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