H6 Water (Chemie)

§ 1 Inleiding - Water is een heel bekent begrip. De bekende molecuul formule voor water is uiteraard H2O, de stof heeft dus 2 waterstof atomen en 1 zuurstof (oxide) atoom. § 2 Dipoolmoleculen, polaire stoffen - Bij een atoombinding houdt het gemeenschappelijke elektronenpaar de twee positieve atoomresten bij elkaar, dit kan bijvoorbeeld voorkomen bij waterstof (H2): H : H - Er kan ook sprake zijn van atoombindingen met twee verschillende niet-metaal atomen, bijvoorbeeld waterstofchloride: H : Cl
Omdat de elektronegativiteit van chloor groter is dan die van de waterstof, wordt het elektronenpaar meer naar de chloor getrokken, hierdoor wordt chloor negatiever dan waterstof: δ+ H : Cl δ- De δ+ en δ- hebben een waarde tussen de 0 en 1. We spreken hier van een polaire atoombinding. De polaire atoombinding is op te vatten als de geleidelijke overgang van de atoombinding tussen de ionbinding. Ag3+ : CH3COO-1 - Dit is een ionbinding. Als je reactievergelijking van een metaal en een niet-metaal naar een zout zou er zo uit zien: Al3+ (aq) + 3 CH3COO-1 (aq) Al3+( CH3COO-1)3 (s) Als resultaat zou je dus vast aluminiumetanoaat hebben. Als in een molecuul polaire atoombindingen voorkomen en de ruimtelijke bouw van het molecuul de effecten daarvan niet opheft, hebben we met een dipoolmolekuul te maken. Bij een dipoolmolekuul treffen we in het molecuul een ladingsverdeling aan, waardoor de ene kant van het molecuul een beetje positief en de andere kant een beetje negatief is geladen. Als een stof uit dipoolmoleculen bestaat, hebben we een polaire stof. Een apolaire stof bestaat uit moleculen die geen dipolen zijn.
§ 3 Waterstofbruggen Om waterstofbruggen te maken moet je ten eerste de systematische naamgeving van hoofdstuk 3 nog goed weten en ten tweede moet je nog een uitbreiding van deze naamgeving weten. Nieuwe groepen waar we ons in gaan verdiepen zijn de –OH groep en de –NH2 groep. De –OH groep spreek je uit als “ol” en de –NH2 groep als “amine”. Nu twee voorbeelden met een stof die een –OH groep bevat en een stof die een –NH2 groep bevat: CH3 – OH CH3 – NH2
methanol methaanomine Bij de methaangroep (CH4) vervalt een H-atoom i.p.v. een OH-atoom, dit geldt het zelfde voor methaanamine maar nu met een NH2-atoom. Bepaalde stoffen, zoals NH3 (ammoniak), hebben een betrekkelijk hoog kookpunt. Dit kun je als volgt verklaren. We stellen voor dat een H δ+ atoom van het ene molecuul door het O δ- of het N δ- atoom van een ander molecuul wordt aangetrokken. Dit kun je weergeven als volgt: H – O - H H – O - H H2 – N - H
H – N – H2 H – O – H H2 – N - H
Waterstofbruggen bij H2O Waterstofbruggen bij NH3 Waterstofbruggen kun je overigens ook op een ander manier schrijven, namelijk H bruggen. H bruggen treden op tussen moleculen met een OH of NH groep. Deze bruggen komen ook voor tussen de moleculen van H en F. § 5 Proeven met water verklaard In § 4 hebben we proeven gedaan met water, ethanol en hexaan. Als je de proef goed uitgevoerd hebt, dan heb je gemerkt dat niet alles stoffen zich met water mengen. Voor de duidelijkheid zet ik hier even de naam van de stof met de bijbehorende molecuul formule: - water; H2O (l) - ethanol; C2H5OH (l) - hexaan; C6H14 (l) - paraffineolie; C12H26 (l) Tussen de moleculen van water heerst een sterke binding, de H bruggen. Als je water met een andere stof gaat mengen wil dat zeggen, dat de waterstof moleculen elkaar los moeten laten. Dit is alleen mogelijk als de stof waarmee water gaat mengen ook H bruggen kan maken. Als je naar ethanol kijkt, dan zie je dat er een OH groep en een alkylgroep inzit. Ethanol kan dus wel H bruggen veroorzaken met water en dus zich mengen. Wel is het zo dat de mengbaarheid van water afneemt naarmate er een alkylgroep inzit. Dit is te verklaren, de H bruggen gaan breken en er komen geen nieuwe bindingen bij. Conclusie: er worden meer H bruggen gebroken dan er bij komen. Bij hexaan zie je dat er helemaal geen OH of NH2 groep inzit. Deze kan dus niet mengen met water. Hetzelfde geldt voor paraffineolie die ook niet mengt met water omdat deze geen een van deze moleculen bevat. Hexaan en paraffineolie bestaan allebei uit moleculen waar vanderwaalsverbindingen voorkomen. Deze stoffen zijn wel goed mengbaar omdat de moleculen van de stoffen door elkaar kunnen bewegen. ethanol is een hydrofoob (mengbaar met water). hexaan en paraffineolie zijn hydrofiel (niet mengbaar met water). Nu gaan we kijken wat er gebeurd als een zout met water oplost, bijvoorbeeld Mg3(PO4)2(s). Bij het oplossen in water komen de magnesiumionen en de fosfaationen los van elkaar. Er is een sterke ionbinding onderling dus de water-dipoolmoleculen moeten een nog sterkere binding hebben. In oplossing zijn de ionen omgeven door watermoleculen, hydratatie. het omhullen van ionen door watermoleculen noemen we hydratatie. Als een zout wordt ingedamd, dan kan kristal water zijn ingebouwd in het kristalrooster en er ontstaat kristalwater. Zouten die kristalwater bevatten zijn hydraten. Als je de vaste stof verwarmt, dan verdwijnt het kristalwater, dit is per zout verschillend. STEL: bij aluminiumwaterstofcarbonaat, Al(HCO3)3, zijn er zeven waterstof moleculen in het kristal rooster omgenomen, dan wordt de formule: Al(HCO3)3. 7H2O(s) Dit spreek je uit als aluminiumwaterstofcarbonaatheptahydraat. § 6 Zeep, waswerking In deze paragraaf gaan we het hebben over zeep. Zeep bestaat uit Na+ en K+ ionen en uit stearaationen. De molecuul formule voor stearaat is: C17H35COO-. Zepen zijn oplosbaar in water. De reactievergelijking van stearaat en natrium ziet er als volgt uit: C17H35COONa(s) C17H35COO-(aq) + Na+ (aq) Het stearaation heeft een geladen kop (hydrofiel) en een koolstof staart (hydrofoob). Deze ionen blijven zo veel mogelijk op het wateroppervlak, zodat er zo weinig mogelijk H bruggen hoeven worden verbroken. Als het oppervlak vol is gaan de stearaationen een kring vormen met alle apolaire staarten naar elkaar en dus de polaire staart naar buiten. Ze kop zorgt dat ze H bruggen gaan maken, zo heb je dus apolaire gedeeltes in het water. Dit noemen we micellen. Als er vuil in een micel komt en die zich dan overigens met lucht vult, dan krijg je een zeepbel. Veel zeepbellen vormen dan schuim. Een stof die invloed heeft op de grensspanning van water is een detergens. § 7 Hard water en zeep Het kan zo zijn dat water veel Ca2+ ionen bevat, als dit het geval is dan spreekt men van hard water. Men heeft als eenheid de Duitse Hardheidsgraat met het symbool ºD. 1,0 ºD betekent dat er per liter water 7,1 mg Ca2+ is opgelost. Omdat hardwater positieve ionen bevat, moet het ook negatieve ionen bevatten, zoals CaCO3(s). Deze stof (kalksteen) lost slecht op in water. Kalksteen lost wel op met opgelost CO2 in het water. Dan krijg je als reactievergelijking: CaCO3(s) + H2O(l) + CO2(aq) Ca2+(aq) + 2 HCO3-(aq) Als je de reactievergelijking omdraait, laat je het water minder hard worden: Ca2+(aq) + 2 HCO3-(aq) CaCO3(s) + H2O(l) + CO2(g) Dit is overigens bij een temperatuur van hoger dan 80 ºC. (T > 80 ºC) Het nadeel is dan dat er bijvoorbeeld bij ketels, verwarmingsspiralen in machines verkalken. Er kan ook ketelsteen voorkomen in ketels omdat het calciumcarbonaat gaat aantasten.
§ 8 Ontharden van water Er zijn verschillende manieren om water te ontharden: - koken, uit de calciumionen en de waterstofcarbonaationen ontstaan calciumcarbonaat, koolstofdioxide en water. - het neerslaan van de calciumionen met bijvoorbeeld natriumcarbonaat (de natriumionen lossen namelijk slecht op met carbonaationen). - het afschermen van de calciumionen met zeoliet. - het gebruik maken van een ionenwisselaar. Hierbij worden de calciumionen tegen de natriumionen uitgewisseld. Je kunt overigens een ionenwisselaar regenereren met een geconcentreerde natriumchlorideoplossing. Na+ + Ca2+(aq) Ca2+ + 2 Na+(aq) Na+ (schematische "reactievergelijking" van de werking van een ionenwisselaar).