Les 3
Atomaire massa
Covalente verbindingen zijn stoffen die ontstaan wanneer niet-metaalatomen zich chemisch met elkaar verbinden. De meeste verbindingen hebben een vaste atoomsamenstelling. De formule van een stof geeft de atoomsamenstelling aan. Bijvoorbeeld, glucose, een enkelvoudige suiker, heeft de formule C6H12O6. Dit betekent dat 6 koolstofatomen gebonden zijn aan 12 waterstofatomen en 6 zuurstofatomen, in elk glucosemolecuul. In theorie kunnen we de elementen C, O en H in de juiste verhoudingen combineren en een glucosemolecuul maken. Koolstof, in zijn meest voorkomende staat, bestaat als vaste stof, grafiet. Zuurstof bestaat als het diatomische gasmolecuul, O2 en waterstof bestaat als het diatomische gas, H2.
Het kleinst waarneembare vlekje grafiet zou ongeveer 1 x 1016 koolstofatomen bevatten, dus we zullen niet in staat zijn om een enkel atoom te wegen. In plaats daarvan is een waarde toegekend aan de massa van één koolstofatoom. Per definitie is de atoommassa van 12C (koolstof met 6 protonen en 6 neutronen) vastgesteld op 12 amu (atoommassa-eenheden). Wanneer je echter de atoommassa van koolstof in een tabel opzoekt, wordt deze weergegeven als 12,01 amu. Dit komt omdat koolstof in een aantal verschillende isotopen bestaat. De meest voorkomende isotopen van koolstof zijn 12C en 13C (6 protonen en 7 neutronen). Het amu van 13Ch is bepaald op 13,00335 amu. Het is zwaarder dan 12C omdat het een extra neutron heeft en omdat neutronen een iets hogere massa hebben dan protonen. 12C komt meer voor (98,9%) dan13C (1,10%), daarom ligt de vermelde massa van C dichter bij 12(12,01) dan bij 13,00335. De vermelde atoommassa vertegenwoordigt een gemiddelde atoommassa van in de natuur voorkomende koolstof. Deze werd als volgt berekend:
gemiddelde atoommassa van C = (.9890)(12 amu) + (.01100)(13.00335) = 12.01 amu
Geen enkel koolstofatoom heeft een massa van 12.01 amu. De meeste koolstofatomen hebben een atoommassa van 12 amu en een paar hebben een atoommassa van 13,00335 amu. De atoommassa van H is vastgesteld op 1,0079 amu en die van O op 15,9994 amu. Ook dit zijn gemiddelde waarden van de gangbare isotopen van deze elementen.
Avogadro’s Getal en Molaire Massa
Nu hebben we een maat voor de relatieve massa’s van de elementen. Het zou van praktisch nut zijn om amu op de een of andere manier om te zetten in grammen, een eenheid die we daadwerkelijk kunnen meten. Zelfs het kleinste monster van een element bevat een enorm aantal atomen. Daarom zou het handig zijn om een speciale eenheid te hebben, die een zeer groot aantal atomen beschrijft. Deze eenheid wordt mol genoemd en is de SI-eenheid van hoeveelheid. Papier wordt verkocht per pak (500 vellen), eieren per dozijn (12), atomen en moleculen worden gemeten in mollen. Een mol is gedefinieerd als het aantal 12C-atomen in precies 12 gram 12C. Dit aantal is experimenteel vastgesteld op 6,022 x 1023 en wordt het getal van Avogadro genoemd, NA.
6,022 x 1023atomen 12C = 12 g 12C
1 atoom 12C= 12 amu
6,022 x 1023atomen = 1 mol atomen
Met deze omrekeningsfactoren kunnen we de massa van een enkel 12C-atoom bepalen.
12g 12C 6,022 x 1023 atomen =12 g/mol = molaire massa van 12C
6,022 x 1023atomen 1 mol
De atoommassa’s van alle elementen zijn getabelleerd als amu. Dit zelfde getal is ook de molaire massa, in g/mol, van elk element.
Dus, als we een monster van 12,01 g koolstof afwegen, zouden we 6,022 x 1023 atomen koolstof in ons monster hebben. Als we kijken naar de formule voor glucose (C6H12O6), zien we dat we twee keer zoveel H-atomen als C-atomen nodig hebben. Ons monster van 12,01 g koolstof bevat 1 mol koolstofatomen. We hebben dus 2 mol H-atomen nodig. Hoeveel gram H-atomen zou dit zijn? We kunnen de omrekeningsfactor van amu naar gram/mol van een stof gebruiken.
2mol H 1,0079 g H = 2,0158 g H
mol H
Hoeveel zuurstof zou er nodig zijn? De formule geeft aan dat we voor elke mol koolstof één mol zuurstof nodig hebben. We hebben dus 1 mol O-atomen nodig.
1 mol O 15,9994g O = 15.9994 g O
mol O
Onze uitgangsmaterialen zouden 12,01 g + 2,0158 g + 15,9994 g = 30,03 g wegen.
Dit zou ook de massa zijn van de glucose die uit deze elementen gemaakt kan worden. Hoeveel mol en molecuul glucose zou dit zijn?
De massa van één molecuul glucose, C6H12O6, zou de som zijn van de atoommassa’s van de elementen:
6 x 12,011 (amu van C) + 12 x 1,0079 (amu van H) + 6 x 15,9994(amu van O) = 180,157 amu
180,157 amu = 180.157 g/mol
30.03 g glucose 1 mol glucose = 0,1667 mol glucose
180.157 g glucose
0,1667mol glucose 6,022 x 1023moleculen glucose = 1.004 x 1023moleculen glucose
mol glucose
Percentuele samenstelling
Een andere manier om de samenstelling van een stof te beschrijven is in termen van haar procentuele samenstelling, het massapercentage van de elementen in die stof. Dit is informatie die proefondervindelijk kan worden verkregen, en die kan worden gebruikt om de empirische formule van een verbinding af te leiden, zoals hieronder zal worden besproken. Laten we nu eens definiëren wat bedoeld wordt met procentuele samenstelling door de procentuele samenstelling van natriumnitriet, NaNO2, te bepalen. Bereken eerst de molaire massa:
molaire massa = 1 mol Na (22,99 g/mol)
+1 mol N (14,01 g/mol)
+2 mol O (16,00 g/mol)
69,00g/mol NaNO3
De procentuele samenstelling van de elementen is dan:
% Na = 22.99g x 100% = 33,32%
69,00g
% N = 14,01g x 100% = 20,30%
69,00g
%O = 32,00g x 100% = 46,38%
69,00g
Het is mogelijk deze methode te gebruiken om de formule van een onbekende stof te bepalen.
Analyse van een onbekende verbinding geeft de volgende procentuele samenstelling:
40,92 gewichtsprocent koolstof
4,58 gewichtsprocent waterstof
54.50% zuurstof, naar gewicht
Veronderstel eerst dat je te maken hebt met een onbekende hoeveelheid, zeg 100 gram.
40,92 % = 0,4092 x 100 g = 40,92 g C
4,58 % = 0,058 x 100 g = 4,58 g H
54,50 % = 0,5450 x 100 g = 54.50 g O
Aangezien atomen zich op molaire basis combineren en niet op basis van massa, moeten deze grammen elementen worden omgerekend naar mol van de verschillende elementen.
40,95g C 1 mol C = 3,407 mol C
12,01 g C
4.58g H 1 mol H = 4,54 mol H
1,008 g H
54,5g O 1 mol O = 3,406 mol O
16,00 g O
Deze getallen geven het relatieve aantal mol van elk van de drie elementen in de verbinding aan. We kunnen nu op basis daarvan een formule schrijven:
C3,407 H4,54O3,40
Echter, hele atomen combineren tot moleculen, niet fractionele atomen. Deel dus elk van deze factoren door de kleinste factor, 3,406. Dit geeft:
CH1.333O
Er is nog steeds een fractioneel subscript. Zoek een factor, die 1,333 omzet in een geheel getal:
1,333 x 1 = 1,333
1,333 x 2 = 2,666
1,333 x 3 = 4,000
1,333 x 4 = 5.333
Vermenigvuldig nu alle subscripts met deze factor:
C3H4O3
Dit wordt de empirische formule genoemd, die u de relatieve aantallen van elk type atoom in dit molecuul vertelt. Dit betekent dat het molecuul zou kunnen zijn:
C3H4O3
C6H8O6
C9H12O9
met andere woorden, (C3H4O3)n
De empirische formule massa (C3H4O3)is: 3(12,01 g/mol C)
+4(1,008 g/mol H)
+3(16,00 g/mol O)
88,06 g/mol
Dit betekent dat de molecuulmassa een veelvoud van deze waarde zal zijn. Als ons wordt verteld dat de molecuulmassa 176,12 g/mol is, kunnen we de molecuulformule bepalen.
(C3H4O3)n =176,12 g/mol
(C3H4O3) = 88,06g/mol
(88,06)n = 176,12
n = 2
Dus zou de molecuulformule C6H8O6 zijn.
Het meest gebruikte gebruik van deze berekeningen is het bepalen van de empirische massa voor een nieuwe of onbekende verbinding op basis van de producten die ontstaan bij verbranding van de onbekende (verbrandingsreactie). Bij deze reactie wordt alle koolstof in de verbinding omgezet in CO2, kooldioxide. Alle waterstof in de verbinding wordt omgezet in H2O, water. De massa’s van CO2 en H2O worden zorgvuldig gemeten en vervolgens gebruikt om tot een empirische formule te komen.
11,5 g van een onbekende verbinding wordt verbrand, waarbij 22,0 g CO2 en 13,5 g H2O ontstaat. Wat is de empirische formule van de verbinding?
Alle koolstof in de CO2 kwam uit het monster. Bereken dus eerst het aantal mol koolstof in de 22,0 g CO2.
22,0 g CO2 mol CO2 1 mol C = 0,500 mol C
44,01 g CO2 1 mol CO2
Al het waterstof in het water kwam van de onbekende, dus bereken het aantal mol waterstof in de 13,5 g H2O.
Bereken dus het aantal mol waterstof in de 13,5 g H2O.
Alle waterstof in het water kwam van de onbekende, dus bereken het aantal mol waterstof in de 13,5 g H2O.5 g H2O.
13,5 g H2O 1 mol H2O 2 mol H = 1,50 mol H
18,03 g H2O 1 mol H2O
We moeten ook bepalen of de zuurstof in de CO2 en H2O afkomstig was van de onbekende, of dat het omgevingszuurstof was die bij de verbrandingsreactie werd gebruikt. Om dit te bepalen, moeten we de massa van het onbekende vergelijken met de massa van de waterstof en de koolstof waarvan we weten dat ze van het onbekende afkomstig zijn.
massaonbekend = massa waterstof + massa koolstof + massa zuurstof
massawaterstof = 1,50 mol H 1,0079 g H = 1.51 g H
1 mol H
massakoolstof= 0,500 mol O 12,011 g C =6,00 g O
1 mol C
massaonbekend = 11.5 g = 1,51 g + 6,00 g + massa zuurstof
massa zuurstof = 4,0 g
Dus 4,0 g van de zuurstof moet uit het onbekende gekomen zijn. Zet dit om in mol zuurstof
4,0 g O 1 molO = 0,25 mol O
15,9994 g O
Nu kunnen we de empirischeformule van de onbekende bepalen. Eerst substitueren we de berekende aantallen mol in de formule: