Samenvatting · Scheikunde · havo 4 Bindingen: waarom stoffen smelten, koken en geleiden zoals ze doen

Waarom geleidt koper wel stroom en suiker niet? Waarom kookt water pas bij 100 °C terwijl methaan al ver onder nul een gas is? Na deze samenvatting kun je bij elke stof zeggen welke bindingen erin zitten en daarmee het smeltpunt, het kookpunt, de geleiding en de oplosbaarheid verklaren.

Drie soorten stoffen

Bijna elke stof valt in een van drie groepen. Aan de bouwstenen herken je welke bindingen er zijn.

De atoombinding

Tussen niet-metaalatomen ontstaat een atoombinding (covalente binding): twee atomen delen een gemeenschappelijk elektronenpaar. Deze binding is sterk.

Het aantal atoombindingen dat een atoom meestal vormt, heet de covalentie: H vormt er 1, O 2, N 3 en C 4. In water zit het O-atoom dus vast aan twee H-atomen, en in methaan zit het C-atoom vast aan vier H-atomen.

Polair of apolair

Atomen trekken niet allemaal even hard aan het gedeelde elektronenpaar. Die trekkracht heet de elektronegativiteit. Is het verschil in elektronegativiteit groot genoeg, dan ligt het elektronenpaar duidelijk dichter bij het atoom met de hoogste elektronegativiteit. Dat atoom krijgt een kleine negatieve lading ${\delta }^{-}$, het andere een kleine positieve lading ${\delta }^{+}$. Dit is een polaire atoombinding. De binding tussen C en H geldt als apolair, omdat het verschil daar klein is.

Een molecuul met polaire bindingen is een dipoolmolecuul als de ladingen niet symmetrisch verdeeld zijn. Water is een dipool, want het molecuul is gebogen. Koolstofdioxide heeft wel polaire bindingen, maar is lineair: de ladingen heffen elkaar op en het molecuul is geen dipool.

Krachten tussen moleculen

Vanderwaalsbinding

Tussen alle moleculen werkt een zwakke aantrekking: de vanderwaalsbinding. Hoe groter de molecuulmassa, hoe sterker de vanderwaalsbinding en hoe hoger het smelt- en kookpunt. Daarom is methaan ($\mathrm{C}{\mathrm{H}}_4$) bij kamertemperatuur een gas en octaan (${\mathrm{C}}_8{\mathrm{H}}_{18}$), dat in benzine zit, een vloeistof.

Waterstofbrug

Een waterstofbrug is een extra sterke binding tussen moleculen. Hij ontstaat tussen een H-atoom dat aan een O- of N-atoom vastzit, en een O- of N-atoom van een ander molecuul. Stoffen met OH-groepen of NH-groepen kunnen dus waterstofbruggen vormen.

Waterstofbruggen verklaren waarom water zo'n hoog kookpunt heeft voor zo'n klein molecuul. Ze verklaren ook waarom ethanol (${\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_5\mathrm{OH}$) bij kamertemperatuur vloeibaar is, terwijl dimethylether ($\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{OC}{\mathrm{H}}_3$), met precies dezelfde molecuulmassa maar zonder OH-groep, een gas is.

De ionbinding en zouten

Een zout bestaat uit positieve en negatieve ionen, meestal metaalionen en niet-metaalionen of samengestelde ionen. De sterke aantrekking tussen tegengesteld geladen ionen heet de ionbinding. De ionen zitten vast in een regelmatig ionrooster.

• Zouten zijn hard en hebben een hoog smeltpunt, omdat de ionbinding sterk is.
• Vast geleiden ze niet: de ionen zitten vast. Gesmolten of opgelost geleiden ze wel.
• De verhoudingsformule volgt uit de ladingen: de totale lading is nul. Natriumchloride is $\mathrm{NaCl}$, calciumchloride is $\mathrm{CaC}{\mathrm{l}}_2$ en aluminiumoxide is $\mathrm{A}{\mathrm{l}}_2{\mathrm{O}}_3$: twee ionen $\mathrm{A}{\mathrm{l}}^{3+}$ en drie ionen ${\mathrm{O}}^{2-}$ geven $2\times 3-3\times 2=0$.

Lost een zout op in water, dan raken de ionen los uit het rooster en worden ze omringd door watermoleculen (hydratatie):

De metaalbinding

In een metaal zitten positieve metaalionen in een rooster, met daartussen vrije elektronen. De aantrekking tussen de ionen en de vrije elektronen is de metaalbinding. Doordat de elektronen vrij kunnen bewegen, geleiden metalen stroom en warmte. Doordat de ionlagen langs elkaar kunnen schuiven zonder dat de binding breekt, zijn metalen vervormbaar.

Oplossen: soort zoekt soort

• Moleculaire stoffen die goed oplossen in water heten hydrofiel. Dat zijn vooral stoffen die waterstofbruggen met water kunnen vormen, zoals suiker en ethanol. Ook veel zouten lossen goed op in water.
• Stoffen die slecht oplossen in water heten hydrofoob. Voorbeelden zijn olie, benzine en andere stoffen met grote apolaire moleculen. Ze lossen wel goed op in andere hydrofobe stoffen.

Valkuilen

• Verwar de atoombinding (in een molecuul, sterk) niet met de vanderwaalsbinding (tussen moleculen, zwak).
• Een waterstofbrug is geen atoombinding, maar een binding tussen moleculen.
• Een vast zout geleidt geen stroom, ook al bestaat het uit ionen.
• Bij een hoger kookpunt van een moleculaire stof horen sterkere bindingen tussen de moleculen, niet in de moleculen.

In het kort

• Metalen hebben metaalbinding, zouten ionbinding, moleculaire stoffen atoombindingen in en vanderwaalsbindingen tussen de moleculen.
• Stroomgeleiding vraagt vrij beweegbare geladen deeltjes.
• Een polaire atoombinding ontstaat door een verschil in elektronegativiteit; een asymmetrisch molecuul is dan een dipool.
• Grotere molecuulmassa betekent sterkere vanderwaalsbinding en een hoger kookpunt.
• Waterstofbruggen vormen zich via OH- en NH-groepen en verhogen het kookpunt flink.
• Hydrofiele stoffen lossen op in water, hydrofobe stoffen niet.