Water-1: Trends in het Periodiek Systeem

Het Periodiek Systeem

In het periodiek systeem zijn alle atoomsoorten, zo’n 115 in totaal, netjes geordend in rijen en kolommen. 

De ordening is zodanig dat in rijen (perioden genoemd) van links naar rechts de atomen ongeveer even groot zijn en dat in de kolommen (groepen genoemd) van boven naar beneden de atomen stapsgewijs groter worden.

De eigenschappen van de atoomsoorten veranderen van links naar rechts in een periode drastisch. In een groep veranderen de eigenschappen ook, maar het is veel minder drastisch. Ze veranderen min of meer gelijkmatig van boven naar beneden. Er is in de groepen meer sprake van trends.

         Neem bv. de edelgassen, de meest rechtse groep (groep 18). Al die gassen zijn erg weinig reactief. Dwz. ze reageren alleen in extreme omstandigheden. De kookpunten van de edelgassen gaan in de groep van boven naar beneden langzaam omhoog: zie tabel 1.

                             

Tabel 1 Kookpunten edelgassen (^oC)

Helium	-269
Neon	-246
Argon	-186
Krypton	-153
Xenon	-108
Radon	-62

  Dat komt doordat, als ze groter zijn, er meer interactie tussen de deeltjes is en er meer energie nodig is om ze los van elkaar te laten komen.

          Neem bv. ook de zogenaamde halogenen (de groep naast de edelgassen): het element fluor (F₂) is onder normale omstandigheden een gas, chloor (Cl₂) ook, broom (Br₂) is een vloeistof en jood (I₂) is een vaste stof.

En kijk dan naar de alkalimetalen. Dat is de meest linkse groep. (Waterstof valt er om de een of andere reden buiten). De alkalimetalen reageren met water. Van boven naar beneden gaat dat steeds heftiger. Zie het prachtige en leuke filmpje op YouTube van Brainiac. http://www.youtube.com/watch?v=m55kgyApYrY

Laten we nu naar groep 16 kijken. Daar waar ook zuurstof in zit.

Als je H₂X neemt (met X=O,S,Se,Te) dan zijn er oa. de volgende trends te ontdekken.

Ten eerste de hoek H-X-H. Die is gegeven in tabel 2.  

Tabel 2  De hoek H-X-H

H2O	104,5o
H2S	92,1o
H2Se	91o
H2Te	90o

Een hoek van 90^o is op grond van de bouw van de atomen in deze groep het meest voor de hand liggend. Waarom wordt er naar boven toe in deze groep steeds meer vanaf geweken?  

Daarvoor moeten we wat nader ingaan op hoe een binding tussen atomen tot stand komt. Een waterstofatoom (H) heeft één elektron maar ‘wil’ er graag één bij hebben. Voor een ander waterstofatoom geldt precies hetzelfde. Doe even alsof zo’n elektron een hand is. Het ene waterstofatoom wil er graag een hand bij hebben. Het andere waterstofatoom ook. Wat doen ze? Ze reiken elkaar de hand!  

Binding 

Op deze manier hebben beide waterstofatomen er een hand bij. De prijs die ze ervoor moeten betalen is dat ze aan elkaar vast zitten, dat ze hun individuele vrijheid kwijt zijn. Ze zijn onderdeel van een molecuul geworden (H₂). Zuurstof heeft van zichzelf 8 ‘handen’ en wil er graag twee bij hebben. Het reikt daarom twee waterstofatomen de hand. Zo is iedereen ‘tevreden’. Vandaar de formule H₂O (H-O-H) voor water.

Watermolecuul

Maar er is nog meer aan de hand. De twee waterstofatomen in H₂ zijn precies even sterk en houden het handenpaar even sterk vast en dat blijft daarom precies in het midden tussen de twee waterstofatomen zitten.  Ik geef toe, het beeld is simplistisch maar voor het doel hier goed genoeg.

Een zuurstofatoom  is sterker dan een waterstofatoom en trekt het handenpaar wat naar zich toe.

Het gevolg is dat het zuurstofatoom wat meer extra ‘hand’ heeft en het waterstofatoom niet alleen  minder extra hand heeft maar ook minder van zijn eigen hand. Het zuurstofatoom heeft daardoor wat te veel aan handen (de elektronen dus) en het waterstofatoom wat te weinig. Het zuurstofatoom is daardoor wat negatief elektrisch geladen en het waterstofatoom wat positief. De twee waterstofatomen, allebei een beetje positief geladen zijnde, duwen elkaar daardoor een beetje weg. Daarom is de hoek groter dan 90^o.

De trend in groep 16 is dat van boven naar beneden X minder sterk aan handenparen trekt. De negatieve lading op X wordt daarmee kleiner en de positieve lading op de waterstofatomen ook die elkaar dus minder hard wegduwen. Bovendien worden de X-atomen van boven naar beneden steeds groter en komen de waterstofatomen daardoor ook steeds verder van elkaar af te liggen.

Met betrekking tot de kookpunten zijn er trends, zoals we bij de edelgassen al zagen. Ook bij H₂X in groep 16 is dat zo.

Tabel 3 Kookpunten H₂X (^oC)

H2O	(-75)
H2S	-61
H2Se	-41
H2Te	-2

  

Op grond van de kookpunten van H₂S, H₂Se en H₂Te zou je verwachten dat H₂O een kookpunt heeft van ongeveer -75 ^oC . Niets is minder waar. In mijn volgende blog gaan we hier verder op in.