Water-3: Overeenkomsten ijs en diamant

IJsberg

bron: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Antarctic_Iceberg_18.jpg

In deel 2 van deze drie-delige serie over water (water-2: Een trendbreuk in hetPeriodiek Systeem) heb ik het er over gehad dat ijs (een verzameling watermoleculen) en diamant (een verzameling koolstofatomen) bepaalde overeenkomsten hebben.

In beide is sprake van een tetraedernetwerk: in ijs van zuurstofatomen en in diamant van koolstofatomen. De binding tussen de zuurstofatomen in ijs is de waterstofbrug. De binding tussen de koolstofatomen in diamant is de gewone C-C binding.
         In een tetraedernetwerk houden de bindingen bepaalde atomen bij elkaar, maar houden die bindingen andere atomen ook uit elkaar Zo worden in een tetraedernetwerk soorten van 6 hoekige figuren gevormd. Zie bv. de structuur van diamant:

Structuur van diamant

         Het gevolg is dat de ruimte die een watermolecuul in ijs en een koolstofatoom in diamant inneemt in het netwerk van watermoleculen en koolstofatomen precies even groot is: 34%! En 34%  is typisch voor een tetraedernetwerk. 

        Vergelijk dit met bv. koper, zilver en goud. Daar nemen de atomen 74% van de beschikbare ruimte in. Dat is het hoogst haalbare percentage voor bollen. Dan zijn die op de meest efficiente manier gestapeld. In koper is ieder koperatoom in contact met twaalf eromheen gegroepeerde andere koperatomen.

        In ijs en diamant zijn de zuurstof- en koolstofatomen in contact met slechts vier andere zuurstof- en koolstofatomen.

In het eerste deel van deze serie (Water-1-trends-in-het-periodiek-systeem) heb ik het erover gehad dat in de groepen (de kolommen) in het Periodiek Systeem de atoomsoorten vergelijkbare eigenschappen hebben die langzaam veranderen, als soort van trend.

          Het is daarom niet verbazingwekkend dat, evenals bij koolstof, bij de andere elementen van groep 14 in het Periodiek Systeem (zie plaatje hieronder) er ook sprake is van een tetraedernetwerk in de vaste fase. En dat is ook zo. Het geldt ook voor silicium (Si), germanium (Ge) en grijs tin (Sn, grijs tin is een vorm van tin dat geen metaaleigenschappen heeft zoals stroomgeleiding*). En ze nemen allemaal een ruimte in van 34%.

         Bij lood (Pb) gaat het niet meer op. Lood is alleen metaal.

Periodiek Systeem

Wat gebeurt er bij smelten van dit soort stoffen? Het tetraedernetwerk wordt verstoord doordat hier en daar bindingen verbroken worden. De atomen worden daardoor gemiddeld minder op afstand gehouden en komen daardoor gemiddeld dichter bij elkaar. De dichtheid gaat omhoog.  De gesmolten stof is daardoor zwaarder en zakt onder de vaste stof. De vaste stof blijft op de gesmolten stof drijven.
        Dit geldt dus voor diamant, silicium, germanium, grijs tin en, ja, het geldt ook voor water!

Je kan uitrekenen dat met de energie die nodig is om ijs te smelten, de waterstofbruggen grotendeels intact blijven. Van maximaal 30% van de watermoleculen kan één kant loskomen. Die krijgen daardoor enige bewegingsvrijheid en kunnen de open ruimtes enigszins opvullen. Zelfs als het water heet is en in de buurt van de 100 ^oC komt, is er nog zo weinig energie toegevoerd dat meer dan de helft van de waterstofbruggen nog intact is.

       Let wel dat het geheel dynamisch is. Dat wil zeggen, alle bindingen worden voortdurend verbroken en opnieuw, op dezelfde plek of ergens anders, weer gevormd. Vele duizenden keren per seconde. De energie schiet heen en weer over alle bindingen. Gemiddeld gezien blijven de bindingen grotendeels intact maar de starheid van het ijs is verdwenen.

       Er is in vloeibaar water dus nog steeds sprake van een tetraederstructuur, het is alleen niet meer één groot tetraedernetwerk.

Ten aanzien van ijs nog even dit. Als je, bv. op internet naar plaatjes van de ijsstructuur kijkt dan zie je een groot open netwerk (zie bv. http://www.tony5m17h.net/newtech2.html). De bezetting van de ruimte lijkt veel kleiner te zijn dan 34%. Hoe zit dat?

           De bezetting is 34%, als de watermoleculen gezien worden als een bol met als straal de helft van de O-O afstand (de helft van de lengte van de waterstofbrug). In zoverre klopt het want binnen die bol komt niks, net zoals bij een koolstofatoom.

          In werkelijkheid neemt een watermolecuul veel minder ruimte in. De hoofdmoot wordt gevormd door het zuurstofatoom zelf. Als je alleen naar de zuurstofatomen kijkt dan is de bezetting van de ruimte in ijs maar ongeveer 4% en met de waterstofatomen erbij ongeveer 5%.

PS. Als je wilt uitproberen of diamant inderdaad op gesmolten diamant drijft, houd er dan rekening mee dat als het gesmolten diamant weer stolt, dat het dan hoogstwaarschijnlijk grafiet wordt en ben je het diamant voor eeuwig kwijt (zie mijn blog: Diamanten op de hei).

*De bindingselektronen (de ‘handen’) in de tetraederstructuur zitten vast en zijn niet vrij om stroom te geleiden zoals de elektronen die voor het vasthouden van de metaalatomen in metalen zijn.

Dit was het derde en laatste deel in mijn serie over water.

Voor cursussen, training en bijles scheikunde bezoek mijn website: www.chemieonderdeknie.nl