in welk soort erts het element gevonden kon worden en wat de eigenschappen ervan zouden zijn. Toen germanium veertien jaar later echt ontdekt werd bleken die eigenschappen goed overeen te komen met Mendeljevs voorspellingen. Het systeem van Mendelejev is bekend geworden onder de naam periodiek systeem der elementen.

In de figuur hiernaast is het periodiek systeem weergegeven zoals dat tegenwoordig vaak wordt gedaan. Waarom het op deze manier gebeurt wordt in het hoofdstuk "Atoombouw" in boek 2 verder uitgelegd.

Naamgeving of Nomenclatuur

Met het nauwkeuriger noteren van eigenschappen en daarbij de ontdekking dat er een ongelofelijk groot aantal verschillende stoffen bleek te bestaan, werd het nodig de verschillende stoffen van een door iedereen begrepen naam te voorzien. Een naam als keukenzout is in het Nederlands duidelijk: zout dat je in de keuken gebruikt. Maar een Duitser gebruikt Speisesalz, de Engelsman zal table salt nemen en een Fransman sel alimentaire. Het werd nodig internationaal tot afspraken te komen.

Hieronder wordt de naamgeving van de zouten besproken. Deze kom je als analist het meest tegen. De naamgeving van organische verbindingen komt in boek 4 aan de orde. Van verbindingen die niet organisch zijn en ook geen zout komt de naamgeving in boek 5 ter sprake.

Basisregel

In een verbinding wordt eerst het metaal genoemd en dan het niet-metaal. Het metaal wordt bij zijn gewone nederlandse naam genoemd, het niet-metaal bij het eerste deel van zijn latijnse naam met als uitgang -ide.

Zie hieronder de verschillende niet-metalen met hun naam in verbindingen:

niet-metaal	latijnse naam	naam in verbinding
zuurstof	oxygeninium	oxide
zwavel	sulfer	sulfide
fluor	fluor	fluoride
chloor	chloor	chloride
broom	broom	bromide
jood	jood	jodide
stikstof	nitrogenium	nitride
fosfor	fosfor	fosfide
koolstof	carbon	carbide

Voorbeelden

Metaal	Niet-metaal	Verbinding
Natrium	Chloor	Natriumchloride
Kalium	Broom	Kaliumbromide
IJzer	Zwavel	IJzersulfide
Lood	Jood	Loodjodide

De mol

In de loop van de eerste helft van de 19e eeuw was van alle bekende elementen de massa van de atomen bepaald en in tabellen verzameld. Het vergelijken van de verschillende tabellen was echter lastig. In de ene tabel werd waterstof als lichtste element) als 1 gebruikt. Waterstof vormt niet makkelijk met allerlei elementen verbindingen dus gebruikte veel wetenschappers zuurstof als 1 of als 16, want dan werd waterstof bijna 1. Beide elementen hebben het nadeel dat ze standaard in gasvorm voorkomen, en dan lastig te wegen. Ook de zuivering van de gassen leverde de nodige problemen op. Uiteindelijk is besloten dat het aantal deeltjes in 12,00 gram koolstof als basis gebruikt zou worden. De naam voor dit aantal is "mol". Alle moderne tabellen met atoommassa's gebruiken deze definitie.

Toen deze afspraak gemaakt werd was niemand in staat aan te geven hoeveel deeltjes dit waren, want losse atomen konden nog niet gewogen worden.

De mol is verder en gewone eenheid die net als de meter gebruikt kan worden.

De mol kan verder gebruikt worden op dezelfde manier als een dozijn of een gros. Het aantal erin is alleen (wat) groter. Net als we kunnen praten over 2 dozijn broodjes (24 broodjes) of 2 dozijn flessen frisdrank (24 flessen) kunnen we praten over 2 mol koolstof (24 gram koolstof) of 2 mol zuurstof (32 gram). 2 mol waterstof weegt 2.0158 gram en twee mol uranium 476 gram. Ook delen van een mol zijn mogelijk: 0.25 mol water weegt 4.50 gram, 2 mmol (= 2*10^{- 3} mol) keukenzout weegt 0.119 gram.

Stilzwijgend is in de laatste tweek voorbeelden al gebruik gemaakt van het feit dat de molaire massa van een verbinding gevonden wordt door de atomaire massa's van de samenstellende atomen bij elkaar te tellen.

1. Wat is Scheikunde
2. Scheiden
3. Mengsel, zuivere stoffen, elementen
4. Massa

Nauwkeurigheid

In het vorige hoofdstuk is een aantal keren sprake van "zo nauwkeurig mogelijk". Gevoelsmatig zeg je dat als je op een analytische balans iets afweegt, het eigenlijk niet nauwkeuriger kan. Maar ook een digitale, goed geijkte balans heeft een zekere onnauwkeurigheid. Wat betekent het wanneer de balans op het display laat zien: 07,4529?

De balans heeft vastgesteld dat de massa zo groot is dat in de zes posities die op het display beschikbaar zijn, 07.4529 de juiste weergave is. Betekent dit ook dat de massa 7.245290000000000000 is (of eventueel nog meer nullen als je dat nodig vindt.

Nee! De 9 is een afgerond cijfer. De werkelijke massa ligt tussen 7.45285000 en 7.4594999. Beide getallen leveren, als je ze afrond op 4 cijfers achter de komma 7.4529 op!

Het probleem van nauwkeurigheid wordt nog lastiger als je bedenkt hoe een hoeveelheid stof wordt afgewogen:

1. Weeg een bakje leeg.
2. Weeg het bakje met de af te wegen stof.
3. Trek de massa van het lege bakje af van de massa van het bakje plus stof.

In onderstaand voorbeeld is een en ander voorgerekend met de massa uit het vorige voorbeeld als massa van het lege bakje en 9.2067 als massa van het bakje plus stof. Als je aan het wegen bent, weet je niet of de balans naar boven of naar beneden afrond en ook niet hoeveel de werkelijke waarde verschilt van de door de balans aangegeven waarde. Voor de minimale hoeveelheid stof trek je dus de maximale waarde van het lege bake af van de minimale waarde van bakje plus stof. Voor de maximale hoeveelheid stof geldt juist dat je de minimale massa van het bakje aftrekt van de maximale massa van bakje plus stof:

Omschrijving	Massa op de balans	Laagste massa stof	Hoogste massa stof
Massa bakje plus stof	9.2067	9.20665	9.20675
Massa bakje leeg	7.4529	7.45295	7.45285
Massa stof	1.7538	1.75370	1.75390

Je geeft de massa van de stof dan op als 1.7538 ± 0.0001 gram.

In het tweede leerjaar komen we op dit onderwerp terug en worden de regels voor het afronden verder uitgewerkt. In het eerste leerjaar zal op het practicum steeds worden aangegeven in hoeveel cijfer (achter de komma) analyseresultaten moeten worden weergegeven.

Concentratie bepalen

Als je de concentratie van een stof gaat bepalen maak je gebruik van een van de twee volgende methoden:

1. je laat de stof reageren of
2. je maakt gebruik van een van de eigenschappen van de stoffen.

Titreren

In een titratie laat je de stof waarvan je de concentratie moet bepalen reageren met een stof waarvan je het aantal mol heel nauwkeurig kunt meten. Vaak betekent dit dat je deze stof afweegt. Niet alleen is het belangrijk dat je de massa van de stof weet, eigenlijk nog belangrijker is dat je zeker moet weten dat de afgewogen stof alleen bestaat uit de stof die je wilde afwegen en niet ook uit verontreinigingen. Stoffen die makkelijk heel zuiver gemaakt kunnen worden zijn geschikt als oertiterstof. Voor je eerste titratie ga je gebruik maken van de oertiterstof kaliumwaterstofftalaat.Met behulp van deze stof ga je de concentratie van een natriumhydroxide-oplossing zo nauwkeurig mogelijk bepalen. Je gaat net zolang natriumhydroxide-oplossing aan het afgewogen kaliumwaterstofftalaat toevoegen tot precies elk molecuul van die stof met een molecuul natriumhydroxide heeft kunnen reageren.

Chromatografie

In het hoofdstuk 'scheiden' is wel aangegeven dat stoffen op basis van hun eigenschappen gescheiden kunnen worden, maar is in het midden gelaten op welke manier die verschillen gebruikt kunnen worden om een scheiding tot stand te brengen. Op het op practicum ga je kennis maken met een scheidingsmethode die je waarschijnlijk nog niet eerder gebruikt hebt: Exclusiechromatografie.

Dit woord bestaat uit drie gedeelten:
Exclusie. Hierin herken je misschien het woord exclusief. Dit betekent in feite: alles buitensluiten, behalve speciale gasten. 
chro(o)m.Het Griekse woord voor kleur. 
Grafie. Schrijven, ook uit het Grieks overgenomen.>
Letterlijk dus: Schrijven met kleuren door buitensluiten van sommige stoffen.

Je gaat gebruikmaken van het verschil in grootte tussen moleculen van verschillende stoffen. Vooral in de biologie komen er grote verschillen voor tussen de stoffen. Naast een stof als keukenzout dat maar uit twee atomen bestaat, en insuline dat uit ongeveer 700 atomen bestaat zijn er ook stoffen als DNA waarin makkelijk tot tien miljoen atomen kunnen voorkomen.

In het practicum maak je gebruik van een speciaal soort plastic, hier vaak hars genoemd. Het plastic bestaat uit bolletjes waarin kanaaltjes zitten die wijd beginnen, maar langzaam steeds smaller worden.

De chromatografie begint met een pijpje waarin het hars zit, samen met het oplosmiddel. Het niveau van het oplosmiddel staat zo dat de bovenkant van de hars net droog is gevallen. Het te scheiden mengsel breng je voorzichtig op de kolom zonder het met de hars te mengen. Dan zet je het kraantje onderaan de harskolom open en laat je het mengsel langzaam in het bovengedeelte van de kolom trekken. Als de bovenkant van de hars weer net drooggevallen is sluit je het kraantje van de kolom. Nu breng je een klein beetje oplosmiddel op de kolom. Door het kraantje te openen en op tijd weer te sluiten laat je de hoeveelheid oplosmiddel ook in de kolom trekken. Dit herhaal je vier keer, dan kun je grotere hoeveelheden vloeistof op de kolom brengen.

Wat gebeurt er intussen met de moleculen in het mengsel? Het mengsel bestaat uit kleine, middelmaatjes en grote moleculen. De grote moleculen komen bij de hars, maar kunnen niet in de kanaaltjes. Zij spoelen dus gewoon met het oplosmiddel mee en komen als eerste uit de kolom.

De middelmaat moleculen passen wel in het begin van de kanaaltjes maar kunnen uiteindelijk niet verder. Door diffusie komen deze moleculen ook weer uit de hars ik de stroom oplosmiddel terecht en uiteindelijk ook bij het uiteinde van de kolom. Middelmaat moleculen zullen dus als tweede uit de kolom komen.

De kleine moleculen kunnen veel dieper in de hars doordringen en zijn dus veel langer onderweg om via diffusie weer uit de hars te komen. Deze moleculen komen dus als laatste uit de kolom.