Atomen en moleculen

Atomen zijn de kleinste bouwstenen van materie die we kennen. Het zijn ook de kleinste deeltjes waaruit een mineraal is opgebouwd. Een atoomsoort wordt ook wel element genoemd. Stel je een klein bolletje voor. Dat bolletje is een atoom. Midden in dat bolletje zit een klein stipje, dit is de atoomkern of nucleus. In deze kern bevinden zich protonen en neutronen. Protonen hebben een positieve lading en neutronen zijn, de naam zegt het al, neutraal, dus niet geladen. Om de kern van het atoom draaien elektronen. Elektronen hebben een negatieve lading. Deze elektronen draaien niet zo maar vrij rond, maar zitten in een soort schillen om de kern heen. Het staat vast hoeveel elektronen in iedere schil kunnen zitten. De binnenste schil, het dichtst bij de kern kan maar twee elektronen bevatten. De tweede schil maximaal acht en de derde schil maximaal 18. Schil 4 maximaal 32. Er zijn nooit meer dan 7 schillen. Deze schillen zijn natuurlijk denkbeeldig. En elektronen volgen ook geen nette concentrische banen om de kern, maar meer golfpatronen. Deze schillen van elektronen om een atoomkern heen noemen we ook wel een elektronenwolk.

atoom
Opbouw van een atoom. Bron sciencespace.nl

Een neutraal atoom heeft altijd evenveel protonen als elektronen. Dus evenveel positieve als negatieve deeltjes. Maar in het geval van een ongelijk aantal elektronen en protonen krijgt het atoom een lading en noemen we het een ion. Een positief geladen ion heet een kation en een negatief geladen ion een anion. Positief en negatief trekt elkaar aan, dus trekken positieve en negatieve ionen elkaar ook aan. Ze gaan een verbinding aan. Daarom is in de meeste gevallen een stof (materie) neutraal van lading, de negatieve en positieve ladingen van de ionen heffen elkaar op door te binden.

Ieder verschillende atoomsoort (ieder element) heeft een ander aantal protonen. De meest eenvoudige atoomsoort heeft 1 (waterstof), helium heeft er 2, lithium 3, etc. Al deze atoomsoorten en hun nummers bij elkaar heet het periodiek systeem der elementen.

periodiek systeem
Periodiek systeem de elementen. Bron daltonmavo.nl

We hebben net gezien dat de elektronen in ‘schillen’ om de kern gerangschikt zitten. Stel dat een atoom 9 elektronen heeft, dan worden de schillen van binnenuit gevuld. Er zitten dus 2 elektronen in de binnenste schil. Er zijn er dan nog 7 over voor de tweede schil. Maar eigenlijk is de tweede schil pas stabiel gevuld als er 8 elektronen inzitten. In de tabel hierboven, het periodiek systeem, zie je de edelgassen in een andere kleur aangegeven. Edelgassen hebben altijd een buitenste schil met 8 elektronen. Dit geeft een zeer stabiele structuur. Daarom zal een atoom altijd op zoek gaan naar dat 8e elektron (of elektronen) om de schil op te vullen. Gelukkig is een atoom nooit alleen. Alles om ons heen bestaat uit atomen. Zo’n atoom zal zich dus proberen te verbinden met een ander atoom. Als voorbeeld van het vormen van een verbinding wordt vaak natriumchloride genomen, haliet ofwel keukenzout. Natriumchloride bestaat uit het element natrium en het element chloor. Chloor heeft een atoom met in de eerste schil 2 elektronen, in de tweede schil 8 en in de derde schil 7. Chloor zou daarom natuurlijk graag een 8e elektron hebben om de buitenste schil stabiel te krijgen. Natrium heeft in de eerste schil 2 elektronen, in de tweede schil 8 en in de derde schil slechts 1 elektron. Als natrium dat ene elektron dus afstaat aan chloor vormt zich een stabiele verbinding. Wanneer twee of meer atomen zich met elkaar verbinden noemen we dit geheel een molecuul. Een molecuul kan zoals bij haliet bestaan uit twee atomen, maar meestal bestaat een molecuul uit meer dan twee atomen die zich met elkaar hebben verbonden. Dit is natuurlijk afhankelijk van het aantal beschikbare elektronen in de buitenste schil, dit noemen we de valentie van een atoom.

Kijken we nu bijvoorbeeld naar water, H2O, dan zien we dat het zuurstofatoom (O) nummer 8 heeft in het periodiek systeem. Dat betekent dus dat er 8 protonen en dus 8 elektronen zijn. Twee elektronen zitten in de binnenste schil en zes in de buitenste. De buitenste schil komt dus twee elektronen tekort voor een stabiele verbinding. We zeggen dan dat de valentie van een zuurstofatoom twee is. Waterstof (H) heeft nummer 1 in het periodiek systeem, dus heeft maar 1 elektron. Het zuurstofatoom heeft twee plekken voor een extra elektron en bindt twee waterstofatomen aan zich. Samen vormen zij het molecuul waar water uit bestaat met de chemische formule H2O. Deze formule zegt je dus dat er twee H atomen, waterstof, aan 1 zuurstofatoom (O) verbonden zijn.

Soms binden ook atomen van hetzelfde soort met elkaar. Als je bijvoorbeeld naar puur zuurstofgas kijkt, O2, zie je dat de atomen elkaar gaan overlappen en twee zuurstofatomen met elkaar binden en twee elektronen uit de buitenste schil met elkaar delen waardoor ze toch beide op een buitenschil van acht elektronen komen. Deze binding waarbij elektronen gedeeld worden noemen we een covalente binding. Dit is vaak tussen gelijksoortige atomen, maar kan ook tussen verschillende atoomsoorten. Een binding zoals beschreven bij water van twee of meer verschillende atoomsoorten die elektronen afgeven en opnemen noemen we een ion-binding.

covalente binding
Covalente binding in chloorgas (dichloor) en zuurstof. Bron mlochemie.nl
ion binding
Ion binding. Bron wikipedia.org

De meeste mineralen bestaan uit moleculen die zijn opgebouwd uit twee of meer atomen. Er zijn ook mineralen die uit verbindingen van slechts 1 atoomsoort, 1 element bestaan. Denk aan metalen als goud en zilver, maar ook aan zwavel of aan diamant wat enkel en alleen uit koolstof bestaat.

Als je een boek over mineralen openslaat lees je na de naam van het mineraal meestal een chemische formule. Die formule geeft onder meer aan uit welke atomen het molecuul bestaat waaruit dat mineraal is opgebouwd. En hoeveel van ieder atoom er in een molecuul aanwezig zijn. Positieve ionen of kationen staan meestal links in de formule en negatieve ionen of anionen staan rechts. De formule begint dus met het positieve ion/atoom. Nu weet je dus wat zo’n formule inhoudt. Fluoriet heeft bijvoorbeeld de formule CaF2. Aan ieder calcium atoom zitten dus twee fluor atomen gebonden. Kwarts heeft als formule Si02. Daarbij zit aan ieder silicium atoom twee zuurstof atomen. Deze moleculen vormen onderling ook weer verbindingen en patronen en bouwen zo een kristal op.