PPT_LBA1_LE1_Bouw van de stof PDF

PXL-GREEN & TECH Graduaat EMS/HEN/HVA BASISELEKTRICITEIT 1 THEORIE LBA1 – LE1 Ann Coenen www.pxl.be  Leereenheid 1 Bouw van de stof Ann Coenen Ann Coenen 2 Doelstellingen Bouw van de stof Hierna kun je: – het verschil in voorkomen (ei...

PXL-GREEN & TECH Graduaat EMS/HEN/HVA BASISELEKTRICITEIT 1 THEORIE LBA1 – LE1 Ann Coenen www.pxl.be  Leereenheid 1 Bouw van de stof Ann Coenen Ann Coenen 2 Doelstellingen Bouw van de stof Hierna kun je: – het verschil in voorkomen (eigen aard) van de stoffen verklaren. – de verschillende begrippen verklaren. – de algemene opbouw van de stof schematisch voorstellen. – de betekenis van het atoomgetal in verband brengen met de tabel van Mendeljev. Ann Coenen 3  Molecule Een molecule is het kleinste deeltje van een stof die de eigenschappen van de stof nog bezit. Molecule bestaat uit een of meer atomen. Ann Coenen 4  Molecule Fe2O3: ijzeroxide Het is een roodbruine poederachtige vaste stof die niet oplosbaar is in water. Het is een van de componenten van roest. Ann Coenen 5  Molecule Fe3O4: magneetijzersteen - Grotendeels uit magnetiet bestaand ijzergesteente - Belangrijk ijzererts - Metaal met magnetische eigenschappen Ann Coenen 6  Molecule Moleculen Deeltjesmodel (molecuul) Naam waterstof koolstofdioxide water aardgas 2 1 koolstofatoom 1 zuurstofatoom 1 koolstofatoom Atomen waterstof- en en en atomen 2 zuurstofatomen 2 waterstofatomen 4 waterstof-atomen Molecuul- H2 CO2 H2O CH4 formule Ann Coenen 7  Atomen Een atoom is opgebouwd uit: Atoomkern met nucleonen: – Protonen (p+): massa + positieve lading – Neutronen (n0): massa + geen lading Elektronenmantel: – Elektronen (e-): geen massa (verwaarloosbaar) + negatieve lading Ann Coenen 8  Atomen Atoom Kern Elektronenmantel Positief geladen Negatief geladen Protonen Neutronen Elektronen Atomen in normale toestand zijn elektrisch neutraal. Aantal elektronen = Aantal protonen Ann Coenen 9 Atomen Ann Coenen 10 Atomen: kern Ann Coenen 11 Tabel van Mendeljev = Periodiek systeem Er zijn meer dan 106 bekende bouwstenen. Alle bouwstenen staan in het periodiek systeem Ann Coenen 12  Atoomgetal Z Alle elementen zijn gerangschikt in de tabel van Mendeljev in volgorde van hun atoomnummer. Atoomnummer = aantal protonen in de kern Waterstof heeft atoomnummer 1. Helium heeft atoomnummer 2. In hun normale (of neutrale) toestand hebben alle atomen evenveel elektronen als protonen. De positieve ladingen annuleren de negatieve ladingen. Het atoom heeft een netto lading van nul, waardoor het elektrisch in evenwicht is. Ann Coenen 13 Tabel van Mendeljev = Periodiek systeem Ann Coenen 14  Atomen Atoomnummer Z = p+ = e- – Z = aantal protonen in atoomkern – Z = aantal elektronen in de elektronenmantel – Elementen in PSE zijn gerangschikt volgens stijgend atoomnummer Massagetal A = Z + n0 = p+ + n0 – A = aantal nucleonen in atoomkern – A = protonen + neutronen = elektronen + neutronen Natrium heeft massagetal 23 Natrium heeft atoomnummer 11 23 A Dus: #p+ = 11 #e- = 11 Na E 11 Z #n0 = 23-11=12 Ann Coenen 15 Doelstellingen Positieve en negatieve toestand van een lichaam Hierna kun je: – de oorzaak van de positieve of negatieve toestand van een lichaam verklaren. – de fundamentele atoomstructuur van geleiders zoals koper en aluminium begrijpen. Ann Coenen 16  Positieve en negatieve toestand van een lichaam Ionen = atomen met een lading Positief ion ontstaat als een atoom elektronen kwijtraakt. Metaal ionen zijn positief geladen. Lading: 1+, 2+ of 3+ (4+) Negatief ion ontstaat als een atoom elektronen opneemt. Niet-metaal ionen zijn negatief geladen. Lading: 1-, 2- of 3- Ann Coenen 17  Elektronen Elektronen bewegen rondom de kern van een atoom en bevinden zich op bepaalde afstanden van de kern. De elektronen dichtbij de kern beschikken over minder energie dan de elektronen die zich bevinden op verder weggelegen banen. Elke discrete afstand (baan) van de kern komt overeen met een bepaald energieniveau. In een atoom worden de banen gegroepeerd in energiebanden; beter bekend als schillen. Ann Coenen 18  Elektronen Een gegeven atoom heeft een vast aantal schillen. Elke schil heeft een vast maximum aantal elektronen op toegestane energieniveaus (banen). Het aantal schillen is verschillend van element tot element. Het aantal elektronen in iedere schil kan bepaald worden volgens volgens de formule 2N2 waarbij N het schilnummer is. Eerste schil (N = 1): max. 2 elektronen Tweede schil (N = 2): max. 8 elektronen Derde schil (N = 3): max. 18 elektronen Vierde schil (N = 4): max. 32 elektronen Ann Coenen 19  Elektronen Elektronenverdeling van atoom over de verschillende schillen Schilnummer n 1 2 3 4 5 6 7 n Schil K L M N O P Q Max. aantal 2 8 18 32 2n2 elektronen Ann Coenen 20  Elektronen Elektronenconfiguratie Natrium: 2,8,1 Natrium: 11 elektronen Ann Coenen 21 Elektronen Ann Coenen 22  Koper Koper – Scheikundig element – Symbool: Cu – Rood/geel overgangsmetaal (ongelegeerde vorm = roodkoper) – Eigenschappen: Buigzaam Zeer groot geleidingsvermogen voor elektriciteit + warmte – Atoomnummer: Z = 29 – Elektronenverdeling van koper over de  schillen Schilnummer n 1 2 3 4 # elektronen Schil K L M N Max. aantal 2 8 18 1 29 elektronen elektronen Ann Coenen 23  Koper Koperatoom – Heeft 29 elektronen die om de kern cirkelen in 4 schillen Buitenste schil = Valentieband = bezit 1 valentie-elektron Binnenste schillen = Core – Meest gebruikte metaal in elektrische installaties – Uitstekende geleider  Cu heeft veel vrije elektronen die het vloeien van elektrische stroom mogelijk maken Ann Coenen 24  Koper Koperatoom – Tussen + en – ladingen is er een aantrekkingskracht – Aantrekkingskracht berekenen met de Wet van Coulomb – Buitenste elektron bij Cu = 29ste elektron = enige elektron op 4de schil = ligt ver van de kern = kleine aantrekkingskracht – Door de kleine aantrekkingskracht is het mogelijk om het buitenste elektron af te scheiden. – Er ontstaat een vrij elektron. Geen balans meer in het atoom Creatie van ion i.p.v. atoom gecreëerd: 29 protonen + 28 elektronen Ann Coenen 25  Tabel van Mendeljev groep Ia O 1 Periodiek Systeem 2 1 H 1 der Elementen He 2 K IIa IIIa IVa Va VIa VIIa 3 4 5 6 7 8 9 10 2 2 2 2 2 2 2 2 K 2 Li 1 Be 2 B 3 C 4 N 5 O 6 F 7 Ne 8 L 11 12 13 14 15 16 17 18 2 2 2 2 2 2 2 2 K periode 3 Na 8 1 Mg 8 2 Al 8 3 Si 8 4 P 8 5 S 8 6 Cl 8 7 Ar 8 8 L M 19 20 2 2 aantal p+ aantal e- K = 4 K 8 8 Ca 8 L M 8 1 2 atoomnummer N 12 2 element/symbool Mg 8 2 3 rijen = periode 3 laatste cijfer 2 = groep 2 elektronenconfiguratie Ann Coenen 26  Vrije elektronen Elektronen cirkelen op verschillende schillen rond de kern. Vrije elektronen = elektronen met voldoende energie (door verwarming, bestraling, wrijving, …) kunnen het atoom verlaten en vrij bewegen van het ene atoom naar het andere. In een metaal liggen de atomen in een zogenaamd metaalrooster gerangschikt waardoor vrije elektronen er tussendoor kunnen bewegen. Ann Coenen 27 Doelstellingen Elektrische stroom Hierna kun je: – het wezen van een elektrische stroom definiëren. – begrijpen hoe de stroom in een schakeling tot stand komt en hoe de grootte ervan wordt beïnvloed door de lading die in het systeem stroomt en de tijd die ermee gemoeid is. Ann Coenen 28  Elektrische stroom I (Ampère A) Elektrische stroom = beweging van elektrische ladingen = verplaatsing van vrije elektronen Om elektrische stroom te onderhouden is minstens één batterij nodig. Elektronenstroom Elektronen vloeien in geleiders van de –pool naar de +pool van de batterij. Conventionele stroom Positieve ladingsdragers bewegen omgekeerd. Die bewegingsrichting is de conventionele stroomzin in de kring. We gebruiken verder de conventionele stroomzin. Ann Coenen 29  Elektrische stroom I (Ampère A) Bij koper – binding tussen elektronen en kern tamelijk los – er zijn veel vrije elektronen die zich willekeurig door elkaar bewegen Elektrische stroom = wanneer we die beweging van elektronen kanaliseren (= in dezelfde zin doen vloeien) Ann Coenen 30  Elektrische stroom I (Ampère A) Vrije elektronen worden aangetrokken door de positieve en afgestoten door de negatieve pool. In de koperdraad ontstaat een stroom van elektronen (elektrische stroom). Ann Coenen 31  Elektrische stroom I (Ampère A) Vrije elektronen worden aangetrokken door de positieve en afgestoten door de negatieve pool. In de koperdraad ontstaat een stroom van elektronen (elektrische stroom). Ann Coenen 32 Elektrische stroom I (Ampère A) Ann Coenen 33 Elektrische stroom I (Ampère A) Ann Coenen 34 Doelstellingen Geleiders – Niet-geleiders - Halfgeleiders Hierna kun je: – het onderscheid tussen geleiders, niet-geleiders en halfgeleiders verklaren. Ann Coenen 35  Geleiders Geleiding = de mate waarin een materiaal de elektrische stroom geleidt Geleiders laten stroom door – Hebben atomen met veel losse elektronen – Geleiden de stroom d.w.z. geleiders laten de stroom door – Ladingen: grote mobiliteit – Kleine weerstand voor elektrische stroom – Voorbeelden: alle metalen zoals zilver, koper, aluminium, … – Gebruik: elektrotechniek, bovenleidingen voor treinen Ann Coenen 36  Isolatoren = Niet-geleiders Isolatoren zijn stoffen waarvan de elektronen sterk aan de kernen zijn gebonden hebben geen atomen met losse elektronen geleidt NIET d.w.z. isolatoren laten geen stroom door Ladingen: geen tot weinig mobiliteit Voorbeelden – Glas – Meeste kunststoffen – Vele keramische materialen (porselein) – Zijde – Wol – Mica – Papier – Olie – Bijna alle gassen Ann Coenen 37 Geleiders  Isolatoren Ann Coenen 38  Halfgeleiders Halfgeleiders Zijn stoffen waarvan de elektronen van de buitenste schil tamelijk sterk aan hun kern gebonden zijn Gedragen zich als geleiders of als isolatoren Voorbeelden – Germanium – Silicium Ann Coenen 39 Zuivere halfgeleidermateriaal Ann Coenen 40 Verontreinigd halfgeleidermateriaal Door de verontreiniging ontstaan er vrije elektronen. Deze maken geleiding mogelijk. De stof is een geleider geworden. De weerstand hangt af van de hoeveelheid fosforatomen. Donoratoom = 5 waardige stof (fosfor) Het materiaal wat nu ontstaat heet N-Silicium. Ann Coenen 41 Verontreinigd halfgeleidermateriaal Door de verontreiniging ontstaan er gaten. Door deze gaten kunnen elektronen zich verplaatsen. De stof is een geleider geworden. De weerstand hangt af van de hoeveelheid boriumatomen. Acceptoratoom = 3 waardige stof (borium) Het materiaal wat nu ontstaat heet P-Silicium. Ann Coenen 42 Verontreinigd halfgeleidermateriaal Ann Coenen 43 Opdrachten Ann Coenen 44  Opdracht 1, 2 en 3 OPGAVE 1. In welke groep en welke periode staat het element kalium? 2. Welk element staat in het periodiek in de 2de groep, 4de periode precies boven het element met atoomnummer 15 3. De atoomsoorten fluor, chloor, broom en jood hebben gelijkaardige chemische eigenschappen. Hoe kan je dit verklaren? Ann Coenen 45  Opdracht 1, 2 en 3 OPLOSSING 1. In welke groep en welke periode staat het element kalium? Kalium staat in groep I A en periode 4 2. Welk element staat in het periodiek? in de 2de groep, 4de periode Calcium precies boven het element met atoomnummer 15: Stikstof 3. De atoomsoorten fluor, chloor, broom en jood hebben gelijkaardige chemische eigenschappen. Hoe kan je dit verklaren? Ze staan allen in groep VII A Ann Coenen 46  Opdracht 4 OPGAVE 4. Vul de onderstaande tekst verder aan. Je kan kiezen uit de volgende antwoorden: je mag éénzelfde antwoord meerdere malen gebruiken. atoomnummer niet - metalen neutronen periode metalen protonen groep schillen valentie-elektronen atoommassa edelgassen elektronen Fosfor, zwavel en chloor bevinden zich in dezelfde van het PSE. Ze hebben dus een zelfde aantal Waterstof, lithium en natrium bevinden zich in dezelfde van het PSE. Deze elementen bezitten dus een zelfde aantal Helium en argon zijn beide Waterstof en stikstof daarentegen behoren tot de In groep III bevindt zich slechts 1 namelijk het element (naam van het element geven) Ann Coenen 47  Opdracht 4 OPLOSSING 4. Vul de onderstaande tekst verder aan. Je kan kiezen uit de volgende antwoorden: je mag éénzelfde antwoord meerdere malen gebruiken. atoomnummer niet - metalen neutronen periode metalen protonen groep schillen valentie-elektronen atoommassa edelgassen elektronen Fosfor, zwavel en chloor bevinden zich in dezelfde periode van het PSE. Ze hebben dus een zelfde aantal schillen Waterstof, lithium en natrium bevinden zich in dezelfde groep van het PSE. Deze elementen bezitten dus een zelfde aantal valentie-elektronen Helium en argon zijn beide edelgassen Waterstof en stikstof daarentegen behoren tot de niet - metalen In groep III bevindt zich slechts 1 niet - metalen namelijk het element boor (naam van het element geven) Ann Coenen 48  Opdracht 5, 6 en 7 OPGAVE 5. Geef het atoomnummer en het massagetal van zwavel. Formuleer je antwoord volledig in symbolen. 6. Hoeveel protonen, neutronen en elektronen bezit een atoom argon? 7. Welk element bezit 50 elektronen? Geef naam en symbool Ann Coenen 49  Opdracht 5, 6 en 7 OPLOSSING 5. Geef het atoomnummer en het massagetal van zwavel. Formuleer je antwoord volledig in symbolen. Z = 16 A = 32 6. Hoeveel protonen, neutronen en elektronen bezit een atoom argon? Z = 18 aantal e- = 18 aantal p+ = 18 A = 40 aantal n0 = A - aantal e- = 40 - 18 = 22 7. Welk element bezit 50 elektronen? Geef naam en symbool Sn tin Ann Coenen 50  Opdracht 8 OPGAVE + OPLOSSING 8. Vul de onderstaande tabel verder aan Symbool element Na Cl P O He Atoomnummer 11 17 15 8 2 Massagetal 23 35 31 16 4 Nummer groep IA VII A V VI A 0 Nummer periode 3 3 3 2 2 Aantal protonen 11 17 15 8 2 Aantal neutronen 12 18 16 8 2 Aantal elektronen 11 17 15 8 2 Aantal valentie-elektronen 1 7 5 6 2 Metaal (M), niet-metaal (nM) of edelgas E M nM nM nM E Aantal n0 = A – aantal p+ = 31 – 15 = 16 Aantal n0 = A – aantal p+ = 23 – 17 35 11 = 12 18 Aantal n0 = A – aantal p+ = 16 – 8 = 8 Aantal n0 = A – aantal p+ = 4–2 = 2 Ann Coenen 51  Opdracht 9 en 10 OPGAVE + OPLOSSING 9 a) Zoek op in de tabel:  hoeveel schillen een atoom koolstof heeft: 2  hoeveel valentie-elektronen een atoom koolstof heeft: 4 K – schil: 2 e- b) Noteer de elektronenconfiguratie van koolstof L – schil: 4 e- 10 Het element magnesium heeft als atoomnummer 12 en als massagetal 24. a) Hoeveel elektronen heeft een atoom magnesium 12 b) Noteer de elektronenconfiguratie van magnesium K – schil: 2 e- L – schil: 8 e- c) Voorspel (zonder in je tabel te kijken !!!!) M – schil: 2 e-  in welke periode Mg staat in het PSE 3  in welke groep Mg staat in het PSE II A Ann Coenen 52