Samenvatting voor scheikunde: Geleiding van elektrische stroom door geladen deeltjes

Wat is geleidbaarheid?

Met geleidbaarheid bedoelen we de geleiding van een elektrische stroom door een stof, zoals je je kan voorstellen door een elektriciteitskabel. Het belangrijkste om hierbij te weten is dat een elektrische stroom kan worden geleid door vrije elektronen of ionen. Een object of zelfs een deeltje met een bepaalde lading wordt ook wel een elektrische pool genoemd. De tegenpool is dan een zelfde geladen deeltje die de tegenovergestelde lading draagt, dus een positieve lading als de ander juist negatief geladen is, en andersom. De geleiding van stroom gebeurt doordat de lading van die ionen of vrije elektronen van de ene naar de andere pool transporteren. Die elektronen bewegen dus eigenlijk constant heen en weer tussen de polen en daardoor ontstaat stroom.

Geleidbaarheid op verschillende niveau’s

Op macroniveau kan de geleiding makkelijk opgemerkt worden bij bijvoorbeeld ionen die opgelost zijn in vloeistof, zoals bijvoorbeeld keukenzout in water, of bij metalen, zoals elektriciteitsdraden van metaal waar de stroom in je huis doorheen stroomt. Macroniveau is dus het niveau waarop je dingen met het oog kunt waarnemen. Op microniveau focussen we ons bij het kijken naar geleiding op de structuur van stoffen. Microniveau betekent dus het kijken op schaal van de kleine deeltjes, zoals atomen en moleculen.

De geladen elektronen of ionen zijn bij een stof die een hoge geleidbaarheid heeft relatief vrij voor beweging. Als zulke geladen deeltjes daarentegen vast zitten in bijvoorbeeld een sterke roosterstructuur van de moleculen van een bepaald materiaal, dan kunnen de ladingen niet goed vrij bewegen van pool naar pool. Daardoor kan de elektriciteit niet of minder goed worden geleid door het materiaal heen. Hierdoor is dan de geleidbaarheid van het materiaal lager. De geleidbaarheid wordt dus voor een groot deel bepaald door de hoeveelheid elektronen die vrij kunnen bewegen binnen een materiaal.

Reactiviteit

De elektronen zorgen naast geleidbaarheid ook voor andere verschijnselen. Ze kunnen namelijk ook de structuur van een stof veranderen, doordat er bijvoorbeeld een binding aan wordt gegaan met een andere stof. Je spreekt dan van reactiviteit.

Reactiviteit houdt in dat een deeltje, zoals een atoom of molecuul, graag wil reageren met een ander deeltje. De reactiviteit wordt hoger als het deeltje zelf elektronen in zijn buitenste schil heeft die graag bewegen naar andere deeltjes. Het deeltje wil dan namelijk graag reageren met de elektronen van een ander deeltje.

Elektronenparen

We spreken daarbij van elektronenparen, omdat een atoom volgens de valentie-regel altijd een even aantal elektronen in de buitenste schil wil hebben. Volgens de octetregel het liefst acht, wat natuurlijk ook een even aantal is.

We spreken vervolgens van een vrij elektronenpaar als er twee elektronen zijn die bij één atoom horen en in de buitenste schil zitten, die nog niet betrokken zijn bij een binding met een ander atoom. De twee vrije elektronen van zo’n paar zijn in staat om vrij makkelijk bindingen aan te gaan met andere atomen, doordat er een elektron gedeeld kan worden met een atoom dat juist een elektron te kort heeft en er dus ook graag een zou willen delen.

Atomen met vrije elektronenparen zijn hierdoor vaak reactief, omdat ze een elektron kunnen delen met een ander atoom dat er eentje te kort heeft. We hebben dus aan de ene kant atomen die heel erg hard op zoek zijn naar extra elektronen en aan de andere kant atomen die op zich bereid zijn om elektronen te delen. Deze kunnen dus goed met elkaar reageren.

Radicalen

De atomen waar we het net over hadden - die dus hard op zoek zijn naar een extra elektron omdat ze er één te weinig hebben - noemen we ook wel radicalen. Deze atomen, die een elektron te weinig in de buitenste schil hebben om de schil volgens de valentie-regels compleet te maken, zijn dus sterk reactief. Bij zo’n radicaal noemen we een elektron dat zich in een nog niet helemaal opgevulde buitenste elektronenschil (valentieschil) van een atoom bevindt, een valentie-elektron. De valentie-elektronen per element kun je ook vinden in het periodiek systeem in Binas tabel 99.

Een atoom kan dus reactief zijn als deze een radicaal is. Een radicaal atoom betekent dat het atoom een ongepaard elektron heeft. Dat zorgt er bij een radicaal voor dat het atoom een elektron te weinig heeft in zijn valentieschil. Of een atoom een radicaal is kan per element bepaald zijn, zoals je ziet op het periodiek systeem, of door omstandigheden gebeuren.

Bij een radicaal is het atoom door deze elektronenconfiguratie niet in de juiste energiebalans en wordt het onrustig. Een radicaal wil graag een elektron in zijn schil aanvullen door een binding aan te gaan met een atoom die elektronen deelt. Als er een binding wordt gevormd met een ander atoom of molecuul waarbij de elektronen worden gedeeld, noem je dit een covalente binding. Dus covalente binding is als er elektronen worden gedeeld tussen atomen.

De meeste radicalen zijn maar heel kort aanwezig, zelfs nog minder dan seconden, doordat ze snel zullen reageren. Na de reacties zijn radicalen doorgaans stabiel. Goed om te weten is dat ook een molecuul een radicaal kan zijn en in totaal dus een elektron te weinig heeft. Ondanks dat radicalen vaak niet stabiel zijn, zijn er wel een aantal moleculen die toch stabiel voorkomen als radicaal. Een bekend voorbeeld is de zuurstof O2 die in de lucht zit. Deze kan prima op zichzelf voorkomen in de lucht, maar reageert ook makkelijk met andere stoffen, zoals in ons lichaam en in planten.

Elektronegativiteit

We hebben voornamelijk gekeken naar de reactiviteit van atomen. Maar ook op een grotere schaal, dus dat van moleculen, kunnen deeltjes wel of niet graag reageren. Dat heeft te maken met elektronegativiteit. Moleculen zijn reactief als ze een polaire atoombinding bevatten. Een polaire atoombinding is een binding met verschil in elektronegativiteit tussen twee atomen binnen een molecuul. De elektronegativiteit is een maat voor de neiging van een atoom om de gezamenlijke elektronenwolk naar zich toe te trekken als er een een chemische binding is gevormd tussen twee atomen. Dus simpelweg: hoe hard een atoom trekt aan de elektronen verschilt per atoom, en dat noemen we de elektronegativiteit.

Hoge elektronegativiteit houdt in dat de lading van de kern van een atoom grote aantrekkingskracht heeft op de elektronen in de elektronenschillen. Het atoom trekt dus hard aan de elektronen. Dat is, zoals je misschien al wel weet, bijvoorbeeld het geval als er veel positieve protonen in de atoomkern zitten die de negatieve elektronen uit de schil hard aantrekken als een soort magneet.

Atomen met hoge elektronegativiteit trekken makkelijker “vreemde” elektronen van andere atomen met lage elektronegativiteit aan, omdat ze dus harder trekken. Bij lage elektronegativiteit wordt er door een atoomkern juist minder hard aan de elektronen in de schil getrokken. Bij stoffen die bestaan uit verschillende atomen wordt het type chemische binding bepaald door het verschil in elektronegativiteit tussen de twee atomen.

Atomen met onderling een groot verschil in elektronegativiteit vormen ionverbindingen. Atomen met een klein verschil in elektronegativiteit vormen covalente bindingen. Bij covalente verbindingen geldt dat hoe kleiner het verschil in elektronegativiteit is, hoe zwakker de polariteit van de binding. Atomen van hetzelfde element hebben dezelfde elektronegativiteit en vormen daardoor apolaire covalente bindingen.

De uitleg over dit onderwerp gaat verder in de video, waar we ladingsverschillen en het dipoolmoment van een molecuul bespreken en het begrip ‘waterstofbruggen’ uitleggen.