2. Molecuulstructuren

Samenvatting voor scheikunde: Molecuulstructuren

Roosterstructuren

Je weet vast hoe een rooster eruit ziet: zoiets als bijvoorbeeld een hek. Ook op atomair en moleculair niveau kan zo een rooster soms teruggevonden worden. Zo´n roosterstructuur wordt in de scheikunde ook wel een kristalstructuur genoemd. In een rooster zitten de deeltjes ingedeeld in nette rijen. Als moleculen in een rooster zitten, dan spreken we van een vaste stoffen. In zo’n rooster houden de moleculen elkaar stevig vast door hun onderlinge aantrekkingskrachten. Deze krachten kunnen vaak sterker zijn, doordat de nette ordening van het rooster ervoor zorgt dat de afstand tussen de moleculen van een stof zo klein mogelijk is. 

Soorten aantrekkingskrachten tussen moleculen

Er zijn verschillende soorten aantrekkingskrachten tussen moleculen, en zo ook in de roosters. De aantrekkingskrachten tussen moleculen kunnen bijvoorbeeld vanderwaalsbindingen, waterstofbruggen of polaire krachten zijn. Bij vanderwaalsbindingen bijvoorbeeld, die je terugziet tussen alle moleculen, hangt de sterkte van het rooster af van de massa van de moleculen. Hoe groter de moleculen, hoe groter de aantrekkingskracht namelijk.

Bij polaire krachten speelt het ladingsverschil over de kanten binnen een molecuul een rol. Een polaire kracht betekent dat de positieve pool de negatieve pool van een ander molecuul aantrekt, en andersom.

Waterstofbruggen zijn een speciale vorm van polaire krachten. Ook deze worden namelijk gevormd tussen de elektronen van moleculen die een ladingsverdeling hebben over de verschillende kanten van het molecuul. Alleen zijn waterstofbruggen specifiek voor de polariteit tussen waterstof en zuurstof/stikstof. Al deze krachten zijn niet-covalent, wat betekent dat er geen échte binding wordt gevormd waarbij er elektronen worden gedeeld, zoals bij een atoombinding binnen een molecuul. 

Vervorming van materialen

Afhankelijk van de sterkte en soort binding tussen moleculen kan de ordening van moleculen in een materiaal veranderen. Zo kan een materiaal bij het wijzigen van de ordening zelfs vervormen, zo dat wij dat makkelijk met het blote oog kunnen zien. Ook vervorming van materialen en stoffen is daardoor afhankelijk van de moleculaire structuren.

Een goed voorbeeld zijn metalen. Zoals je vast weet zijn metalen voorwerpen namelijk vaak dingen die je kunt vervormen. Neem bijvoorbeeld goud, dat eerst een beetje wordt gesmolten door een goudsmid en waar zelfs nieuwe sieraden van gemaakt kunnen worden. 

We kunnen kijken naar de moleculaire structuur van een metaal om te kijken wat het betekent als een stof vervormbaar is. Zo zitten de atomen van een metaal in een metaalrooster. 

Metaalrooster

In een metaalrooster liggen de metaalionen geordend in een regelmatig patroon. Rondom de ionen is een wolk van elektronen aanwezig. Deze vrije elektronen horen niet bij één bepaald metaalatoom. De aantrekkingskracht tussen (positieve) metaalionen en de vrije elektronen noemen we de de metaalbinding, en deze houdt het metaalrooster bij elkaar. De lading en de grootte van de positieve metaalionen hebben invloed op de sterkte van het metaal. De metaalbinding is een sterke binding. Daardoor zijn de smeltpunten,

die je kunt vinden in Binas 40A, en ook de kookpunten van de meeste metalen vrij hoog.

De rijen in het rooster zijn hierbij erg flexibel en kunnen bij grote druk simpelweg van plaats binnen het rooster veranderen. Dit maakt een zuiver metaal ook makkelijk vervormbaar. Alle rijen zijn hetzelfde, omdat een zuiver metaal slechts uit één soort metaalatomen bestaat. Een legering is een combinatie van verschillende metalen van het periodiek systeem. Bij een legering gaat het verspringen van de rijen iets lastiger doordat de verschillende soorten metaalatomen in het rooster het verspringen kunnen verhinderen. De atomen kunnen namelijk een andere grootte hebben, of niet op de juiste structurele positie in de rij belanden als de hele rij wisselt. Een legering is daardoor dus ook sterker materiaal, omdat het dus moeilijker vervormbaar is. 

Als een stof, zoals een metaal, van vloeibare vorm naar vaste vorm wordt ingevroren, ontstaat de roostervorm. Bij het vormen van die roosters, zoals deze metaalroosters, kunnen roosterfouten ontstaan, waarbij de atomen in ongelijke of niet aansluitende rijen terechtkomen. Dit is bij metalen best makkelijk op te lossen. Metalen kunnen namelijk zacht worden bij verhitting, om ze zo te bewerken, en bij hoge temperaturen zelfs gesmolten worden. In vloeibare toestand wordt het metaal in een nieuwe vorm gegoten, en hier kan het metaal weer stollen en hard worden, maar nu zonder roosterfouten!

Vervorming van keramiek

Keramiek is een vergelijkbaar voorbeeld van een materiaal dat hard gemaakt kan worden met hitte. Keramiek wordt gemaakt van aarde of klei. Aarde- en klei-stoffen bevatten ionen en atomen, met bijbehorende ionbindingen en covalente atoombindingen. Het zijn beiden stoffen die je kunt kneden en vervormen in een gewenste vorm. Vervolgens kunnen ze hard gemaakt worden met behulp van hitte. Door de hoge temperatuur in bijvoorbeeld een oven ontstaan er zowel vaste ionroosters als atoomroosters in de stof, waardoor je een vast stevig keramiek-materiaal krijgt.

Keramiek is dus materiaal met een soort kristalstructuur, en ontstaat als klei verhit wordt in een oven. Waar klei die je een beetje hard laat drogen normaal weer zacht wordt als je er simpelweg wat water bij doet, zodat het weer vervormbaar is, kan dit bij keramiek niet meer na verhitting. Bij keramiek zorgen de sterke bindingen die ontstaan zijn bij het heet bakken ervoor dat er geen water meer bij de roosterstructuur komt om het materiaal te verzachten. Keramiek is dan, in tegenstelling tot klei, niet meer vervormbaar.

Polymeren en polymerisatie

Andere vervormbare materialen zijn polymeren. Je hebt vast wel gehoord van kunststof, wat een soort polymeer is. Polymeren zijn moleculen met lange ketens van gekoppelde gelijke onderdeeltjes. Deze onderdelen noem je monomere eenheden. Polymeren van verschillende ketenlengtes, en dus met een verschillend aantal monomere eenheden, ontstaan door polymerisatie. In het kort is polymerisatie dus het samenvoegen van monomeren. In een andere video kun je meer leren over de twee vormen van polymerisatie die er zijn: namelijk additiepolymerisatie en condensatiepolymerisatie.

Een polymeer materiaal kan van zichzelf erg flexibel zijn. Als dit niet het geval is, dan kan er ook een weekmaker worden gebruikt om een polymeer flexibel te maken. Een weekmaker is een stof die tussen polymeermoleculen gaat zitten om zo de vanderwaalsbindingen te verzwakken. Zo wordt de vervorming van een materiaal bestaande uit polymeren mogelijk, omdat het dus flexibeler wordt. 

Elastische polymeren

Ook tijdens een polymerisatiereactie kan er al een flexibele stof ontstaan. Met name tijdens een additiepolymerisatie reactie kan een elastisch polymeer ontstaan. Dit komt doordat een additiepolymerisatie reactie plaatsvindt bij monomere eenheden waar er dubbele bindingen aanwezig zijn. Deze dubbele bindingen kunnen dan crosslinks tussen twee polymeerketens vormen. Er ontstaan dan dus naast de bindingen tussen de monomere eenheden binnen de polymeer ook bindingen tussen de verschillende monomeren. Die crosslinks zijn dwarsverbindingen die, als ze lang genoeg zijn, zich helemaal kunnen uitstrekken. Vervolgens kunnen ze weer in de initiële vorm terugkeren, net als een elastiek. Polymeren met zulke crosslinks heten elastomeren. Een bekend voorbeeld van een elastomeer is rubber.

Aantasting van moleculaire structuren

Als laatste onderdeel van deze video bespreken we nog een interessante eigenschap van moleculaire structuren, namelijk de aantasting van de structuren. Aantasting verschilt van vervorming, doordat er door elektronen uitwisseling subtiele aanpassingen aan de structuur van een stof plaatsvinden. Dit gebeurt zonder de hele structuur van de stof compleet te veranderen, zoals bij vervorming met het blote oog zichtbaar is in de vorm van een materiaal. Aantasting kan komen door bijvoorbeeld UV-licht of oxidatie.

Aantasting door UV-licht

Moleculen kunnen zoals je weet ook meervoudige bindingen hebben. Ze kunnen bijvoorbeeld een dubbele of driedubbele binding bevatten in hun structuurformule. UV-licht, zoals voorkomt in het licht dat de zon uitstraalt, kan zulke dubbele bindingen open laten gaan. Het verbreken van een atoombinding maakt dat er een vrij elektronenpaar ontstaat, doordat een atoombinding bestaat uit een gedeeld elektronenpaar tussen twee atomen.

Als de binding wordt verbroken, blijft één van de twee atomen over met een elektronenpaar welke niet gedeeld wordt met een ander atoom. Dit is altijd het atoom waar het paar oorspronkelijk vandaan komt. Hierdoor kan het atoom met een vrij elektronenpaar weer een tijdelijke binding aangegaan met andere atomen. Ook het andere atoom blijft achter met een elektron minder, aangezien er geen elektron meer met dit atoom wordt gedeeld. Dit atoom wil ook graag weer een binding aangaan met een ander atoom die een vrij elektronenpaar heeft, en dus wel kan delen. Het hebben van dubbele bindingen maken een molecuul dus gevoeliger voor UV-licht en kunnen met invloed van UV-licht af en toe van structuur veranderen. 

Aantasting door oxidatie

Oxidatie heeft vaak te maken met metalen en houdt in dat een metaal kan worden aangetast door aanraking met zuurstof. Een metaal wordt dan niet per se vervormd. Het oxideren gebeurt door een reactie van de metaalstructuur met zuurstof en water. Er vindt een uitwisseling van elektronen plaats, doordat zuurstof erg hard trekt aan de elektronen van andere stoffen of elementen. Hoe het proces van oxidatie precies werkt kan je terugvinden in de uitleg over redoxreacties.

Edelheid van metalen

De edelheid van metalen geeft aan in hoeverre een metaal kan worden aangetast met zulke oxidatie reacties. Een metaal dat niet reageert met water en zuurstof noemen we een edelmetaal. Niet-edelmetalen kunnen gelukkig wel van de aantasting door oxidatie worden beschermd, door bijvoorbeeld een laagje verf of een laagje metaaloxide. Zo’n beschermend laagje zorgt ervoor dat zuurstof niet in direct contact komt met het metaal.