Scheikunde van basisschool tot bovenbouw · Grades 1–12

11Atomen en moleculen

Neem een druppel water en snijd hem in tweeën. Elke helft is nog steeds water. Snijd een helft weer in tweeën, en nog eens, en nog eens. Kun je eindeloos doorgaan, of kom je bij een stukje dat zo klein is dat je, als je het nog één keer doorsnijdt, iets krijgt wat helemaal geen water meer is? Rond 400 v.Chr. raadde de Griekse denker Democritus het antwoord: materie bestaat uit piepkleine stukjes die niet te snijden zijn, die hij atomen noemde, naar het Griekse woord voor “ondeelbaar”. Het kostte meer dan tweeduizend jaar, en het werk van de scheikundigen van de negentiende eeuw, om van dat vermoeden wetenschap te maken. Dit hoofdstuk beschrijft de stukjes — de atomen — en hoe ze zich tot moleculen groeperen.

Wat je al weet

Een zuivere stof, zoals water of zuurstof, bestaat uit één enkele chemische stof; een mengsel, zoals lucht, bevat er meerdere (Hoofdstuk 8). Lucht bestaat voor ongeveer vier vijfde uit stikstof en voor een vijfde uit zuurstof (Hoofdstuk 4).

11.1 Atomen

Definitie 11.1 (Atoom)

Alle materie is opgebouwd uit uiterst kleine deeltjes die atomen heten. In de natuur bestaan maar ongeveer honderd verschillende soorten atomen, en elke stof — water, lucht, ijzer, suiker, ons eigen lichaam — bestaat uit atomen van een paar van die soorten.

Propositie 11.2 (Atomen zijn piepklein)

Het kleinste atoom, het waterstofatoom, is ongeveer een tienmiljoenste millimeter breed; de andere zijn hoogstens een paar keer groter. Tien miljoen waterstofatomen op een rij vormen een lijn van één millimeter. Om het je voor te stellen: als een appel zo groot werd als de aarde, zou elk van zijn atomen ongeveer zo groot zijn als een kleine kers.

Opmerking 11.3 (Gezien zonder gezien te worden)

Geen enkele lichtmicroscoop kan een atoom laten zien: atomen zijn veel kleiner dan de golven van licht. Sinds de jaren tachtig maken speciale microscopen, die een oppervlak aftasten met een uiterst fijne punt, beelden waarop afzonderlijke atomen als bobbeltjes te zien zijn.

Definitie 11.4 (Symbool van een atoom)

Elke soort atoom heeft een naam en een symbool: één hoofdletter, soms gevolgd door één kleine letter. Het symbool is in elke taal hetzelfde.

atoom	symbool	kleur in model	atoom	symbool	kleur in model
waterstof	$\ce{H}$	wit	natrium	$\ce{Na}$	paars
koolstof	$\ce{C}$	zwart	zwavel	$\ce{S}$	geel
stikstof	$\ce{N}$	blauw	chloor	$\ce{Cl}$	groen
zuurstof	$\ce{O}$	rood	ijzer, koper	$\ce{Fe}$ , $\ce{Cu}$	—

Opmerking 11.5 (Waar de symbolen vandaan komen)

De meeste symbolen zijn de beginletters van een oude, Latijnse naam: $\ce{H}$ van hydrogenium (waterstof), $\ce{C}$ van carbonium (koolstof), $\ce{O}$ van oxygenium (zuurstof), $\ce{Na}$ van natrium, $\ce{Fe}$ van ferrum (ijzer), $\ce{Cu}$ van cuprum (koper). De tweede letter is altijd klein: $\ce{Co}$ is het kobaltatoom, terwijl CO, met een hoofdletter O, iets heel anders is.

Geschiedenis — De atomen van Dalton, 1808

In 1808 publiceerde de scheikundige John Dalton een tabel van de atomen die toen bekend waren, elk getekend als een cirkeltje met een eigen teken. Hij was de eerste die zei dat elk atoom van één soort hetzelfde gewicht heeft, en dat scheikundigen die gewichten konden vergelijken. Maar hij dacht ook dat water uit één waterstofatoom en één zuurstofatoom bestond; het duurde nog vijftig jaar voordat scheikundigen het erover eens waren dat een watermolecuul twee waterstofatomen bevat.

11.2 Moleculen

Definitie 11.6 (Molecuul)

Een molecuul is een groep atomen die stevig aan elkaar vastzitten. Een molecuul is het kleinste stukje van een stof dat nog die stof is: een watermolecuul is de kleinst mogelijke hoeveelheid water.

Voorbeeld 11.7 (Zeven moleculen)

waterstof: twee waterstofatomen;
zuurstof, dat we inademen: twee zuurstofatomen;
stikstof, vier vijfde van de lucht: twee stikstofatomen;
water: twee waterstofatomen en één zuurstofatoom;
koolstofdioxide, dat we uitademen: één koolstofatoom en twee zuurstofatomen;
methaan, het hoofdbestanddeel van het aardgas dat in gasfornuizen verbrandt: één koolstofatoom en vier waterstofatomen;
distikstofoxide, een verdovend gas (lachgas): twee stikstofatomen en één zuurstofatoom.

Bal-en-staafmodellen van de zeven moleculen van . Elk staafje stelt een binding tussen twee atomen voor; waarom sommige atomen twee of drie staafjes delen, legt een later hoofdstuk uit. — Bal-en-staafmodellen van de zeven moleculen van Voorbeeld 11.7. Elk staafje stelt een binding tussen twee atomen voor; waarom sommige atomen twee of drie staafjes delen, legt een later hoofdstuk uit.

Propositie 11.8 (Moleculen van een zuivere stof en van een mengsel)

In een zuivere stof die uit moleculen bestaat, zijn alle moleculen gelijk: zuiver water bevat alleen watermoleculen. Een mengsel bevat moleculen van meerdere soorten: lucht bestaat vooral uit stikstofmoleculen en zuurstofmoleculen, ongeveer vier van stikstof op één van zuurstof, met een paar argonatomen die los blijven, en heel weinig moleculen koolstofdioxide.

Enorm ingezoomd. Links: in lucht zijn er veel meer stikstofmoleculen (blauw) dan zuurstofmoleculen (rood), en een argonatoom (lichtblauw) reist alleen; de moleculen van een gas zitten ver uit elkaar. Rechts: in vloeibaar water zijn de moleculen allemaal gelijk en raken ze elkaar.

11.3 Chemische formules

Definitie 11.9 (Chemische formule)

De chemische formule van een molecuul geeft de symbolen van zijn atomen, elk gevolgd door een klein getal dat onder de regel geschreven wordt — de index — en dat aangeeft hoeveel atomen van die soort het molecuul bevat. Een index 1 schrijf je niet.

Voorbeeld 11.10 (De zeven formules)

De moleculen van Voorbeeld 11.7 hebben deze formules:

molecuul	formule	atomen
waterstof	$\ce{H2}$	2 waterstof
zuurstof	$\ce{O2}$	2 zuurstof
stikstof	$\ce{N2}$	2 stikstof
water	$\ce{H2O}$	2 waterstof, 1 zuurstof
koolstofdioxide	$\ce{CO2}$	1 koolstof, 2 zuurstof
methaan	$\ce{CH4}$	1 koolstof, 4 waterstof
distikstofoxide	$\ce{N2O}$	2 stikstof, 1 zuurstof

Methode 11.11 (Een formule lezen)

Zo lees je de formule van een molecuul:

verdeel haar in symbolen: elk symbool begint met een hoofdletter;
lees na elk symbool de index (geen index betekent 1);
tel de indices op om het totale aantal atomen te krijgen.

Voor $\ce{C2H6O}$ (ethanol, de alcohol in dranken): 2 koolstof, 6 waterstof, 1 zuurstof, in totaal 9 atomen.

Opmerking 11.12 (Een getal ervoor)

Een getal vóór een formule telt moleculen: $\ce{3H2O}$ betekent drie watermoleculen, die samen 6 waterstofatomen en 3 zuurstofatomen bevatten. Verwar $\ce{O2}$ , één molecuul uit twee zuurstofatomen, niet met $\ce{2O}$ , twee zuurstofatomen die niet aan elkaar vastzitten.

Voorbeeld 11.13 (Methaan in de keuken)

Het aardgas van een gasfornuis is grotendeels methaan, $\ce{CH4}$ . Elk van zijn moleculen is één koolstofatoom met vier waterstofatomen eromheen. Het gas is onzichtbaar en reukloos: de “gaslucht” is een stof die er met opzet aan wordt toegevoegd, zodat je een lek opmerkt.

De blauwe vlam van een gasfornuis: het methaan van aardgas verbrandt.

11.4 Molecuulmodellen

Opmerking 11.14 (Modellen, en hun kleuren)

Scheikundigen bouwen molecuulmodellen met balletjes voor de atomen en staafjes voor de bindingen ertussen. De kleuren zijn een afspraak die over de hele wereld gebruikt wordt — koolstof zwart, waterstof wit, zuurstof rood, stikstof blauw — en niet de echte kleur van atomen: een los atoom heeft helemaal geen kleur. Een model laat ook de vorm van een molecuul zien, wat een formule niet doet: het watermolecuul is gebogen, het koolstofdioxidemolecuul is recht.

Een molecuulbouwdoos: balletjes voor de atomen, met gaatjes voor de staafjes die de bindingen voorstellen.

Methode 11.15 (Van een model naar een formule)

Zo schrijf je de formule van een molecuul op uit zijn model:

geef de atomen een naam aan de hand van hun kleur;
tel de balletjes van elke kleur;
schrijf de symbolen op met de aantallen als index, eerst koolstof, dan waterstof, dan de andere atomen in alfabetische volgorde van hun symbolen.

Een zwart balletje vast aan vier witte: één koolstof, vier waterstof, $\ce{CH4}$ .

11.5 Oefeningen

Oefening 11.1 ★

Wat is een atoom? Wat is een molecuul?

Oplossing

Oplossing van Oefening 11.1.

Een atoom is een van de uiterst kleine deeltjes waaruit alle materie is opgebouwd (er bestaan ongeveer honderd soorten). Een molecuul is een groep atomen die stevig aan elkaar vastzitten, het kleinste stukje van een stof dat nog die stof is.

Oefening 11.2 ★

Geef de symbolen van waterstof, koolstof, stikstof, zuurstof, natrium en ijzer.

Oplossing

Oplossing van Oefening 11.2.

$\ce{H}$ , $\ce{C}$ , $\ce{N}$ , $\ce{O}$ , $\ce{Na}$ , $\ce{Fe}$ .

Oefening 11.3 ★

Hoeveel atomen van elke soort zitten er in één molecuul koolstofdioxide, $\ce{CO2}$ ? Hoeveel atomen in totaal?

Oplossing

Oplossing van Oefening 11.3.

1 koolstofatoom en 2 zuurstofatomen: in totaal 3 atomen.

Oefening 11.4 ★

Geef de namen van de moleculen $\ce{H2O}$ , $\ce{O2}$ , $\ce{CH4}$ en $\ce{N2}$ .

Oplossing

Oplossing van Oefening 11.4.

Water, zuurstof, methaan, stikstof.

Oefening 11.5 ★

Een molecuul stikstofdioxide, een bruin gas in vervuilde lucht, bestaat uit één stikstofatoom en twee zuurstofatomen. Schrijf de formule op.

Oplossing

Oplossing van Oefening 11.5.

$\ce{NO2}$ .

Oefening 11.6 ★★

Leg het verschil uit tussen $\ce{O2}$ en $\ce{2O}$ , en tussen $\ce{CO}$ en $\ce{Co}$ .

Oplossing

Oplossing van Oefening 11.6.

$\ce{O2}$ is één molecuul uit twee aan elkaar vastzittende zuurstofatomen; $\ce{2O}$ zijn twee losse zuurstofatomen. $\ce{CO}$ is een molecuul uit één koolstofatoom en één zuurstofatoom (twee hoofdletters, twee symbolen); $\ce{Co}$ is één atoom kobalt (één symbool, een hoofdletter en dan een kleine letter).

Oefening 11.7 ★★

Hoeveel waterstofatomen en hoeveel zuurstofatomen zitten er in $\ce{3H2O}$ ? En in $\ce{5O2}$ ?

Oplossing

Oplossing van Oefening 11.7.

$\ce{3H2O}$ : $3\times 2 = 6$ waterstofatomen en $3\times 1 = 3$ zuurstofatomen. $\ce{5O2}$ : geen waterstof, $5\times 2 = 10$ zuurstofatomen.

Oefening 11.8 ★★

Een model bestaat uit één zwart balletje met twee rode balletjes eraan. Geef de namen van de atomen, schrijf de formule op en geef de naam van het molecuul.

Oplossing

Oplossing van Oefening 11.8.

Zwart is koolstof, rood is zuurstof: één koolstof, twee zuurstof, $\ce{CO2}$ , koolstofdioxide.

Oefening 11.9 ★★

In de tabel van Dalton bestaat water uit één waterstofatoom en één zuurstofatoom. Schrijf de formule op die Dalton in gedachten had, en zeg hoeveel atomen zijn watermolecuul tekortkomt.

Oplossing

Oplossing van Oefening 11.9.

Het water van Dalton was $\ce{HO}$ . Het echte molecuul, $\ce{H2O}$ , heeft één waterstofatoom meer: het molecuul van Dalton kwam één atoom tekort.

Oefening 11.10 ★★

Is zuiver water een mengsel? En lucht? Antwoord door de moleculen te beschrijven die elk van beide bevat.

Oplossing

Oplossing van Oefening 11.10.

Zuiver water is geen mengsel: al zijn moleculen zijn gelijke $\ce{H2O}$ -moleculen. Lucht is een mengsel: het bevat stikstofmoleculen, zuurstofmoleculen, argonatomen en een paar koolstofdioxidemoleculen.

Oefening 11.11 ★★★

Een waterstofatoom is ongeveer een tienmiljoenste millimeter breed. Hoeveel waterstofatomen naast elkaar vormen een lijn van $1\,\mathrm{cm}$ ? En een lijn zo lang als een voetbalveld, $100\,\mathrm{m}$ ?

Oplossing

Oplossing van Oefening 11.11.

Tien miljoen atomen maken $1\,\mathrm{mm}$ , dus voor $1\,\mathrm{cm}$ $= 10\,\mathrm{mm}$ zijn $10 \times$ tien miljoen $=$ honderd miljoen atomen nodig. $100\,\mathrm{m} = 100\,000$ mm vraagt $100\,000\times$ tien miljoen $=$ duizend miljard atomen.

Oefening 11.12 ★★★

Glucose, de suiker die onze cellen voedt, heeft de formule $\ce{C6H12O6}$ . Hoeveel atomen bevat één glucosemolecuul? Welk percentage daarvan zijn waterstofatomen? Welk percentage koolstofatomen?

Oplossing

Oplossing van Oefening 11.12.

$6 + 12 + 6 = 24$ atomen. Waterstof: $\frac{12}{24} = 50\,\%$ . Koolstof: $\frac{6}{24} = 25\,\%$ (en zuurstof de overige $25\,\%$ ).

11.6 Probleem: De atomen van een ademteug

Probleem 11.1

Weekendprobleem — de atomen in een teug lucht tellen, voor en nadat die in onze longen is geweest

Stikstof gaat onveranderd door de longen, en is daarom een goede maatstaf. In droge lucht zijn er op elke 78 stikstofmoleculen ongeveer 21 zuurstofmoleculen en 1 argonatoom: in totaal 100 deeltjes (moleculen of losse atomen). In uitgeademde lucht, als de waterdamp eruit gehaald is, gaan dezelfde 78 stikstofmoleculen samen met ongeveer 16 zuurstofmoleculen, 4 koolstofdioxidemoleculen en 1 argonatoom.

Deel I — De lucht die we inademen.

Schrijf de formules op van het stikstof-, het zuurstof- en het koolstofdioxidemolecuul, en geef van elk het aantal atomen.
Argon wordt in atomen geteld, niet in moleculen. Wat zegt dat over argon?
Hoeveel stikstofatomen zitten er in deze 100 deeltjes ingeademde lucht? Hoeveel zuurstofatomen?
Hoeveel atomen zitten er in totaal in deze 100 deeltjes?
Welk percentage van deze atomen zijn stikstofatomen? Rond af op een geheel getal.

Deel II — De lucht die we uitademen.

Hoeveel zuurstofatomen zitten er in de uitgeademde lucht die bij dezelfde 78 stikstofmoleculen hoort, in zuurstofmoleculen? In koolstofdioxidemoleculen? In totaal?
Vergelijk met vraag 3. Hoeveel zuurstofatomen ontbreken er? In welk molecuul, dat het lichaam maakt met de waterstof uit het voedsel en dat hier met de waterdamp verwijderd is, zijn ze terechtgekomen?
Hoeveel koolstofatomen zitten er in de ingeademde lucht? En in de uitgeademde lucht?
Lucht brengt geen koolstofatomen in de longen. Waar kunnen de koolstofatomen van de adem vandaan komen? (Denk aan wat het lichaam gebruikt om te leven.)
Hoeveel zuurstofmoleculen zijn er verdwenen, en hoeveel koolstofdioxidemoleculen zijn erbij gekomen?

Deel III — De telling.

Beschrijf het bal-en-staafmodel van elk van de vier soorten deeltjes in uitgeademde lucht, met de kleuren van de balletjes (argon wordt getekend als één lichtblauw balletje).
Hoeveel atomen zitten er in totaal in de gedroogde uitgeademde lucht? Hoeveel atomen meer is dat dan in de ingeademde lucht? Leg het verschil uit met de gewonnen koolstofatomen en de ontbrekende zuurstofatomen.

Oplossing

Oplossing van Probleem 11.1.

1. Stikstof $\ce{N2}$ , 2 atomen; zuurstof $\ce{O2}$ , 2 atomen; koolstofdioxide $\ce{CO2}$ , 3 atomen.

2. Argonatomen vormen geen moleculen: argon bestaat uit losse atomen.

3. Stikstof: $78 \times 2 = 156$ atomen. Zuurstof: $21\times 2 = 42$ atomen.

4. $156 + 42 + 1 = 199$ atomen.

5. $\frac{156}{199} \approx 0.78$ , ongeveer $78\,\%$ .

6. In zuurstofmoleculen: $16\times 2 = 32$ ; in koolstofdioxidemoleculen: $4 \times 2 = 8$ ; in totaal $32 + 8 = 40$ .

7. Er ontbreken $42 - 40 = 2$ zuurstofatomen: één zuurstofmolecuul. Ze zijn terechtgekomen in watermoleculen, $\ce{H2O}$ , die het lichaam maakt met de waterstof uit zijn voedsel; dat water verlaat het lichaam deels als waterdamp in de adem (die hier niet meetelt).

8. Ingeademd: 0. Uitgeademd: 4 (één in elk $\ce{CO2}$ ).

9. Uit het voedsel dat het lichaam gebruikt: suikers en vetten bevatten koolstofatomen, en het lichaam geeft die af in het koolstofdioxide dat het uitademt.

10. Er zijn $21 - 16 = 5$ zuurstofmoleculen verdwenen en 4 koolstofdioxidemoleculen bijgekomen.

11. Stikstof: twee blauwe balletjes, verbonden door drie staafjes. Zuurstof: twee rode balletjes, verbonden door twee staafjes. Koolstofdioxide: een zwart balletje tussen twee rode balletjes, elk met twee staafjes eraan vast, op een rechte lijn. Argon: één los lichtblauw balletje.

12. $156 + 32 + 12 + 1 = 201$ atomen (de 4 koolstofdioxidemoleculen bevatten 12 atomen). Dat is $201 - 199 = 2$ atomen meer dan in de ingeademde lucht: 4 koolstofatomen gewonnen uit voedsel, min de 2 zuurstofatomen die als water zijn vertrokken.

Begrippen gedefinieerd in dit hoofdstuk

Bekijk alle 852 begrippen in de begrippenlijst