Practicum: Waterstofbruggen en kookpunt – waterstofverbindingen vergeleken – Scheikunde Klas 5 VWO

In dit practicum voor klas 5 vwo vergelijk je de kookpunten van waterstofverbindingen uit de tweede en derde periode. Je bouwt de moleculen en gebruikt de schaal van het model om te verklaren waarom HF, H₂O en NH₃ afwijken.

Leerdoel

Na dit practicum kun je met Lewisstructuren verklaren waarom HF, H₂O en NH₃ waterstofbruggen vormen en HCl, H₂S en PH₃ niet of nauwelijks, en uitleggen waarom H₂O meer waterstofbruggen per molecuul kan vormen dan HF en NH₃.

Cursusniveau en vakgebied

Niveau: VWO klas 5 | Vak: Scheikunde | Domein: B3 Bindingen en eigenschappen; B4 Bindingen, structuren en eigenschappen | Waterstofbrug, kookpunt, elektronegativiteit, Van der Waals-kracht, HF, HCl, H₂O, NH₃

Benodigdheden

• Toytomics Multi Function Set Magnetic (valentie-elektronenmodel), één set per groepje van 2 of 3 leerlingen
• Papier, potlood, grafiekpapier of rekenblad
• Periodiek systeem (Binas)

Achtergrondinformatie

Waterstofbruggen ontstaan tussen een waterstofatoom dat is gebonden aan een sterk elektronegatief atoom (F, O of N) en een vrij elektronenpaar van een F-, O- of N-atoom van een ander molecuul. Waterstofbruggen zijn sterker dan gewone Van der Waals-krachten.

Kookpunten (°C): NH₃ −33, PH₃ −88; H₂O 100, H₂S −60; HF 20, HCl −85, HBr −66, HI −35.

Schaal van het model: 1 cm = 16 pm. Een atoom van de tweede periode is Ø 3 cm, een atoom van de derde periode Ø 6 cm.

Werkwijze

Deel A – Moleculen bouwen

1. Bouw NH₃, H₂O, HF, PH₃, H₂S en HCl.
2. Tel bij elk molecuul het aantal waterstofatomen dat aan F, O of N is gebonden en het aantal vrije elektronenparen van dat atoom. Vul de tabel in.

Deel B – Grootte vergelijken

1. Zet HF naast HCl en NH₃ naast PH₃. Wat zie je aan de grootte van het centrale atoom?
2. Meet de afstand tussen de middelpunten van de atomen in HF (92 pm in werkelijkheid) en HCl (127 pm) en reken om naar pm.

Deel C – Grafiek

1. Zet de kookpunten uit de achtergrondinformatie uit tegen de periode (of de molecuulmassa) voor de reeks H₂O – H₂S, NH₃ – PH₃ en HF – HCl – HBr – HI.
2. Welke stoffen vallen buiten de verwachte trend?

Telling

Verwerkingsvragen

1. Waarom hebben H₂O, NH₃ en HF veel hogere kookpunten dan H₂S, PH₃ en HCl?
2. Het kookpunt van H₂O (100 °C) is veel hoger dan dat van HF (20 °C), terwijl fluor sterker elektronegatief is dan zuurstof. Verklaar dit met de telling in de tabel.
3. Hoe verandert het kookpunt in de reeks HCl, HBr, HI? Verklaar.
4. Wat valt je op aan de grootte van het chlooratoom vergeleken met het fluoratoom in het model en waarom heeft dat gevolgen voor waterstofbruggen?

Uitwerking

Tabel: NH₃: 3 H, 1 vrij paar, 1 waterstofbrug per molecuul (beperkt door het aantal vrije paren). H₂O: 2 H, 2 vrije paren, 2 waterstofbruggen per molecuul. HF: 1 H, 3 vrije paren, 1 waterstofbrug per molecuul (beperkt door het aantal H).

V1: F, O en N zijn klein en sterk elektronegatief, waardoor de H-atomen sterk positief zijn en de vrije elektronenparen goed bereikbaar. Zwavel, fosfor en chloor zijn groter en minder elektronegatief; daar ontstaan geen noemenswaardige waterstofbruggen.

V2: Een watermolecuul vormt gemiddeld twee waterstofbruggen (twee H en twee vrije paren), een HF-molecuul slechts één (één H). Water kan daardoor een driedimensionaal netwerk vormen, HF slechts ketens of ringen. Dat weegt zwaarder dan het verschil in sterkte van de afzonderlijke brug.

V3: Het kookpunt stijgt van HCl naar HI, omdat de moleculen groter worden en de Van der Waals-krachten toenemen. Er zijn geen waterstofbruggen. (Het kookpunt van HF ligt hier ver boven, door waterstofbruggen.)

V4: Het chlooratoom (Ø 6 cm) is veel groter dan het fluoratoom (Ø 3 cm). De lading is bij chloor over een groter volume verdeeld, het vrije elektronenpaar is minder geconcentreerd en de H–Cl-binding is langer (≈ 127 pm tegenover 92 pm). Daardoor vormt chloor geen sterke waterstofbruggen.

Benodigde laboratoriumapparatuur van Labvakhandel

Labvakhandel levert de Toytomics Multi Function Set Magnetic voor het bouwen van waterstofverbindingen uit de tweede en derde periode in het voortgezet scheikundeonderwijs.

Welk type molecuulmodel past bij uw les? Lees het artikel Molecuulmodellen in de scheikundeles.

Bekijk het assortiment of neem contact op voor advies.

Meer practicumopdrachten

Ontdek alle practica in de Labvakhandel kennisbank — voor biologie, scheikunde en natuurkunde.