3.1 Theorie

Figuur: 6 water moleculen.
Figuur 3.1.3: zes water moleculen zoals je ze tegenkomt in ijs.

De wereld om je heen (en jij ook) bestaan uit hele kleine deeltjes die je moleculen noemt. Je kunt ze niet met het blote oog zien. Toch bepalen die moleculen heel erg hoe de wereld eruit ziet en hoe de natuur zich gedraagt.

De officiële definitie van een molecuul is als volgt:

Een molecuul is het kleinste deeltje van een zuivere stof.

 

Zuivere stoffen zijn dus materialen waar maar 1 soort moleculen in voorkomen. De meeste kristallen en veel gesteentes bestaan vaak uit één soort moleculen. Bijvoorbeeld: suiker bestaat uit suikermoleculen, kwartsglas bestaat uit kwartsmoleculen, water bestaat uit watermoleculen, salmiak bestaat uit salmiakmoleculen (!).

Figuur 3.1.3: Schematische voorstelling van een zuivere stof (links) en een mengsel (rechts)
Figuur 3.1.3: Schematische voorstelling van een zuivere stof (links) en een mengsel (rechts)

Er zijn er ook materialen die niet uit 1 soort molecuul bestaan. Die materialen noem je mengsels. Bijvoorbeeld Lucht: Lucht bestaat voornamelijk uit stikstofmoleculen en zuurstofmoleculen. Een ander voorbeeld is suikerwater. Die bestaat uit watermoleculen en suikermoleculen.

Atomen

aardgas
Figuur 3.14: Het methaanmolecuul (Aardgas) bestaat uit 1 koolstof atoom (zwart) en 4 waterstof atomen (blauw).

Moleculen zijn opgebouwd uit kleinere deeltjes, die atomen worden genoemd. We bevinden ons nu in de wereld van de scheikunde. Een scheikundige bestudeert hoe je de atomen van een molecuul van plaats kunt laten veranderen. Er ontstaat dan een nieuw molecuul, en dus een nieuwe stof!

Moleculen en atomen

Er zijn miljoenen moleculen. En ongeveer 120 tot 130 soorten atomen. Misschien heb je er nooit van gehoord, misschien juist heel veel. Maar hoe zit dat nou precies?

Hieronder zie je een simpele weergave van de bouwstenen (atomen) die de natuur gebruikt om moleculen te maken.

Atoomsoorten

Moleculen zijn opgebouwd uit die bouwstenen (atomen). Door atomen met elkaar te verbinden, ontstaat een verbinding.

Er zijn ongeveer 120 soorten atomen. Je kunt daarmee letterlijk miljoenen soorten combinaties maken. Net zoals het beroemde speelgoed uit Denemarken! Hieronder zie je een paar voorbeelden.

Watersuikerzout
Zo is het druivensuiker molecuul opgebouwd uit 12 koolstofatomen, 22 waterstofatomen en 11 zuurstofatomen.

Stofeigenschappen

Een soort moleculen kun je herkennen aan de stofeigenschappen die bij die moleculen horen.

Bijvoorbeeld:

  • geur,
  • kleur,
  • smaak,
  • oplosbaarheid,
  • smeltpunt.
  • Geluidssnelheid

Sommige stofeigenschappen zijn heel nuttig (glas is doorzichtig, suiker smaakt zoet), andere stofeigenschappen zijn grappig: De kleurstofmoleculen in rode bietjes worden niet in je lichaam afgebroken. Die kleurstof wordt in je urine weer afgevoerd, en dat kun je goed zien als je het toilet bezoekt.

Stofeigenschappen
  • Suiker heeft een witte kleur. Die witte kleur is een stofeigenschap van suiker.
  • Zout heeft ook een witte kleur. Het verschil tussen suiker en zout kun je proeven. Smaak is dus ook een stofeigenschap.
  • Stearine is doorzichtig als het smelt, en wit als het hard is. Stearine is kaarsvet.
  • Kaarsvet smelt bij 70 °celsius. Water smelt bij 0 °C. Je kunt dus het verschil tussen water en kaarsvet zien aan de hand van het smeltpunt. Het smeltpunt van een stof is dus ook een stofeigenschap.
  • Azijn heeft een beetje een zoete geur. (ruik maar eens goed).
    Lood is veel zwaarder als aluminium.

Wat doen moleculen?

Door het gedrag van moleculen beter te begrijpen kunnen we een heel aantal verschijnselen uit het dagelijks leven verklaren. Waarom zuigt een papieren zakdoekje het water zo makkelijk op? Waarom hoor je “pssst” als je een colafles open draait?

Het gedrag van moleculen is samengevat in een theorie die het molecuulmodel wordt genoemd. Dit is een hele uitgebreide beschrijving van wat moleculen doen en hoe ze zich gedragen. De belangrijkste onderdelen van het molecuulmodel zijn:

  • Iedere zuivere stof heeft zijn eigen molecuulsoort.
  • Moleculen bewegen. En ze bewegen sneller als ze warmer zijn.
  • Moleculen trekken elkaar aan.

De schaal van moleculen.

Deel een suikerklontje door midden. Neem een van de twee stukken en deel die weer door midden. Dat doe je nog 28 keer. Dan kom je ongeveer uit bij het formaat van een suikermolekuul (Probeer een suikerklontje maar eens 10 keer door midden te delen, dat is al een hele opgave).

Als 28 keer niet indrukwekkend genoeg is: het kan ook anders. Dat suikerklontje bestaat uit ongeveer 7.1023 molekulen!

Verklaren met het molecuulmodel

Zoals al eerder is gezegd: Met het molecuulmodel kunnen we een heel aantal verschijnselen verklaren uit ons dagelijks leven. Veel van die verschijnselen hebben een eigen naam, bijvoorbeeld: Diffusie, Cohesie, Adhesie, of Uitzetting.

Hieronder vind je een overzicht van de betekenis van die verschijnselen.

Cohesie: Aantrekkingskracht tussen moleculen van dezelfde stof.
Schaatsenrijders blijven op het water drijven door cohesie. Deze vorm van cohesie heet Oppervlaktespanning.

Een voorbeeld van cohesie vind je in het verschijnsel dat je oppervlaktespanning noemt. Oppervlaktespanning is het verschijnsel dat ervoor zorgt dat een veertje op water kan blijven drijven. Ook sommige insecten maken daar gebruik van: kijk in de zomer maar eens op de oppervlakte van een sloot: het is daar een enorme drukte!

De moleculen aan het oppervlakte van het water trekken aan elkaar, zeg maar dat ze elkaars hand vast houden. Het kost dus moeite om ze van elkaar los te trekken. Als je niet te hard drukt, kunnen ze dus een gewicht dragen!

Adhesie: Aantrekkingskracht tussen moleculen van verschillende soorten

Moleculen hoeven niet van hetzelfde soort te zijn om elkaar aan te trekken. Een dweiltje kun je gebruiken om water mee op te ruimen. De moleculen van het dweiltje trekken aan de watermoleculen, en zuigen die watermoleculen dus op.

De meniscus van water. Het glas trekt aan het water.
Meniscus: Het gebogen oppervlak van een vloeistof. De meniscus van water wordt veroorzaakt door adhesie.

Dit zie je in een reageerbuis: De wand van het glas trekt aan de watermoleculen. In het midden is die kracht er niet. Daarom is het waterniveau bij het glas hoger als in het midden.

 

 

Capillair: Een heel dun buisje die daardoor een heel sterke adhesie heeft.
Capillaire kracht: Adhesie in een capillair.

Stop een rietje in een glas cola. Je zult zien dat de cola in het rietje hoger staat dan de cola in het glas. Dat komt doordat de moleculen van de cola worden aangetrokken door de moleculen waar het rietje van is gemaakt (=adhesie).

Dat kan natuurlijk alleen op plaatsen waar het rietje en de cola elkaar raken: langs de wand van het rietje. In het midden voelen de colamoleculen die kracht niet. Daarom is het waterniveau daar lager. Het wateroppervlak is gebogen (=de meniscus). Een hangmat hangt ook krom omdat hij aan twee punten is opgehangen en wordt in het midden niet ondersteund.

Diffusie is het verschijnsel dat stoffen uit zichzelf mengen.

Dat wordt veroorzaakt door het feit dat moleculen bewegen. Diffusie gaat sneller als de stof warmer is. Dan bewegen de moleculen ook sneller.

Geuren verspreiden zich vaak door diffusie. Ook de zoete smaak van de suiker in je thee verspreidt zich door de thee door diffusie.

Deze spoorstaven zijn uitgezet tijdens een hevige brand.
Uitzetting: Het verschijnsel dat stoffen groter worden als ze warm zijn.

Dit wordt veroorzaakt door de beweging van moleculen. Een molecuul dat snel beweegt neemt meer ruimte in beslag als een molecuul dat stil staat.

Dit is lastig als je een brug gaat bouwen. In de zomer is de brug immers langer dan in de winter! Daarom zit een brug nooit helemaal strak vast. Ook de rails van het spoor zet uit in de zomer. Daarom zit er ruimte tussen iedere spoorstaaf. Dan heeft het metaal ruimte om uit te zetten. Die ruimte hoor je als je in de trein zit: In de trein hoor je dan iets in de trant van “Kedeng Kedeng”.