CHEM 1305 Inleidende scheikunde

Leerdoelen

Aan het eind van dit deel zult u in staat zijn om:

• Ionische en moleculaire (covalente) verbindingen definiëren
• Het type verbinding voorspellen dat uit elementen wordt gevormd op basis van hun plaats in het periodiek systeem
• Formules bepalen voor eenvoudige ionische verbindingen

Figuur 1. (a) Een natriumatoom (Na) heeft evenveel protonen als elektronen (11) en is ongeladen. (b) Een natriumkation (Na+) heeft een elektron verloren, dus heeft het een proton (11) meer dan elektronen (10), waardoor het een positieve lading heeft, aangegeven met een plusteken in superscript.

Figuur 2. Sommige elementen vertonen een regelmatig patroon van ionische lading wanneer zij ionen vormen.

Voorbeeld 1: Samenstelling van ionen

Een ion dat voorkomt in sommige verbindingen die als antitranspiratiemiddel worden gebruikt, bevat 13 protonen en 10 elektronen. Wat is zijn symbool?

Check Your Learning

Geef het symbool en de naam voor het ion met 34 protonen en 36 elektronen.

Example 2: Vorming van ionen

Magnesium en stikstof reageren tot een ionische verbinding. Voorspel welk ion een anion vormt, welk een kation, en de ladingen van elk ion. Schrijf het symbool voor elk ion op en noem ze.

De ionen die we tot nu toe hebben besproken worden mono-atomaire ionen genoemd, dat wil zeggen, het zijn ionen die uit slechts één atoom worden gevormd. We vinden ook veel polyatomische ionen. Deze ionen, die als discrete eenheden fungeren, zijn elektrisch geladen moleculen (een groep gebonden atomen met een totale lading). Enkele van de belangrijkste polyatome ionen zijn vermeld in tabel 1. Oxyanionen zijn polyatomische ionen die één of meer zuurstofatomen bevatten. Op dit punt in je studie scheikunde moet je de namen, formules en ladingen van de meest voorkomende polyatomische ionen onthouden. Omdat je ze herhaaldelijk zult gebruiken, zullen ze snel vertrouwd worden.

Merk op dat er een systeem is voor de naamgeving van sommige polyatomische ionen; -ate en -ite zijn achtervoegsels die polyatomische ionen aanduiden die meer of minder zuurstofatomen bevatten. Per- (afkorting van “hyper”) en hypo- (wat “onder” betekent) zijn voorvoegsels die respectievelijk meer zuurstofatomen dan -ate en minder zuurstofatomen dan -ite betekenen. Perchloraat is bijvoorbeeld {text{ClO}}_{4}{}^{-}, chloraat is {text{ClO}}_{3}{}^{-}, chloriet is {text{ClO}}_{2}{}^{-} en hypochloriet is ClO-. Helaas is het aantal zuurstofatomen dat bij een bepaald achtervoegsel of voorvoegsel hoort niet consequent; nitraat is bijvoorbeeld {\text{NO}}_{3}{}^{-} terwijl sulfaat {\text{SO}}_{4}{}^{2-} is. Dit wordt meer in detail behandeld in de volgende module over nomenclatuur.

De aard van de aantrekkingskrachten die atomen of ionen binnen een verbinding bij elkaar houden, is de basis voor het classificeren van chemische bindingen. Wanneer elektronen worden overgedragen en ionen worden gevormd, ontstaan ionische bindingen. Ionische bindingen zijn elektrostatische aantrekkingskrachten, dat wil zeggen, de aantrekkingskrachten die optreden tussen objecten met tegengestelde elektrische lading (in dit geval, kationen en anionen). Wanneer elektronen worden “gedeeld” en moleculen worden gevormd, ontstaan covalente bindingen. Covalente bindingen zijn de aantrekkingskrachten tussen de positief geladen kernen van de gebonden atomen en een of meer paren elektronen die zich tussen de atomen bevinden. Verbindingen worden geclassificeerd als ionisch of moleculair (covalent) op basis van de bindingen die erin aanwezig zijn.

Ionische verbindingen

Wanneer een element dat bestaat uit atomen die gemakkelijk elektronen verliezen (een metaal), reageert met een element dat bestaat uit atomen die gemakkelijk elektronen winnen (een niet-metaal), vindt er gewoonlijk een overdracht van elektronen plaats, waarbij ionen worden gevormd. De verbinding die door deze overdracht wordt gevormd, wordt gestabiliseerd door de elektrostatische aantrekking (ionische bindingen) tussen de ionen met tegengestelde lading die in de verbinding aanwezig zijn. Wanneer bijvoorbeeld elk natriumatoom in een natriummetaalmonster (groep 1) één elektron afstaat om een natriumkation Na+ te vormen en elk chlooratoom in een chloorgasmonster (groep 17) één elektron afstaat om een chloride-anion Cl- te vormen, is de resulterende verbinding NaCl samengesteld uit natriumionen en chloride-ionen in de verhouding van één Na+-ion voor elk Cl-ion. Op dezelfde manier kan elk calciumatoom (groep 2) twee elektronen afstaan en er een overdragen aan elk van de twee chlooratomen om CaCl2 te vormen, dat is samengesteld uit Ca2+- en Cl-ionen in de verhouding van één Ca2+-ion voor twee Cl-ionen.

Een verbinding die ionen bevat en bijeen wordt gehouden door ionische bindingen, wordt een ionische verbinding genoemd. Het periodiek systeem kan ons helpen veel ionische verbindingen te herkennen: Wanneer een metaal wordt gecombineerd met een of meer niet-metalen, is de verbinding meestal ionisch. Deze richtlijn werkt goed voor het voorspellen van de vorming van ionische verbindingen voor de meeste verbindingen die men gewoonlijk in een inleidende scheikundecursus tegenkomt. Het is echter niet altijd waar (bijvoorbeeld aluminiumchloride, AlCl3, is niet ionisch).

Je kunt ionische verbindingen vaak herkennen aan hun eigenschappen. Ionische verbindingen zijn vaste stoffen die meestal smelten bij hoge temperaturen en koken bij nog hogere temperaturen. Natriumchloride bijvoorbeeld smelt bij 801 °C en kookt bij 1413 °C. (Ter vergelijking: de moleculaire verbinding water smelt bij 0 °C en kookt bij 100 °C.) In vaste vorm is een ionische verbinding niet elektrisch geleidend, omdat de ionen niet kunnen stromen (“elektriciteit” is de stroom van geladen deeltjes). In gesmolten toestand kan het echter wel elektriciteit geleiden, omdat zijn ionen zich vrij door de vloeistof kunnen bewegen (figuur 3).

Figuur 3. Natriumchloride smelt bij 801 °C en geleidt elektriciteit wanneer het gesmolten is. (krediet: bewerking van werk van Mark Blaser en Matt Evans)

In elke ionische verbinding is het totale aantal positieve ladingen van de kationen gelijk aan het totale aantal negatieve ladingen van de anionen. Dus, ionische verbindingen zijn elektrisch neutraal over het geheel, ook al bevatten ze positieve en negatieve ionen. We kunnen deze observatie gebruiken om ons te helpen de formule van een ionische verbinding te schrijven. De formule van een ionische verbinding moet een zodanige verhouding van ionen hebben dat de aantallen positieve en negatieve ladingen gelijk zijn.

Voorbeeld 3: De formule van een ionische verbinding voorspellen

De edelsteen saffier (figuur 4) is grotendeels een verbinding van aluminium en zuurstof die aluminiumkationen, Al3+, en zuurstofanionen, O2-, bevat. Wat is de formule van deze verbinding?

Figuur 4. Hoewel zuiver aluminiumoxide kleurloos is, geven sporen van ijzer en titanium blauwe saffier zijn karakteristieke kleur. (credit: modificatie van werk van Stanislav Doronenko)

Toon antwoord

Omdat de ionische verbinding elektrisch neutraal moet zijn, moet deze hetzelfde aantal positieve en negatieve ladingen hebben. Twee aluminiumionen, elk met een lading van 3+, zouden ons zes positieve ladingen geven, en drie oxide-ionen, elk met een lading van 2-, zouden ons zes negatieve ladingen geven. De formule zou zijn Al2O3.

Check Your Learning

Bepaal de formule van de ionische verbinding die gevormd wordt tussen het natriumkation, Na+, en het sulfide-anion, S2-.

Toon antwoord

Na2S

Vele ionische verbindingen bevatten polyatomische ionen (tabel 1) als kation, anion, of beide. Net als bij enkelvoudige ionische verbindingen moeten ook deze verbindingen elektrisch neutraal zijn, zodat hun formules kunnen worden voorspeld door de meerwaardige ionen als afzonderlijke eenheden te behandelen. We gebruiken haakjes in een formule om een groep atomen aan te geven die zich als een eenheid gedragen. Bijvoorbeeld, de formule voor calciumfosfaat, een van de mineralen in onze botten, is Ca3(PO4)2. Deze formule geeft aan dat er drie calciumionen (Ca2+) zijn voor elke twee fosfaat-({text{PO}}_{4}{}^{3-})-groepen. De {text{PO}}_{4}{}^{3-} groepen zijn afzonderlijke eenheden, elk bestaande uit één fosforatoom en vier zuurstofatomen, en hebben een totale lading van 3-. De verbinding is elektrisch neutraal, en de formule bevat in totaal drie Ca, twee P, en acht O-atomen.

Omdat een ionische verbinding niet uit afzonderlijke moleculen bestaat, kan deze niet goed gesymboliseerd worden met een molecuulformule. In plaats daarvan moeten ionische verbindingen worden gesymboliseerd met een formule die de relatieve aantallen van de samenstellende kationen aangeeft. Voor verbindingen die alleen mono-atomaire ionen bevatten (zoals NaCl) en voor veel verbindingen die polyatomaire ionen bevatten (zoals CaSO4), zijn deze formules gewoon de empirische formules die eerder in dit hoofdstuk zijn geïntroduceerd. De formules voor sommige ionische verbindingen die polyatomische ionen bevatten, zijn echter geen empirische formules. Zo bestaat de ionische verbinding natriumoxalaat uit Na+ en {text{C}}_{2}{O}}_{4}{}^{2-} ionen gecombineerd in een 2:1 verhouding, en de formule wordt geschreven als Na2C2O4. De subscripts in deze formule zijn niet de kleinst mogelijke gehele getallen, omdat elk kan worden gedeeld door 2 om de empirische formule, NaCO2, te krijgen. Dit is echter niet de geaccepteerde formule voor natriumoxalaat, omdat het polyatomische anion van de verbinding, {text{C}}_{2}{O}}_{4}{}^{2-}, niet nauwkeurig wordt weergegeven.

Moleculaire verbindingen

Vele verbindingen bevatten geen ionen, maar bestaan uitsluitend uit afzonderlijke, neutrale moleculen. Deze moleculaire verbindingen (covalente verbindingen) ontstaan wanneer atomen elektronen delen, in plaats van overdragen (winnen of verliezen). Covalente binding is een belangrijk en uitgebreid begrip in de chemie, en het zal in een later hoofdstuk van deze tekst uitvoerig worden behandeld. We kunnen moleculaire verbindingen vaak identificeren aan de hand van hun fysische eigenschappen. Onder normale omstandigheden bestaan moleculaire verbindingen vaak als gassen, vloeistoffen met een laag kookpunt, en vaste stoffen met een laag smeltpunt, hoewel er veel belangrijke uitzonderingen bestaan.

Waar ionische verbindingen gewoonlijk worden gevormd door een combinatie van een metaal en een niet-metaal, worden covalente verbindingen gewoonlijk gevormd door een combinatie van niet-metalen. Het periodiek systeem kan ons dus helpen veel covalente verbindingen te herkennen. Hoewel we de positie van de elementen van een verbinding in het periodiek systeem kunnen gebruiken om te voorspellen of ze ionisch of covalent is, moet je je ervan bewust zijn dat dit een zeer simplistische benadering is die geen rekening houdt met een aantal interessante uitzonderingen. Er bestaan grijstinten tussen ionische en moleculaire verbindingen, en daarover leer je later meer.