1. Chemische bindingen en faseovergangen

Samenvatting voor scheikunde - Chemische bindingen en faseovergangen

Typen verbindingen (vorming en oplossing)

We gaan het hebben over bindingen van moleculaire stoffen, oftewel niet-metalen. Een molecuul bestaat uit minimaal twee atomen, bijvoorbeeld H2 – waterstof. Maar ook water, H2O, is een molecuul. Een molecuul kan dus samengesteld zijn uit verschillende soorten atomen, maar ook uit meerdere van dezelfde soort atomen. Maar, hoe zitten deze atomen en moleculen nou precies aan elkaar vast?

Atoombinding (covalente binding)

Er zijn verschillende soorten bindingen. Een atoombinding, ook wel covalente binding genoemd, is een chemische binding tussen atomen, waarin de atomen een of meer gemeenschappelijke elektronenparen hebben. De atoombinding ontstaat dus doordat de atomen een gemeenschappelijk elektronenpaar delen. Ze delen dan elektronen uit de buitenste schil elektronen, wat een sterke binding vormt.  

Bovendien heeft elk atoom een eigen covalentie. Dit is het aantal bindingen dat een atoom kan aangaan. Zo heeft waterstof een covalentie van 1, wat betekent dat het dus maar 1 binding tegelijk aan kan gaan met een ander atoom. Daarentegen heeft zuurstof een covalentie van 2. Dat betekent dat zuurstof dus altijd twee bindingen aangaat. Bijvoorbeeld: bij water zit zuurstof gebonden aan twee losse waterstofatomen: H2O. Andere belangrijke covalenties om te onthouden zijn de covalentie van een koolstofatoom, die is 4. Dus één koolstofatoom moet vier bindingen aangaan. En een stikstofatoom heeft een covalentie van 3, wat betekent dat één stikstofatoom dus drie verbindingen aan kan gaan met andere atomen. 

Van der Waalsbinding

Naast een “gewone” atoombinding tussen atomen, is er ook een verbinding mogelijk tussen moleculen. Deze binding is meestal niet zo sterk en heet de Van der Waalsbinding. Deze verbinding wordt verbroken bij de omzetting van een stof van vloeibare naar gasfase. Dan zijn moleculen dus nog intact, maar wordt de verbinding tussen moleculen, De Van der Waalsbinding, verbroken. De sterkte van de Van der Waalsbinding kan verschillen. Hoe groter een molecuul, hoe sterker de Van der Waalsbinding en dus hoe hoger het kookpunt. 

Dipool-dipool binding

Een andere binding die kan voorkomen tussen moleculen is een dipool-dipool binding. Dit is een binding waarbij de verschillende moleculen een bepaalde lading hebben en dus dipolen zijn. Dat betekent dat het ene molecuul zijn positieve kant aan de negatieve kant van een ander molecuul bindt. Hierdoor ontstaat een binding op basis van lading, waardoor moleculen bij elkaar gehouden worden: een dipool-dipool binding. Deze bindingen zijn over het algemeen sterker dan een Van der Waalsbinding, waardoor stoffen met deze verbindingen een hoger smelt- en kookpunt hebben. 

Waterstofbrug (H-brug)

De laatste en sterkste binding die voor kan komen tussen moleculen is een waterstofbrug (H-brug). Bij deze binding zijn beide atomen van de verbinding partieel geladen. Je hebt dan dus aan het molecuul een OH of NH groep, waarbij de O of N een beetje negatief geladen is, en de H een beetje positief. De positieve kant van het ene molecuul bindt zich dan aan de negatieve kant van het andere molecuul. Dus, doordat deze twee atomen van verschillende moleculen elkaar aantrekken, ontstaat een krachtige waterstofbrug. Deze verbinding is dus nog sterker dan een dipool-dipool verbinding en een Van der Waalsbinding, waardoor de smelt- en kookpunten nog hoger liggen dan bij andere stoffen. 

Faseovergangen (verdampen en condenseren, smelten en stollen)

Stoffen kunnen in verschillende vormen voorkomen. Zo is er een vaste vorm zoals ijs, dat is de vaste vorm van water (H2O (s)). Maar water (H2O (l)) kan ook in vloeibare vorm voorkomen. Als we water dan tot een bepaald kookpunt brengen, kan het ook voorkomen in de gasvorm (H2O (g)). 

Kook- en smeltpunten

Elke stof heeft een vast kook- en smeltpunt waarbij het overgaat naar een andere vorm. Een stof is bij dus bij een bepaalde temperatuur in vaste vorm, als het dan warmer wordt dan het smeltpunt gaat het over in vloeibare vorm, en als het dan warmer wordt dan het kookpunt dan gaat het over in gasvorm. 

Tussen het kookpunt en smeltpunt is de stof dus in vloeibare vorm. Hierbij zijn alleen de Van der Waalsbindingen nog aanwezig. Dit zijn relatief zwakke bindingen tussen verschillende moleculen, zoals eerder uitgelegd. Vanaf het kookpunt en hoger worden deze krachten verbroken, waardoor moleculen verder van elkaar komen te liggen. Hierbij komt een stof voor in gasvorm. Maar er is dus ook een mogelijkheid dat een stof een lagere temperatuur bereikt dan het smeltpunt. Dan worden de verbindingen die in vloeibare vorm afwezig zijn opnieuw gevormd, zoals dipool-dipool verbindingen, ionverbindingen of waterstofbruggen. Daarbij ontstaat dan dus de vaste vorm van een stof. 

Hoe verandert een stof van vorm?

Om een stof van vorm te laten veranderen, zijn er verschillende processen die we kunnen gebruiken. Zo kunnen we bijvoorbeeld verdampen. Hierbij gaan we van vloeibare vorm naar een gasvorm. Deeltjes worden in vloeibare vorm alleen nog bij elkaar gehouden door een Van der Waalsbinding. Maar als dan het specifieke kookpunt dat bij een molecuul hoort bereikt wordt, worden deze Van der Waalsbindingen tussen de moleculen van een stof verbroken. 

Hierdoor gaat een stof over van vloeibare vorm naar een gasvorm; we zitten namelijk op een temperatuur van het kookpunt of hoger. Om het wat duidelijker te maken gebruiken we het voorbeeld water. Voor water is het kookpunt 100 graden. Bij deze temperatuur worden de Van der Waalsbindingen tussen de watermoleculen verbroken. Hierdoor komen alle watermoleculen los van elkaar te liggen en wordt water omgezet van vloeibare vorm naar gasvorm. Dit noemen we dus verdampen.

Condenseren

Op het moment dat je de stof dan weer terug wilt krijgen van gasvorm naar een vloeibare vorm, kan dit door middel van een proces dat condenseren heet. Dit is het tegenovergestelde proces van verdampen. Doordat de temperatuur weer lager wordt, komt die bij een bepaalde temperatuur weer onder het kookpunt van een stof. De stof gaat dan over van gasvorm naar vloeibare vorm. 

Laten we dan nog een keer water als voorbeeld nemen. Bij water is het kookpunt 100 graden zoals we net zeiden. Op dat punt zijn de Van der Waalsbindingen tussen meerdere watermoleculen verbroken. Als de temperatuur dan vervolgens weer lager wordt en onder de 100 graden komt, kunnen de Van der Waalsbindingen tussen de moleculen opnieuw gevormd worden en verandert het water weer terug van gasvorm naar vloeibare vorm. 

Stollen

Naast verdampen en condenseren zijn er nog twee processen die we moeten kennen. Zo heb je namelijk smelten en stollen. Bij stollen ga je van een vloeibare vorm naar een vaste vorm van een molecuul. In vaste vorm komt de temperatuur onder het smeltpunt, waardoor naast de Van der Waalsbindingen ook andere sterkere bindingen tussen de moleculen kunnen worden gevormd. De verbindingen zorgen ervoor dat de stof overgaat van vloeibare vorm naar vaste vorm. 

Om het wat duidelijker te maken gebruiken we nog een keer water als voorbeeld. Het smeltpunt van water is 0 graden. Vanaf een temperatuur lager dan 0 graden komt water dus voor in vaste vorm, bij water in de volksmond ook wel ijs genoemd. Op dit punt kunnen er naast de Van der Waalsbindingen ook H-bruggen worden gevormd. Hierdoor wordt het vloeibare water omgezet in ijs.

Smelten

Het tegenovergestelde proces van stollen is smelten. Bij dit proces willen we een stof van vaste vorm naar vloeibare vorm krijgen. Daarvoor moeten de sterkere verbindingen tussen de moleculen verbroken worden. Hiervoor is een temperatuur nodig die hoger is dan het smeltpunt van de stof. Op het moment dat een stof het smeltpunt heeft bereikt, worden de verschillende moleculen niet meer bij elkaar gehouden door de waterstofbruggen, maar alleen door de Van der Waalsbindingen. In ons voorbeeld ga je dan van ijs, de vaste vorm van water, naar een temperatuur boven de 0 graden. Hierdoor worden de waterstofbruggen verbroken. Het ijs zal smelten en er ontstaat water in vloeibare vorm. 

Dus, stel we beginnen met ijs, vaste vorm. Als we boven het smeltpunt komen dan zal het ijs smelten naar vloeibare vorm. Als we dan boven het kookpunt komen dan zal het verdampen naar gasvorm. Als we het dan weer afkoelen tot onder het kookpunt, dan zal het condenseren naar vloeibare vorm. Als we het dan verder afkoelen naar onder het smeltpunt, dan zal het stollen naar vaste vorm, ijs dus. Het cirkeltje is rond.