Atomen en moleculen 2

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

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Verplichte velden zijn gemarkeerd met *