Nieuwe Scheikunde 

Het nieuwe programma moest Uitgaan van een context-concept

benadering Aansluiten bij de grote vragen van deze

tijd Laten zien dat bij wetenschappelijk

onderzoek geen scheidslijnen tussen debetavakken bestaan.

Nieuwe Scheikunde 

Maar ook • Nadruk leggen op leren begrijpen van de chemie,meer expliciet:

• de chemische denkwijze aanleren: heen en weer denken tussen macrowereld endeeltjesmodel.

• Leiden tot een andere, meer logische, ordening van de vakbegrippen

Deeltjesmodel 

Feynman komt de veel geciteerde uitspraak: 

"Everything that living things do can be understood in terms of the jiggling and wiggling of atoms" (1963) 

Erg overmoedig.

Maar 50 jaar later is Feynman’s jiggling and wiggling herontdekt:

Door de biochemici: Molecular dynamics 

Uit een cursus MD Even though we know matter consists of interacting particles in motion at least since Boltzmann in the 19th century, many still think of molecules as rigid “museum models”. 

Richard Feynman said in 1963 that "everything that living things do can be understood in terms of the jiggling and wiggling of atoms." 

One of the key contributions of molecular simulations is creating awareness that molecules like proteins and DNA are machines in motion. MD probes the relationship between molecular structure, motion, and function.

Molecular dynamics

Molecular dynamics probeert mbv van de bewegingswetten en bindingsmodellen  te berekenen hoe atomen/moleculen bewegen

Numeriek: begintoestand met  aantal deeltjes, de posities, de snelheden,  de krachten  en van daaruit nieuwe toestand berekenen.  

Eenvoudig model 

• een koperatoom hecht zich aan een koper‐rooster

• Let op de tijdschaal 

Vouwen eiwit

• Protein_folding space filling.mp4

• Watermoleculen niet weergegeven

Zelforganisatie dubbellaag  

• this video shows the spontaneous self‐assembly of dendrimeric surfactant molecules in water studied with coarse grain molecular dynamics. The specific molecule shown in this example was designed to self‐assemble fast and produce very stable bilayers. 

• Bilayer_formation_through_molecular_self‐assembly.mp4   (met watermoleculen) 

• The simulation covers about 20 nanoseconds simulation time. 

• De simulatie wordt circa vier miljard keer trager weergegeven dan het werkelijke proces volgens de berekening zou duren.  

Rijp voor het museum ? Voorbeeld Klas 3 

verbrandingsreacties, vuur ….Verbrandingen: de reactie tussen brandstof met zuurstof levert oxide(n) en warmte . Bv hout verbrandt tot koolstofdioxide en water. 

C6H10O5 + 6 O2 6 CO2 + 5 H2O   exotherm Wat hebben chemici toch met reactievergelijkingen. 

Feynmann over vuur Hij probeert die opvallende verschijnselen van vuur te begrijpen door zich voor te stellen wat er gebeurt met die atomen.

Verder is hij niet bang om te simplificeren: koolstof en zuurstofatomen houden van elkaar.

•Feynman_Fun_to_Imagine_2_Fire.mp4 •http://www.youtube.com/watch?v=ITpDrdtGAmo

Veiligheidslucifer 

Scheikunde: Eerst reageren fosfor en kaliumchloraat 6 P + 5 KClO3 3 P2O5 + 5 KCl exotherm

dan hout met zuurstofC6H10O5 + 6 O2 6 CO2 + 5 H2O exotherm

Veiligheidslucifer, meer details 

• eerst schuren/wrijving)  4 P  P4

• dan  3 P4+10  KClO3 6 P2O5 +  10 KCl   

• daarna Sb2S3 + 9 KClO3 ‐> KCl + Sb2O3 + 3 SO2

tenslotte C6H10O5 + 6 O2 6 CO2 + 5 H2O 

Het andere verhaal in de lijn van Feynman, meer dynamiek 

• Macro:  brand, warmte, vuur,(nieuwe stoffen)

• Micro: warmtebeweging,  botsen, nieuwe combinaties, atomen met voorkeur    

LuciferHoe krijg je hout aan het branden?    Hoge Temperatuur 

Rand doosje:  fosfor   PLuciferkop:  kaliumchloraat KClO3

Beiden bijzondere stoffen: atomen  houden niet erg van elkaar, onderlinge binding en zijn zwak  

Zuurstof en fosfor “willen” wel bijeen.Wat houdt ze tegen: afstand  én de zwakke bindingen

Actie:  kop langs zijkant schuren: contact en warmte, warmte zorgt  voor meer beweging, botsingen, los!  P en O binden zich, P2O5 :veel warmte

In de kop reageren nu ook andere stoffen  Nog heter Hout ontleedt en brandt 

Vragen voor docenten bij verhaal

• Welk verhaal hoort in de derde klas: eerste, tweede, alle twee, of… ? • Welk is “moeilijker”, welk is “chemischer”? • Welk verhaal biedt mogelijkheden om te redeneren, te verklaren, 

argumenteren 

• In het tweede verhaal zijn macrotermen (beschrijvende termen) enmicrotermen (modeltermen) door elkaar gebruikt.a. Zoek een of enkele zinnen waarin dat gebeurt en geef een formulering die past bij het beschrijvende verhaal.b. Welk verhaal vind je “chemischer” het eerste of het tweede?

• c. Wat verwacht je voor antwoord van jouw leerlingen op deze vraag?d. Welk van de twee verhalen biedt de meeste mogelijkheden om teredeneren of te argumenteren?

• e. Dezelfde vraag voor de mogelijkheid om te verklaren. 

Vragen voor leerlingen bij het verhaal:

1. Waarom is de fosfor gemengd met fijngemalen glas?2. Waarom zit de fosfor niet in de luciferkop?Er zijn lucifers die je aan kunt steken door de kop langs bv 

een muur te strijken. 3. Waarin verschilt de samenstelling van de kop van dat 

soort lucifers van de kop van een veiligheidslucifer?

4. Leg uit hoe de ene lucifer de andere kan aansteken5. Waarom kunnen veiligheidslucifers exploderen? 

Video’s van luciferkoppen. 

• kettingreactie lucifers

• Miljoen lucifers bom

Warmte‐beweging

• Deeltjes vliegen en tollen rond (translatie en rotatie) • en deeltjes vibreren, vervormen 

Gasdeeltjes eiwit-molecuul Hogere T hogere snelheid, Hogere Tvaker en harder botsen. heftiger bewegen, vervormen

Hoe bewegen deeltjes? 

Berekende animaties voor gasdeeltjes 

http://www.falstad.com/gas/Snelle computers rekenen bij elke botsing de nieuwe snelheden uit mbv de botsingswetten van Newton.

Bezwaar: 200 atomen is niet te vergelijken met de 1022 helium-atomen in een liter heliumgas.

http://www.schulphysik.de/java/physlet/applets/druck1.html(begin bv met één snel deeltje) http://www.schulphysik.de/java/physlet/applets/maxwell.htmlhttp://www.stolaf.edu/depts/chemistry/imt/js/banana/index.htm

Theoretische snelheidsverdeling van zuurstofmoleculen volgens Maxwell‐Boltzmann  bij ‐100 oC, bij 20 oC en bij 600 oC  

Merk op: zuurstofmoleculen bewegen met honderden meter per seconde

Warmtebeweging en energie

Temperatuur, snelheidsverdeling, activeringsenergie, 

•Een reactie verloopt alleen als de temperatuur hoog genoeg is om de activeringsenergie te leveren (botsingen).

Warmtebeweging en energie 

Model Binding – energie

Model trillend molecuul

Door de botsingen gaan de moleculen trillen. Ze kunnen zelfs “kapot trillen”. Dat is een extra reden waarom bij hogere temperatuur reacties zoveel sneller verlopen. De moleculen staan al op springen.

• Door temperatuurstijging gaan de bindingen steeds meer vibreren, de bindingsenergie van de begin en eindstoffen stijgt,

• Het energiediagram wordt platter.

energiediagram en temperatuur 

Waarom processen verlopen vereist een notie van entropie.

Grote namen van Schrödinger tot Atkins: 

Een basaal begrip van entropie hoort bij algemeen ontwikkeling en zeker bij scientific literature.

Echter Niet in de syllabus voor het CE 

Why things change

Entropie op microniveau 

Macro‐toestand en micro‐toestanden

Spontane verandering naar een andere macrotoestand gebeurt alleen als multipliciteit/waarschijnlijkheid toeneemt.

Why things change

Meer spreiding van deeltjes en energie. 

Voor chemici belangrijk:

Toename van multipliciteit kan door  

•Exotherme reactie, enthalpiedaling, er is meer energie te verdelen.  Enthalpie gestuurd 

•Toename van vrije deeltjes en grotere spreiding van deeltjes.  Entropie gestuurd 

multipliciteit/waarschijnlijkheid 

Twee soorten (moleculaire) stoffen: 

•hydrofiele stoffen: met mogelijkheid H‐bruggen 

•hydrofobe zonder mogelijkheid  H‐bruggen. 

soort zoekt soort. 

Waarom?

Mengen of niet mengen.

1.Water en ethanol mengen doordat ze onderling waterstofbruggen kunnen vormen.

2.Benzine en olie mengen omdat ze onderling Van Der Waalsbindingen kunnen vormen. 

Correct of niet? 

Verklaren soort zoekt soort

• Waarom mengen water en benzine niet 

Verklaren soort zoekt soort

Water en benzine mengen niet omdat ze onderling geen waterstofbruggen kunnen vormen. 

Extra toelichting:

Benzinemoleculen tussen de watermoleculen hinderen bij de vorming van waterstofbruggen. 

Door de sterke waterstofbruggen worden de benzinemoleculen/druppeltjes weggedrukt    

Correct?

Verklaren soort zoekt soort 

De verklaringen gebruiken bindingen. 

meer/sterke bindingen betekent exotherm. 

Echter bv suiker in water: endotherm   5,4 kJ/mol 

Oploswarmte van koolwaterstoffen in water soms positief, soms negatief.

Met bindingen kom je er niet 

Oploswarmte

Eerste regel: 

Alles mengt tenzij Mengen betekent spreiding van deeltjes. 

Als stoffen niet mengen moet er iets bijzonders aan de hand zijn.

Verklaren mengen 

• Molecular dynamics

• Water rond een hydrofoob deeltje  

Hydrofoob effect: watermoleculen rond hydrofoob deeltje zijn verstard omdat ze minder keuze hebben om waterstofbruggen te verwisselen. 

Verklaring soort zoekt soort

Waarom mengen water en benzine niet

CE 2011 pilot

• Klassiek, officieel (IUPAC) : The attractive or repulsive forces between molecular entities (or between groups within the same molecular entity) other than those due to bond formation or to the electrostatic interaction of ions or of ionic groups with one another or with neutral molecules. 

van der Waals krachten

• The term includes: dipole–dipole, dipole‐induced dipole and London (instantaneous induced dipole‐induced dipole) forces. The term is sometimes used loosely for the totality of nonspecific attractive or repulsive intermolecular forces. 

Van der Waals krachten 

P. Debye

Physikalische Zeitschrift, Vol. 21, pages 178-187 1920

London Krachten volgens Debeye

• Relative magnitude• Dispersion forces are usually dominant of the three van der Waals forces (orientation, induction, dispersion) between atoms and molecules, with the exception for molecules that are small and highly polar, like of water. 

De belangrijkste van de drie 

• The following contribution of the dispersion to the total intermolecular interaction energy has been given:[7]

• 7^ J. Israelachvili, "Intermolecular and Surface Forces", 2nd edition, Academic Press, 1992.

.Contribution of the dispersion to the total intermolecular interaction energy

Molecule pair  % of the total energy of interaction 

Ne‐Ne  100 

CH4‐CH4  100 

HCl‐HCl  86 

HBr‐HBr  96 

HI‐HI  99 

CH3Cl‐CH3Cl  68 

NH3‐NH3  57 

H2O‐H2O  24 

HCl‐HI  96 

H2O‐CH4  87 

 

Lijst van web adressen voor de filmpjes

Example of a molecular dynamics simulation in a simple system: deposition of a single Cu atom on a Cu (001) surface. Each circle illustrates the position of a single atom; note that the actual atomic interactions used in current simulations are more complex than those of 2-dimensional hard spheres.

Bilayer_formation_through_molecular_self‐assembly.mp4 

http://www.youtube.com/watch?v=lm‐dAvbl330&feature=related 

 

his video shows the spontaneous self‐assembly of dendrimeric surfactant molecules in water studied with coarse grain molecular dynamics. The specific molecule shown in this example was designed to self‐assemble fast and produce very stable bilayers.  

 

The simulation covers about 20 nanoseconds simulation time. De simulatie wordt dus meer dan een miljard keer trager weergegeven dan het berekende werkelijke proces.   

 

Feynmann over vuur   video Feynman_Fun_to_Imagine_2_Fire.mp4   

http://www.youtube.com/watch?v=ITpDrdtGAmo

http://www.youtube.com/watch?v=v3pYRn5j7oI

 

Video’s van veld van luciferkoppen. Chain_Reaction.mp4

http://www.youtube.com/watch?v=FQGtpo2IUxA&feature=fvwrel 

 

 

 

Elk watermolecuul kan met vier waterstofbruggen koppelen aan andere watermoleculen: ijs  

In water is,  afhankelijk van de temperatuur een groter/kleiner deel van die waterstofbruggen verbroken, laten we uitgaan van gemiddeld twee 2 H‐bruggen in tact.  

Een watermolecuul in de bulk heeft 6 mogelijkheden om met twee waterstofbruggen aan twee andere watermoleculen te koppelen. Daartussen wordt voortdurend gewisseld. Zo kan het watermolecuul bewegen met steeds twee waterstofbruggen intact.  

http://www.edinformatics.com/math_science/md_wat.htm 

Zodra een watermolecuul aan de buitenkant terecht komt verliest het naburige watermoleculen én mogelijkheden om tussen waterstofbruggen te wisselen.  Met ‘’een buurmolecuul minder blijven nog maar drie mogelijkheden over met twee buren minder helemaal geen.  Er blijven wel twee waterstofbruggen per molecuul ‐ daardoor is er nauwelijks enthalpietoename‐  maar het watermolecuul is ahw verstard, vergelijkbaar met de toestand in ijs.  

Deze verlaging van de bewegingsvrijheid, (realiseringsmogelijkheden/ entropie) houdt het  mengen tegen. Water probeert het contactoppervlak met het apolaire “medium” te verkleinen  ontmengen.  

Hydration_Shell_Dynamics_of_a_Hydrophobic_Particle‐1.mp4 

http://www.youtube.com/watch?v=ETMmH2trTpM&feature=related 

The movie captures 5 picoseconds of a molecular dynamics simulation of a hydrophobic Xenon particle dissolved in liquid water at 275 K and ambient pressure conditions. Shown are the water molecules in the hydration shell, as well as the fluctuating hydrogen bond network. Note the volatility of the hydrogen bond network, and the preferential straddling geometry adopted by the first shell water molecules, trying to keep the hydrogen bond network intact. The position of the "camera" is rotating around the hydrophobic particle and moving with the