De bouw van een molecuul
Inleiding:
Nederlandse tuinbouwers zitten op een goudmijn. Planten zitten namelijk tjok- en tjokvol waardevolle chemicaliën, met alle voordelen van dien. ‘Natuurlijke’ chemicaliën vallen beter bij consumenten dan op het lab gesynthetiseerde moleculen (ook al zijn ze identiek), wat goed is voor de verkoop. Belangrijker is dat moleculen uit planten al miljoenen jaren evolutie achter de rug hebben en vaak samenwerken met collega-stoffen. Hierdoor kan het resultaat spectaculair veel beter zijn dan het werk dat ‘kale’ moleculen (die uit een reageerbuis komen) kunnen verzetten. Ook voor chemiebedrijven bieden planten enorme kansen. Zij willen namelijk graag de stap maken richting een biobased portfolio waarin bestaande synthetische grondstoffen vervangen zijn door plantenstoffen. Ook is de chemie vaak op zoek naar moleculen met specifieke functionaliteiten die moeilijk te synthetiseren zijn, maar in de natuur allang bestaan. We weten alleen heel slecht wat er precies in die planten zit, waardoor het bedrijfsleven eerder naar kunstmatige moleculen grijpt dan naar hun natuurlijke tegenhangers.
(Bron: Goudmijn aan Plantaardige Moleculen – Inge Janse, januari 2016 Chemie Magazine, http://edepot.wur.nl/374873 )
Inzoomen op moleculen.
Een molecuulsoort kunnen we aangeven met:
De molecuulformule: geeft het aantal atomen van elke atoomsoort in een molecuul.
De structuurformule: geeft de wijze waarop de atomen aan elkaar zijn gebonden.
De ruimtelijke structuur: geeft een indruk van de ruimtelijke bouw en de grootte in vergelijking met andere moleculen (skeletmodel, ruimtevullend model).
Diverse schrijfwijzen om moleculen weer te geven
Molecuulformule
Een molecuul wordt gekarakteriseerd door de soorten en aantallen van die atomen in dat molecuul. Bijna alle moleculen bestaan uit verschillende soorten atomen. Enkele honderden moleculen bestaan uit maar één atoomsoort. We gaan daar later op in. We zullen dan ook zien dat de term molecuul niet voor alle stoffen opgaat.
We noemen de notaties voor moleculen: molecuulformules of (chemische) formules. De (molecuul)formule van een stof geeft aan uit hoeveel van welke atomen een molecuul van de stof bestaat.
Voorbeeld
Een watermolecuul bestaat uit twee atoomsoorten: H en O. De aantallen zijn respectievelijk 2x H en 1x O. De chemische schrijfwijze voor dit molecuul zou dan H2O1 zijn. De 2 en 1 heten indices of indexen; we schrijven ze rechtsonder de atoomsymbolen (als subscript). Als de index 1 is laten we echter weg, zodat de notatie wordt H2O.
De (molecuul)formule van een watermolecuul is dus H2O. Je zou ook OH2 kunnen schrijven, maar we houden ons internationaal aan bepaalde volgordes.
Zo bestaan zeer veel molecuulsoorten uit C, H en O atomen, en we schrijven de atomen in de molecuulformules in die volgorde. Bijvoorbeeld de formule van het suikermolecuul:
C12H22O11.
Staat er een getal vóór een molecuulformule, bijvoorbeeld 2 H2O, dan worden daarmee 2 watermoleculen bedoeld. Die 2 noemen we de coëfficiënt. Coëfficiënten geven dus de aantallen moleculen aan. De coëfficiënt 1 laten we weg.
INDEX
Structuurformule
Welke atomen zitten aan elkaar vast, en welke niet?
Een tekening in het platte vlak levert zo de structuurformule van het molecuul.
Structuurformule van azijnzuur
Een molecuul azijnzuur bevat dus:
2x koolstofatoom (C)
4x Waterstofatoom (H)
2x Zuurstofatoom (O)
Als molecuulformule zou je azijnzuur dan kunnen schrijven als : C2H4O2
Omdat het een zuur is en dit in het molecuul heel herkenbaar is aan de aanwezigheid van een –COOH groep, wordt azijnzuur als molecuulformule meestal anders geschreven:
CH3COOH
Structuurformule van water en van waterstofperoxide
In het H2O-molecuul zit het O-atoom tussen de twee H-atomen, de H-atomen zitten los van elkaar. Chemici noteren deze structuur als volgt: H - O - H. Het streepje tussen O en H geeft aan dat deze atomen aan elkaar 'gebonden' zijn en heet bindingsstreepje. De H-atomen zijn elk met een atoombinding aan het O-atoom gebonden. We noemen H - O - H de
structuurformule van water.
In het H2O2-molecuul zitten de atomen als volgt aan elkaar: H - O - O - H. Dit is de structuurformule van waterstofperoxide.
Structuurformule van methaan
Het C-atoom en de 4 H-atomen van een methaanmolecuul (CH4) zitten aan elkaar zoals hieronder getekend. Dit is de structuurformule van methaan.
Structuurformule van methaan (hoofdcomponent van aardgas)
Structuurformule van suiker
Hoe groter een molecuul, des te ingewikkelder de structuurformule. Op de volgende bladzijde staat de structuurformule van suiker, C12H22O11, officiële naam sacharose. In deze
structuurformule zijn overigens verschillende bindingsstreepjes weggelaten (de
bindingen van H-atomen). Veel C-atomen worden ogenschijnlijk zelfs helemaal niet vermeld!
Ze zitten op de hoekpunten van de vijfring of zesring.
Structuurformule van sacharose
Verschillende ‘soorten’ moleculen.
Hoe een molecuul opgebouwd is hangt af van de atomen (= bouwstenen) waaruit het is opgebouwd. De manier waarop atomen met elkaar verbonden zijn, wordt bindingstype genoemd. Bindingstypen hangen samen met de elektronenconfiguraties van atoomsoorten, die aan de binding deelnemen.
Voorbeelden van bindingstypes zijn:
Atoombinding
o de binding tussen twee neutrale niet-metaalatomen
Ionbinding
o de binding tussen tegengesteld geladen ionen, (meestal) metaalatomen met een positieve lading en niet-metaalatomen met een negatieve lading
(zouten).
Metaalbinding
o de binding tussen metaalatomen in metalen Atoombinding
Wanneer 2 niet-metalen een binding aangaan, wordt dit een atoombinding genoemd. Er ontstaat dan een moleculaire stof. Een voorbeeld hiervan is waterstof. Waterstof kennen wij voornamelijk als een gas. Waterstofgas bestaat niet uit losse H-atomen maar uit twee- atomige moleculen (H2). Als twee waterstofatomen dicht bij elkaar in de buurt komen, overlappen de elektronenwolken elkaar. Dat wil zeggen dat de elektronenwolk van het ene atoom onder invloed komt van de kern van het andere atoom en omgekeerd. De
aantrekkende krachten tussen de twee atomen zijn groter dan de afstotende krachten. Er vormt zich een atoombinding tussen beide waterstofatomen. Elk atoom levert per
atoombinding één elektron.
Aantrekking en afstoting tussen twee atomen Bron: McMurry & Fay, Chemistry
Wanneer een molecuul op deze manier gevormd wordt spreken we van een of meerdere gemeenschappelijk elektronenparen. In een structuurformule geven we zo’n atoombinding weer met een streepje tussen de symbolen van beide atomen: H - H
Gemeenschappelijk elektronenpaar Bron: McMurry & Fay, Chemistry
Metaalbinding
Een metaal bestaat uit één soort atomen, afgezien van enkele mengsels. Een mengsel van metalen wordt een legering genoemd.
Voorbeelden van legeringen zijn:
Brons: samengesmolten koper (Cu) en tin (Sn)
Messing: samengesmolten koper (Cu) en zink (Zn)
De metaalbinding is de binding tussen de metaalatomen als gevolg van de sterke aantrekkende krachten tussen de positieve kernen van de metaalatomen en de vrij bewegende valentie-elektronen Zie ook schematische weergave van een metaalrooster hieronder:
Metaalrooster
Metalen kunnen goed stroom geleiden. De reden hiervoor is de aanwezigheid van de vrij bewegende elektronen in het metaalrooster. De vrije elektronen kunnen de stroom (niets anders dan elektronen!) gemakkelijk door het metaal doorgeven.
Metalen zijn ook gemakkelijk vervormbaar. We kunnen ze buigen, walsen (tot platen) en trekken (tot draden). Deze eigenschap treedt nadrukkelijker op bij hogere temperaturen.
Ionbinding
De ionbinding is de binding tussen positieve en negatieve ionen in een vast zout. De ionbinding is een sterke binding.
Uit de elektriciteitsleer is bekend dat:
Hoe ontstaan ionen?
Ionen ontstaan niet zomaar. Positieve en negatieve ionen zijn het product van chemische reacties tussen metalen en niet-metalen, Bij deze reacties vindt een overdracht van elektronen plaats. De metaalatomen staan één of meerdere elektronen af en de niet- metaalatomen nemen één of meerdere elektronen op. Als een metaalatoom één of meer elektronen afstaat, moet een ander (niet-metaal)atoom die elektronen opnemen, want losse elektronen komen niet voor.
Voorbeeld
Bij de reactie tussen het metaal natrium en chloorgas ontstaat het zout natriumchloride (NaCl, keukenzout). Deze stof die is opgebouwd uit positief geladen Na+- en negatief geladen Cl--ionen.
In een reactievergelijking:
2 Na (s) + 1 Cl2(g) → 2 NaCl (s)
