osbexact.nl


Molecuul

Moleculen

Met dank aan Marc Castenmiller

Hoe kan het dat dezelfde stof in drie verschillende aggregatietoestanden kan voorkomen die er zo verschillend uit zien: b.v. ijs, water en waterdamp. Dit verschijnsel is niet te verklaren met de kennis die je tot nu toe hebt. Laten we nu eens aannemen dat stoffen uit deeltjes bestaan en kijken of het dan wel lukt.

Deelbaarheid van de stof

Stoffen kunnen op verschillende manieren verdeeld worden in kleinere deeltjes. Dit kan onder meer door: - breken, malen (b.v. krijt tot krijtstof) - oplossen (b.v. suiker in koffie, zout in water) - verdampen (b.v. benzine: door verdamping verspreiden deze stoffen zich in heel de ruimte).

De verdeling kan zo ver gaan dat we de deeltjes niet meer kunnen zien, zelfs niet met een microscoop. Toch is de stof niet verdwenen: we proeven de suiker in de koffie, we ruiken de verdampte benzine in een garage!

Dit blijkt wanneer we een kristal van een kleurstof (b.v. het paarse kaliumpermanganaat) in een beker water brengen. Het korreltje lost geleidelijk op en na een tijdje is de hele vloeistof paars gekleurd. De kleine deeltjes, die niet meer zichtbaar zijn, hebben zich door de hele vloeistof verspreid.

Moleculen

Toch komt er een einde aan het verdelen van de stof in kleinere deeltjes. Van iedere stof bestaat er een allerkleinste deeltje. Dit allerkleinste bouwsteentje van een stof noemen we een molecule. Zo bestaan er watermoleculen, ijzermoleculen, goudmoleculen enz. Tegenwoordig kunnen we alleen met de allersterkste microscopen moleculen zichtbaar maken.

Onthoud: Een molecule is het allerkleinste bouwsteentje van een stof.

Het woord molecule is afkomstig van het Latijnse woord ‘molecula’, verkleinwoord van ‘moles’ (Latijn voor massa) en betekent dus letterlijk ‘kleine massa’.

Dat betekent niet dat moleculen de allerkleinste deeltjes zijn. Moleculen zijn weer opgebouwd uit atomen en die op hun beurt weer uit protonen, neutronen en elektronen. Wanneer je een molecule deelt in atomen verliest het zijn specifieke eigenschappen. Tegenwoordig kunnen wetenschappers zelf moleculen bouwen van atomen. Zo heeft men b.v. een Eifeltorentje van atomen gebouwd en een nanobuis; een buisje met een diameter van een miljardste meter.

Onthoud: Moleculen zijn bouwwerkjes van atomen.

Moleculen zijn ontzettend klein: ongeveer een miljardste meter. In jouw lichaam zitten ongeveer 10 27 moleculen; dat is een één met zevenentwintig nullen.

Onthoud: Wanneer een molecule zo groot zou zijn als de punt van jouw balpen dan zou jij zo groot zijn als de hele aarde.

Mengsels

Er zijn ook stoffen die in feite mengsels van stoffen zijn. Zo is b.v. lucht een mengsel van 78 stikstof, 21 zuurstof en 1 % andere gassen. Dat betekent dat lucht bestaat uit meerdere soorten moleculen.

Diffusie

Het verschijnsel waarbij twee stoffen zich geleidelijk en spontaan met elkaar mengen noemen we diffusie. Dit komt doordat in gassen en vloeistoffen de moleculen van de twee stoffen tussen elkaar door bewegen. Wanneer iemand een scheet laat komen er na enige tijd geurmoleculen in je neus en ruik je het.

Bij het oplossen van een vaste stof in water botsen de watermoleculen tegen de moleculen van de opgeloste stof, waardoor deze uiteenvalt en de moleculen ervan verspreid worden.
Wanneer we een gekleurd kristal (b.v. kaliumpermanganaat) oplossen in water van 50 °C i.p.v. 20°C, dan stellen we vast dat de paarse kleur zich veel vlugger verspreidt over de hele vloeistof. Dit kunnen we verklaren doordat bij hogere temperatuur de waterdeeltjes sneller bewegen. Doordat de moleculen voortdurend botsen verandert hun snelheid steeds.

Onthoud: Moleculen bewegen. Bij een hogere temperatuur is de gemiddelde snelheid van de moleculen groter.

Het absolute nulpunt

Hoe langzamer de moleculen bewegen des te lager is de temperatuur van een stof. De moleculen kunnen echter niet langzamer dan stilstaan. Dat betekent dat er een allerlaagste temperatuur is. Die temperatuur is -273°C en noemt men het absolute nulpunt. Lager bestaat dus niet en is ook nog nooit waargenomen.

In de wetenschap gebruikt men een temperatuurschaal die bij die allerlaagste temperatuur begint; de Kelvin schaal. 0 Kelvin = -273°C.

Onthoud: Bij -273°C staan de moleculen stil. Langzamer kunnen ze niet bewegen. Daarom is –273°C de laagst mogelijke temperatuur; het absolute nulpunt. Lagere temperaturen zijn onmogelijk.

De intermoleculaire ruimte

Mengt men 50 ml alcohol en 50 ml water dan is het totale volume niet 100 ml, maar ongeveer 97 ml. (plaatje zie verderop) We kunnen deze verrassende vaststelling begrijpen, wanneer we grote en kleine bolletjes mengen. Door kleine bolletjes goed te mengen met grotere, zullen de kleine bolletjes de ruimtes tussen de grote opvullen, waardoor het volume van het mengsel kleiner is dan van de afzonderlijke volumes samen. Hieruit kunnen we de conclusie trekken dat de water en de alcoholmoleculen blijkbaar niet even groot zijn en dat er ruimte tussen de moleculen zit die absoluut leeg is. De ruimte tussen de moleculen noemen we de intermoleculaire ruimte.

Onthoud: Tussen de moleculen zit niets. Echt niets. Dus geen lucht, alleen maar ruimte.

Mengsel, Marc Castenmiller

Aantrekking

Een druppel hangt aan een kraan. Toch valt de druppel niet naar beneden. Blijkbaar trekken de watermoleculen en de ijzeratomen elkaar aan. Ook de druppel water valt niet uit elkaar. Blijkbaar trekken ook de watermoleculen elkaar aan.

Onthoud: Alle moleculen trekken elkaar aan.

Stevigheid

Een krijtje valt niet uit elkaar omdat de kalkmoleculen elkaar aantrekken. Breek je het krijtje echter doormidden en probeer je daarna de twee helften weer tegen elkaar te zetten dan zal je merken dat het niet vast blijft zitten. Dit komt omdat er kalkmoleculen tussenuit zijn gevallen waardoor de twee helften niet meer goed op elkaar passen. De afstand tussen de moleculen van de twee helften wordt daardoor groter. Op iets grotere afstanden zijn de aantrekkingskrachten tussen de moleculen veel kleiner.

Onthoud: De krachten tussen moleculen of atomen zijn alleen sterk op hele korte afstanden.

De drie aggregatietoestanden

De voornaamste kenmerken van de drie aggregatietoestanden zijn ook te verklaren met het moleculenmodel.

Vast

In een vaste stof bevinden de moleculen zich dicht bij elkaar, meestal regelmatig geordend. De moleculen bewegen (trillen) maar blijven onderling op dezelfde plaats. De vaste stof heeft daardoor een eigen vorm en volume en is niet samendrukbaar. Het breken van een vaste stof vereist energie, b.v. een ijsbreker om een dichtgevroren rivier bevaarbaar te maken. Doordat de moleculen dicht bij elkaar zitten zijn er sterke aantrekkingskrachten. Bij verwarming neemt de beweeglijkheid van de moleculen toe.

Vloeibaar

In vloeibare toestand hebben de moleculen een grotere beweeglijkheid: ze blijven nog dicht bij elkaar, maar kunnen t.o.v. elkaar verschuiven. De regelmatige rangschikking gaat verloren. Vloeistoffen hebben daardoor geen eigen vorm; ze nemen de vorm aan van het vat waarin ze zich bevinden. Ze zijn net als vaste stoffen moeilijk samendrukbaar. Hierdoor hebben ze dus wel een eigen volume. Doordat de moleculen verder uit elkaar zitten zijn de aantrekkingskrachten tussen de moleculen zwakker dan bij vaste stoffen; een schip vaart veel gemakkelijker door water dan door ijs!

Gasvormig

In de gasvormige toestand bevinden de moleculen zich verder van elkaar in totale wanorde. Ze bewegen vrij in de beschikbare ruimte. Doordat ze ver uit elkaar zitten is de onderlinge aantrekkingskracht verwaarloosbaar klein. Gassen hebben daardoor geen eigen vorm en geen eigen volume. Ze zijn samendrukbaar. Bij verhoogde druk worden de moleculen dichter bij elkaar gedrongen en zal een gas uiteindelijk condenseren.

Onthoud: In een vaste stof trillen de moleculen op hun plaats en botsen tegen de buren.

In een vloeistof wriemelen de moleculen kriskras door elkaar en botsen.

In een gas vliegen de moleculen met grote snelheid kriskras door de ruimte.

Faseovergangen

Smelten wil zeggen dat de moleculen elkaar zover wegbotsen dat ze niet meer terugkomen maar door elkaar gaan bewegen.

Verdampen wil zeggen dat de snelste moleculen uit de vloeistof springen.

Fase driehoek, Marc Castenmiller

Uitzetten van een stof

Bij een hogere temperatuur trillen de moleculen sneller en botsen de buurmoleculen verder weg. Er komt meer lege ruimte tussen de moleculen.

Luchtdruk

Luchtdruk ontstaat door dat de moleculen (stikstof en zuurstof) overal tegenaan botsen en daarbij druk op de wanden uitoefenen. Hoe vaker en harder moleculen tegen de wand botsen des te groter is de druk.

Veerkrachtig

Moleculen botsen volkomen veerkrachtig. Dat wil zeggen dat ze met dezelfde snelheid van een muur terugkomen als dat ze er tegenaan gaan.

Kristalrooster

In de vaste toestand zitten de moleculen meestal in een kristalrooster. Dat betekent dat ze geordend zijn volgens een bepaald patroon. Je kunt dezelfde moleculen op verschillende manieren ordenen. Dat betekent dat je van dezelfde moleculen verschillende stoffen kunt maken. Grafiet en diamant bestaan b.v. allebei uit koolstofmoleculen.

Adhesie en cohesie

De vloeistofspiegel van kwik staat bol. Dit komt omdat de krachten tussen de kwikmoleculen onderling (cohesiekrachten) sterker zijn dan de krachten tussen kwikmoleculen en glasmoleculen. Bij water en glas is dat precies andersom.

Onthoud: Krachten tussen moleculen of atomen van dezelfde soort noemen we cohesiekrachten. (cohesie = stevigheid).

Krachten tussen moleculen of atomen van verschillende soort noemen we adhesiekrachten.

Capillaire werking

In dunne buisjes stijgt water op. Dit noemt men capillaire werking. Dit verschijnsel wordt gebruikt door planten en bomen om water omhoog te krijgen. In de planten en de bomen lopen dus dunne buisjes. Als het regent en waait kan er soms water onder het raam langs naar boven kruipen waardoor het toch nat wordt. Een andere toepassing is het opnemen van vocht met een keukenrol.

Onthoud: Capillaire werking is het verschijnsel dat water opstijgt in dunne buisjes.

Oppervlaktespanning

Ook het drijven van een punaise op water kun je verklaren met krachten tussen moleculen. Het verhaal is hier echter iets ingewikkelder. In een bak water worden watermoleculen naar alle kanten aangetrokken door de buurwatermoleculen. De bovenste water moleculen worden echter alleen naar beneden en opzij getrokken. Daardoor zitten ze wat dichter bij elkaar. Hierdoor zijn de aantrekkingskrachten groter en is het bovenste laagje water wat steviger dan de rest van het water. Er zit dus een soort vliesje op het water. Hierop blijft de punaise drijven. Dit verschijnsel heet oppervlaktespanning. De oppervlaktespanning verdwijnt als er zeep in het water komt want dan kruipen de zeepmoleculen tussen de watermoleculen waardoor de afstand tussen de watermoleculen groter wordt en de aantrekkingskrachten dus zwakker.

Onthoud: Oppervlaktespanning van water wil zeggen dat er een soort vliesje op het water zit.

Oppervlaktespanning, Marc Castenmiller

Elementen die je moet leren

Metalen

Zilver (Ag), Goud (Au), Cadmium (Cd), Koper (Cu), IJzer (Fe), Kwik (Hg), Natrium (Na) en Lood (Pb).

Niet metalen

Koolstof ©, Fosfor (P) en Zwavel (S).

Gassen

Chloor (Cl), Fluor (F), Waterstof (H), Helium (He), Stikstof (N) en Zuurstof (O).

Plaatjes van de elementen die je moet leren