Inleidende Scheikunde

In gewone chemische reacties blijft de kern van elk atoom (en dus de identiteit van het element) onveranderd. Elektronen kunnen echter aan atomen worden toegevoegd door overdracht uit andere atomen, verloren gaan door overdracht naar andere atomen, of gedeeld worden met andere atomen. Het overdragen en delen van elektronen tussen atomen bepaalt de chemie van de elementen. Tijdens de vorming van sommige verbindingen winnen of verliezen atomen elektronen, en vormen elektrisch geladen deeltjes die ionen worden genoemd (figuur 1).

Figuur 1. (a) Een natriumatoom (Na) heeft evenveel protonen als elektronen (11) en is ongeladen. (b) Een natriumkation (Na+) heeft een elektron verloren, dus heeft het een proton (11) meer dan elektronen (10), waardoor het een positieve lading heeft, aangegeven met een plusteken in superscript.

U kunt het periodiek systeem gebruiken om te voorspellen of een atoom een anion of een kation zal vormen, en u kunt vaak ook de lading van het resulterende ion voorspellen. Atomen van veel metalen uit de hoofdgroep verliezen voldoende elektronen, zodat ze hetzelfde aantal elektronen overhouden als een atoom van het voorgaande edelgas. Ter illustratie: een atoom van een alkalimetaal (groep 1) verliest één elektron en vormt een kation met een 1+ lading; een aardalkalimetaal (groep 2) verliest twee elektronen en vormt een kation met een 2+ lading, enzovoort. Bijvoorbeeld, een neutraal calciumatoom, met 20 protonen en 20 elektronen, verliest gemakkelijk twee elektronen. Dit resulteert in een kation met 20 protonen, 18 elektronen, en een 2+ lading. Het heeft hetzelfde aantal elektronen als atomen van het voorgaande edelgas, argon, en wordt gesymboliseerd als Ca2+. De naam van een metaalion is dezelfde als de naam van het metaalatoom waaruit het ontstaat, dus Ca2+ wordt een calciumion genoemd.

Wanneer atomen van niet-metaalelementen ionen vormen, krijgen ze in het algemeen genoeg elektronen om ze hetzelfde aantal elektronen te geven als een atoom van het volgende edelgas in het periodiek systeem. Atomen van groep 17 krijgen één elektron en vormen anionen met een 1-lading; atomen van groep 16 krijgen twee elektronen en vormen ionen met een 2-lading, enzovoort. Bijvoorbeeld, het neutrale broomatoom, met 35 protonen en 35 elektronen, kan één elektron winnen om het 36 elektronen te geven. Dit resulteert in een anion met 35 protonen, 36 elektronen, en een 1-lading. Het heeft hetzelfde aantal elektronen als atomen van het volgende edelgas, krypton, en wordt gesymboliseerd als Br-. (Een bespreking van de theorie die de bevoorrechte status van de elektronnummers van de edelgassen in deze voorspellende regels voor ionvorming ondersteunt, wordt in een later hoofdstuk van deze tekst gegeven.)

Noteer het nut van het periodiek systeem bij het voorspellen van waarschijnlijke ionvorming en lading (figuur 2). Van helemaal links naar rechts in het periodiek systeem hebben elementen van de hoofdgroep de neiging kationen te vormen met een lading die gelijk is aan het groepsnummer. Dat wil zeggen, elementen van groep 1 vormen 1+ ionen; elementen van groep 2 vormen 2+ ionen, enzovoort. Van uiterst rechts naar links op het periodiek systeem vormen elementen vaak anionen met een negatieve lading die gelijk is aan het aantal groepen links van de edelgassen. Bijvoorbeeld, groep 17 elementen (één groep links van de edelgassen) vormen 1-ionen; groep 16 elementen (twee groepen links) vormen 2-ionen, enzovoort. Deze trend kan in veel gevallen als leidraad worden gebruikt, maar de voorspellende waarde ervan neemt af naarmate men meer naar het midden van het periodiek systeem gaat. In feite vertonen overgangsmetalen en sommige andere metalen vaak variabele ladingen die niet voorspelbaar zijn door hun plaats in het periodiek systeem. Zo kan koper ionen vormen met een 1+ of 2+ lading, en ijzer kan ionen vormen met een 2+ of 3+ lading.

Figuur 2. Sommige elementen vertonen een regelmatig patroon van ionische lading wanneer ze ionen vormen.

De aard van de aantrekkingskrachten die atomen of ionen binnen een verbinding bij elkaar houden, vormt de basis voor het classificeren van chemische bindingen. Wanneer elektronen worden overgedragen en ionen worden gevormd, ontstaan ionische bindingen. Ionische bindingen zijn elektrostatische aantrekkingskrachten, dat wil zeggen, de aantrekkingskrachten die optreden tussen objecten met tegengestelde elektrische lading (in dit geval, kationen en anionen). Wanneer elektronen worden “gedeeld” en moleculen worden gevormd, ontstaan covalente bindingen. Covalente bindingen zijn de aantrekkingskrachten tussen de positief geladen kernen van de gebonden atomen en een of meer paren elektronen die zich tussen de atomen bevinden. Verbindingen worden geclassificeerd als ionisch of moleculair (covalent) op basis van de bindingen die erin aanwezig zijn.

Ionische verbindingen

Wanneer een element dat bestaat uit atomen die gemakkelijk elektronen verliezen (een metaal), reageert met een element dat bestaat uit atomen die gemakkelijk elektronen winnen (een niet-metaal), vindt er gewoonlijk een overdracht van elektronen plaats, waarbij ionen worden gevormd. De verbinding die door deze overdracht wordt gevormd, wordt gestabiliseerd door de elektrostatische aantrekking (ionische bindingen) tussen de ionen met tegengestelde lading die in de verbinding aanwezig zijn. Wanneer bijvoorbeeld elk natriumatoom in een natriummetaalmonster (groep 1) één elektron afstaat om een natriumkation Na+ te vormen en elk chlooratoom in een chloorgasmonster (groep 17) één elektron afstaat om een chloride-anion Cl- te vormen, is de resulterende verbinding NaCl samengesteld uit natriumionen en chloride-ionen in de verhouding van één Na+-ion voor elk Cl-ion. Op dezelfde manier kan elk calciumatoom (groep 2) twee elektronen afstaan en er een overdragen aan elk van de twee chlooratomen om CaCl2 te vormen, dat is samengesteld uit Ca2+- en Cl-ionen in de verhouding van één Ca2+-ion voor twee Cl-ionen.

Een verbinding die ionen bevat en bijeen wordt gehouden door ionische bindingen, wordt een ionische verbinding genoemd. Het periodiek systeem kan ons helpen veel ionische verbindingen te herkennen: Wanneer een metaal gecombineerd wordt met een of meer niet-metalen, is de verbinding meestal ionisch. Deze richtlijn werkt goed voor het voorspellen van de vorming van ionische verbindingen voor de meeste verbindingen die men in een inleidende scheikundecursus tegenkomt. Het is echter niet altijd waar (bijvoorbeeld aluminiumchloride, AlCl3, is niet ionisch).

Je kunt ionische verbindingen vaak herkennen aan hun eigenschappen. Ionische verbindingen zijn vaste stoffen die meestal smelten bij hoge temperaturen en koken bij nog hogere temperaturen. Natriumchloride bijvoorbeeld smelt bij 801 °C en kookt bij 1413 °C. (Ter vergelijking: de moleculaire verbinding water smelt bij 0 °C en kookt bij 100 °C.) In vaste vorm is een ionische verbinding niet elektrisch geleidend, omdat de ionen niet kunnen stromen (“elektriciteit” is de stroom van geladen deeltjes). In gesmolten toestand kan het echter wel elektriciteit geleiden, omdat de ionen zich vrij door de vloeistof kunnen bewegen (figuur 3).

Figuur 3. Natriumchloride smelt bij 801 °C en geleidt elektriciteit als het gesmolten is. (credit: modificatie van werk van Mark Blaser en Matt Evans)

Moleculaire verbindingen

Veel verbindingen bevatten geen ionen maar bestaan uitsluitend uit afzonderlijke, neutrale moleculen. Deze moleculaire verbindingen (covalente verbindingen) ontstaan wanneer atomen elektronen delen, in plaats van overdragen (winnen of verliezen). Covalente binding is een belangrijk en uitgebreid begrip in de chemie, en het zal in een later hoofdstuk van deze tekst uitvoerig worden behandeld. We kunnen moleculaire verbindingen vaak identificeren aan de hand van hun fysische eigenschappen. Onder normale omstandigheden bestaan moleculaire verbindingen vaak als gassen, vloeistoffen met een laag kookpunt en vaste stoffen met een laag smeltpunt, hoewel er veel belangrijke uitzonderingen bestaan.

Waar ionische verbindingen gewoonlijk worden gevormd door een combinatie van een metaal en een niet-metaal, worden covalente verbindingen gewoonlijk gevormd door een combinatie van niet-metalen. Het periodiek systeem kan ons dus helpen bij het herkennen van veel covalente verbindingen. Hoewel we de positie van de elementen van een verbinding in het periodiek systeem kunnen gebruiken om te voorspellen of ze ionisch of covalent is, moet je je ervan bewust zijn dat dit een zeer simplistische benadering is die geen rekening houdt met een aantal interessante uitzonderingen. Er bestaan grijstinten tussen ionische en moleculaire verbindingen, en daarover leer je later meer.