Atomen vormen moleculen door middel van hun elektronen. Elektronen bewegen razendsnel doorheen de atomen waardoor het onmogelijk te bepalen is waar een elektron zich op een bepaald moment bevindt. Er is alleen een statistische zekerheid dat elektronen in een bepaalde zone rond de atoomkern aanwezig zijn. Welke zone dit is hangt af van de hoeveelheid energie die het atoom op een bepaald moment bezit.

De verschillende zones in het atoom zou men kunnen vergelijken met een ajuin, waarbij elke schil een afgebakende zone is waarin elektronen zich kunnen bevinden. Op de binnenste schil, het dichtst bij de atoomkern is slechts plaats voor 2 elektronen. Voor H (waterstof) met 1 elektron en He (helium) met twee elektronen is dat geen probleem. Er is plaats genoeg. Maar voor Li (lithium) met 3 elektronen is er een andere oplossing nodig. Het derde elektron verhuist dan naar de volgende schil die meer naar buiten ligt. Op deze 2de schil kunnen 8 elektronen en dat is ook het geval met de 3de schil. De 4de en 5de schil kunnen 18 elektronen bevatten en de 6de 32 elektronen.

Lithium - Pumbaa

Foto:  Lithium atoom - auteur: Pumbaa

Telkens een schil vol zit gaan de overige elektronen naar een volgende schil. Zo heeft chloor met 17 elektronen, 2 elektronen op de 1ste schil, 8 op de 2de en 7 op de 3de schil. Hoe groter het aantal schillen hoe groter de diameter van het atoom. Zo is de diameter van een koolstofatoom (6 elektronen) slechts de helft van dat van een atoom goud (79 elektronen).

Atomen streven er steeds naar een volle elektronenschil te hebben. Ze doen dit door electronen op te nemen, af te staan of te delen met andere atomen. Het is dit mechanisme waardoor chemische reacties kunnen optreden en moleculen ontstaan.

Covalente binding

Nemen we het voorbeeld van de molecule methaan. Methaan bestaat uit 1 koolstofatoom (C) en 4 atomen waterstof (H). Koolstof heeft 6 elektronen, waarvan 2 op de binnenste schil en 4 vrije elektronen op zijn buitenste schil (2de schil met maximum 8 elektronen) Koolstof komt dus 4 elektronen tekort om een volledige buitenschil te hebben. Waterstof heeft 1 elektron in zijn buitenste schil (1ste schil met maximum 2 elektronen). Het atoom koolstof heeft 4 atomen waterstof nodig om zijn schil volledig te maken (4 + 4x1=8). Waterstof heeft slechts 1 elektron nodig om zijn schil te vervolledigen. Het atoom koolstof vormt dus met 4 waterstofatomen 4 elektronenparen waardoor alle buitenste schillen vol zijn en methaan een stabiele molecule vormt.

hydrocarbon-methane

Foto: Methaan molecule - auteur niet gevonden

Deze vorm van binding noemen we “covalente binding”. De elektronen worden, op een gelijkwaardige basis, gedeeld tussen het koolstofatoom en de 4 waterstofatomen waardoor elk atoom, ondanks de bewegingen van de elektronen, steeds beschikt over een volledige buitenste schil (2 elektronen voor H, 8 elektronen voor C). De molecule heeft dus géén vrije plaatsen meer en is in evenwicht. Ze heeft geen behoefte meer aan nieuwe relaties en vormt een stabiele eenheid. Pas bij hevige botsingen of bij toevoer van voldoende externe energie kunnen de bindingen verbroken worden. Er ontstaat dan een chemische reactie. Dit is wat er gebeurt bij het verbranden van methaan dat wij gebruiken als aardgas.  Methaanmoleculen hebben onderling weinig aandacht voor elkaar. Ze leven in een los verband die we gasvorm noemen.

aardgas essent

Foto: Verbranding methaangas - auteur: Essent energie

Wanneer we de molecule water bekijken zien we iets anders gebeuren. Water bestaat uit 1 atoom zuurstof met 8 elektronen, (waarvan 2 op de binnenste schil en 6 op de buitenste schil) en 2 atomen waterstof (met 1 elektron op de buitenste schil). Zuurstof heeft dus 2 elektronen nodig om zijn buitenste schil te vervolledigen. Maar zuurstof is nogal dominant en het deelt de electronen niet op een gelijkwaardige basis. Het zuurstof atoom gaat zich tussen de 2 waterstofatomen nestelen en trekt in feite de elektronen van de waterstofatomen naar zich toe, zodat deze dichter bij de kern van de zuurstof komen dan zou gebeuren bij methaan. Het gevolg is dat het waterstofatoom, omdat het een negatief elektron voor een stuk verliest, een kleine positieve lading krijgt. Het omgekeerde is waar voor de zuurstof. Omdat dit atoom 2 negatieve elektronen naar zich toe trekt, krijgt het een meer negatieve lading. We weten dat gelijke ladingen elkaar afstoten en tegengestelde ladingen elkaar aantrekken. Doordat er in water 2 positieve atomen zitten gaan deze wat verder van elkaar liggen. Dit is te zien op de onderstaande voorstelling van water. Dit effect noemen we “polariteit” en dergelijke moleculen noemen we “polair”. Polariteit heeft een effect op de eigenschappen van de molecule.

Dan Craggs-water pl-olarity1.svg

Foto: Water polariteit - auteur: Dan Craggs

Zo gaan watermoleculen elkaar aantrekken omdat de negatieve zuurstof van de ene molecule de positieve waterstoffen van een andere watermolecule gaan aantrekken. Hierdoor worden onderlinge verbindingen gevormd die we “waterstofbruggen” noemen. Het zijn deze waterstofbruggen die mee vorm geven aan de inwendige structuur van cellulose en verantwoordelijk zijn voor het binden van water in bijvoorbeeld papier.

Qwerter-model_hydrogen_bonds_in_water.svg

Foto: waterstofbruggen - auteur Qwerter

Covalente bindingen zijn meestal vrij zwakke bindingen. De meeste moleculen met covalente bindingen komen voor onder de vorm van een vloeistof of een gas. De stoffen die ze vormen hebben meestal relatief lage smelt- en kooktemperaturen.

Guy De Witte

Onze sponsors:

cami_nv_logo   truvue-weblogo

LOGO DE ZILVEREN PASSER

Atomen worden ook “elementen” genoemd omdat ze de fundamentele bouwstenen zijn die de natuur gebruikt om leven te scheppen en grondstoffen te produceren. Het zijn de eigenschappen, de affiniteiten, de mogelijkheden en beperkingen van deze atomen die mee bepalen welke verbindingen ze aangaan om “moleculen” te vormen. Andere factoren die een rol spelen zijn de fysische omgevingsfactoren waarin deze atomen voorkomen, de aanwezigheid van energie of van stoffen die interacties bevorderen of versnellen.

Niet alleen de natuur, maar ook de mens, gebruikt atomen om nieuwe moleculen te produceren. De nieuwste tak in de wetenschap die zich daarmee bezighoudt is de “nanowetenschap”. De praktische toepassing van deze wetenschap noemen we “nanotechnologie”.

De nieuwe materialen en structuren die zo gevormd worden, worden opgebouwd uit afzonderlijke atomen die aan elkaar gekoppeld worden. De grootte van deze deeltjes is minder dan 100 nanometer, vandaar de naam nanotechnologie (1 nanometer = een miljardste van een meter = 10-9 meter of 0,000 000 001 meter). Deze nieuwe materialen hebben andere eigenschappen dan deze die spontaan in de natuur voorkomen of in de traditionele industrie worden gebruikt. Op die manier zet nanotechnologie de deur open naar honderden nieuwe toepassingen op het gebied van mechanica, electronica, geneeskunde, ruimtevaart, bouwmaterialen en zo voort.

NANO-Comparison_of_nanomaterials_sizes

foto: nanotechnologie in perspectief (auteur: Sureshbup)

Interacties tussen atomen

Atomen gaan onderling interacties aan. Afhankelijk van het atoom kunnen deze interacties gebeuren met een zelfde atoom, andere atomen of een combinatie van beide. Het resultaat van de ontstane verbindingen noemen we “moleculen”. Welke verbindingen worden aangegaan hangt opnieuw af van interne en externe factoren.

Zo kan een atoom zuurstof (O) reageren met een ander zuurstofatoom. De resulterende molecule is O2 (zuurstofgas) en waterstof (H) kan reageren met waterstof tot H2 (waterstofgas). Maar zuurstof kan ook reageren met zwavel (S) tot SO2 (zwaveldioxide) of met koolstof (C) tot CO2 (koolstofdioxide) of stikstof (N) tot stikstofoxide (NO). Waterstof kan reageren met zuurstof met vorming van water (H2O). De gevormde moleculen kunnen gasvormig zijn zoals O2, vloeibaar zoals H2O of vast zoals NaCl (natriumchloride= zout).

CO2-bubbels

foto: koolstofdioxide bubbels in bruisend water

De gegeven scheikundige voorstelling (formule) geeft telkens aan hoeveel atomen van elke soort in de molecule aanwezig zijn. Zo bestaat O2 uit twee atomen zuurstof, H2 uit twee atomen waterstof, H2O uit twee atomen waterstof en 1 atoom zuurstof. Keukenzout (NaCl) bestaat dan weer uit 1 atoom natrium (Na) en 1 atoom chloor (Cl). Glas bestaat voor het grootste deel uit siliciumdioxide (SiO2) dat gevormd wordt door 1 atoom silicium en 2 atomen zuurstof.

Sample_of_silicon_dioxide

foto: siliciumdioxide (auteur: LHcheM)

Sommige moleculen bestaan uit meerdere soorten atomen. Het pigment “loodwit” bijvoorbeeld heeft als formule Pb2CO3(OH)2 en bevat 2 atomen lood, 1 atoom koolstof, 5 atomen zuurstof en 2 atomen waterstof. Alle bovenstaande combinaties worden als anorganische verbindingen beschouwd.

Organische verbindingen zijn moleculen die de atomen koolstof (C) en waterstof (H) bevatten, dikwijls gecombineerd met andere atomen. Ze kunnen heel complexe structuren vormen. Eenvoudige organische verbindingen zijn CH4 (methaan) en C2H5OH (ethylalcohol = ethanol). Deze eenvoudige verbindingen vormen meestal een vertakte ketelstructuur.

Methane-2D-square

foto: voorstelling methaanmolecule

800px-Ethanol_Lewis.svg

foto: voorstelling ethanolmolecule (auteur: NEUROtiker)

Complexe organische verbindingen vormen dikwijls een ringstructuur. Voorbeelden hiervan zijn C6H6 (benzeen),  C6H12O6 (glucose), de bouwsteen van cellulose,  en C8H8 (styreen) basismolecule van polystyreen.

Glucosemolecule

foto: glucosemolecule (auteur: NEUROtiker)

627px-Styrene-from-xtal-2001-3D-balls

foto: styreenmolecule (auteur: Benjah-hmmm27)

Guy De Witte

Wordt vervolgd

Met dank aan onze sponsors

cami_nv_logo  truvue-weblogo

LOGO DE ZILVEREN PASSER