Structuur: hoe atomen gerangschikt zijn
Atomen binden door elektronen te delen of over te dragen. Elk atoom in een molecuul houdt de elektronenparen (bindingen en vrije elektronenparen) zo ver mogelijk van elkaar, want elektronenparen stoten elkaar af. Dit simpele idee (VSEPR genoemd) geeft de vorm.
Veelvoorkomende vormen
- Lineair: CO2 (180 graden).
- Gebogen: H2O (ongeveer 104.5 graden), omdat twee vrije elektronenparen de bindingen dichter naar elkaar duwen.
- Piramide: NH3 (ongeveer 107 graden), één vrij elektronenpaar.
- Tetraëder: CH4 (109.5 graden), vier bindingen, geen vrij elektronenpaar.
Grotere structuren volgen dezelfde ideeën: diamant is één groot netwerk van koolstofatomen, een zoutkristal is een herhalend rooster van ionen.
Eigenschappen: wat vorm en lading bepalen
Sommige atomen trekken gedeelde elektronen harder naar zich toe; die trek heet elektronegativiteit. Als de trekkrachten in een molecuul elkaar niet opheffen, is één kant een beetje negatief en de andere kant een beetje positief. Het molecuul is dan polair. Als de trekkrachten elkaar opheffen, zoals in het rechte CO2 of het tetraëdrische CH4, is het molecuul apolair.
Wat dit verandert
- Polaire moleculen trekken elkaar sterker aan, dus water kookt bij 100 °C terwijl methaan kookt bij ongeveer −162 °C.
- Gelijk lost gelijk op: zout en suiker lossen op in water; olie niet.
- Reuzenroosters (diamant, silica) zijn heel hard en smelten bij zeer hoge temperaturen; metalen geleiden stroom omdat elektronen vrij kunnen bewegen.
Energie: activeringsenergie, warmte en katalysatoren
Om een reactie te starten, moeten de oude bindingen eerst losser worden. Daarvoor is een minimaal duwtje nodig, de activeringsenergie (Ea). Denk aan een bal die eerst een heuvel op moet voordat hij naar beneden kan rollen.
Reactiewarmte
Als de producten minder energie hebben dan de beginstoffen, komt er warmte vrij (exotherm, ΔH negatief). Als ze meer energie hebben, wordt er warmte opgenomen (endotherm, ΔH positief). ΔH hangt niet af van de hoogte van de heuvel.
Katalysatoren
Een katalysator geeft de reactie een makkelijkere weg met een lagere heuvel. De reactie wordt sneller, maar de begin- en eindenergie, en dus ΔH, veranderen niet. Een katalysator raakt niet op.
Evenwicht: als een reactie lijkt te stoppen
Veel reacties zijn omkeerbaar: A ⇄ B. In het begin gaat alleen de heenreactie. Naarmate er meer B ontstaat, gaat de terugreactie sneller. In evenwicht zijn de twee snelheden gelijk, dus de hoeveelheden A en B blijven constant. Er is niets gestopt; beide reacties gaan nog steeds door (het is dynamisch).
Evenwichtsconstante
Voor A ⇄ B geldt K = [B] / [A]. Een grote K betekent vooral producten; een kleine K betekent vooral beginstoffen. K verandert alleen met de temperatuur.
Het idee van Le Chatelier
Als je een systeem in evenwicht verstoort (meer A toevoegen, druk of temperatuur veranderen), verschuift het zo dat de verstoring kleiner wordt. Een katalysator verschuift het evenwicht niet; hij zorgt er alleen voor dat je er sneller komt.
Probeer het: zie polariteit met een kam
Wrijf een plastic kam over droog haar. Draai een kraan open zodat er een dun straaltje water valt. Houd de kam dicht bij het straaltje: het water buigt naar de kam toe, omdat watermoleculen polair zijn. Probeer nu hetzelfde met een dun straaltje bakolie: dat beweegt bijna niet. Kies in de 3D om de beurt water en koolstofdioxide en vergelijk de getallen.
Belangrijke formules en begrippen
- Bindingshoeken: CO2 180, NH3 ongeveer 107, H2O ongeveer 104.5, CH4 109.5 (graden)
- Exotherm: producten lager dan beginstoffen, dH < 0
- Endotherm: producten hoger dan beginstoffen, dH > 0
- Voor A <-> B: K = [B] / [A]
- In evenwicht: snelheid heen = snelheid terug
Uitgewerkte voorbeelden
1. Waarom is koolstofdioxide apolair, terwijl elke C=O-binding polair is?
CO2 is recht. De twee trekkrachten zijn even groot en wijzen in tegengestelde richting, dus ze heffen elkaar op. Het molecuul heeft geen positieve of negatieve kant.
2. Een reactiemengsel in evenwicht heeft [A] = 0.2 mol/L en [B] = 0.6 mol/L voor A <-> B. Bereken K.
K = [B] / [A] = 0.6 / 0.2 = 3. De producten zijn in het voordeel.
3. Een katalysator verlaagt de activeringsenergie van 80 kJ naar 50 kJ. De beginstoffen liggen 20 kJ hoger dan de producten. Wat is dH en wat is de nieuwe drempel voor de heenreactie?
dH = producten min beginstoffen = -20 kJ (exotherm), en de katalysator verandert dat niet. De nieuwe drempel is 50 kJ.
Veelgemaakte fouten
- Denken dat een katalysator de hoeveelheid product in evenwicht verandert. Hij verandert alleen hoe snel het evenwicht bereikt wordt.
- Zeggen dat een reactie stopt in evenwicht. Heen- en terugreactie gaan beide door met gelijke snelheid.
- Denken dat polaire bindingen altijd een polair molecuul geven. De vorm kan de trekkrachten opheffen (CO2).
- Activeringsenergie en dH door elkaar halen. De ene is de hoogte van de heuvel, de andere is het verschil tussen begin en eind.