Een waterige boel

Water is een zeer belangrijke stof op deze wereld. Het is zelfs zo belangrijk dat wij voor 60% - 70% uit water bestaan. Ons bloed bestaat voor een groot deel uit water en daarom is het ook belangrijk voor ons om kennis over water te hebben.

Water is een molecuul die bestaat uit 3 atomen: 2 atomen van waterstof en nog 1 atoom van zuurstof. De molecuulformule is dan ook H₂O. De structuur is zoals bron 1: bron 1

Een bijzondere eigenschap van water is dat alle moleculen in water zich met elkaar verbinden met waterstofbruggen. Deze waterstofbruggen zijn verbindingen tussen een waterstofatoom en een zuurstofatoom. Je ziet dat de watermolecuul zich verbindt met 2 andere watermoleculen. We geven een waterstofbrug aan met een stippellijn. In een vaste staat gaan de watermoleculen in een rooster staan door de waterstofbruggen.
Door dit rooster neemt water in de vaste fase meer ruimte in dan in de vloeibare fasen. Dit verklaart het feit dat ijs op water drijft omdat het minder dicht op elkaar zit dan vloeibaar water. Zo'n rooster heet een kristalrooster. Er zijn verschillende soorten kristalroosters. Als er waterstofbruggen in zitten dan is het een molecuulrooster.
Om wat over de oplosbaarheid van dingen in water te weten moeten we beginnen met wat meer kennis over de deeltjestheorie. Atomen bestaan uit een kern met positief geladen deeltjes (protonen) en neutrale deeltjes (neutronen). Daar omheen zweven de negatieve geladen deeltjes (elektronen). Die elektronen zorgen voor de bindingen tussen verschillende atomen. Ze willen namelijk zo bij elkaar zijn zodat hun buitenste schil vol zit. Een waterstofatoom wil bijvoorbeeld 1 elektron erbij en een zuurstofatoom 2 elektronen. De atomen die bij elkaar gaan zitten, zitten vrij dicht bij elkaar zodat hun atoomstraal over elkaar zit. De atoomstraal is de afstand van de kern tot de buitenkant van de elektronenwolk.

bron 2

Je ziet in bron 2 de constructie van een watermolecuul. Zoals je ziet heeft elke atoom zijn buitenste schil vol. De waterstofatomen hebben er allebei 2 in de buitenste schil en de zuurstofatoom heeft er 2 in zijn binnenste schil en 8 in zijn buitenste schil. Doordat de zuurstofatoom en de waterstofatomen samen elektronen delen hebben ze een covalente binding (ook wel atoombinding genoemd). De atomen die over zijn nadat de sommige elektronen hebben meegedaan aan de binding heet de atoomrest. De gemeenschappelijke elektronen houden de positieve atoomresten bij elkaar. Het aantal bindingen dat een bepaald atoom kan aangaan heet de covalentie (bv. waterstof: 1 en zuurstof: 2).
Stoffen die goed oplosbaar zijn in water heten polaire stoffen, als ze dit niet goed doen dan heten ze apolaire stoffen. Dit heeft allemaal te maken met elektrische lading in en tussen moleculen. De gemeenschappelijke elektronen zijn niet altijd goed verdeeld. In water 'trekt' de zuurstofatoom harder aan het elektronenpaar dan de waterstofatomen. Hierdoor verschuift de elektrische lading en wordt de ene kant van het molecuul 'negatiever' dan de andere. De 'trekkracht' van een atoom heet elektronegativiteit. Als de elektronegativiteit van een atoom sterker is dan de ander dan wordt het een polaire molecuul. Het heet polair omdat je twee polen krijgt (een positieve en een negatieve). Zo'n molecuul wordt ook wel een dipool genoemd. Om te meten hoe sterk de dipool is vermenigvuldigen we het ladingsverschil tussen de twee polen en de afstand daartussen. Meerdere dipolen kunnen met elkaar een verbinding aangaan doordat de plus pool zich met de min pool verbindt. Als de elektronegativiteit gelijk is van de stoffen dan wordt het een apolaire stof. Deze stoffen lossen juist goed op in andere apolaire stoffen.
Samenvattend kan je concluderen dat er 3 soorten cohesie (ook wel molecuulbindingen of vanderwaalsbindingen genoemd) zijn. De londonkracht is een van deze 3 soorten cohesie. Het is de aantrekkingskracht tussen twee moleculen die er altijd is. Als de moleculen groter zijn dan wordt de londonkracht ook sterker. Naast de londonkracht heb je ook de dipool-dipoolbinding. Dit is de verbinding tussen twee dipolen en is sterker dan de vanderwaalsbinding. Naast deze twee heb je nog de waterstofbrug. Dit is ook de sterkste binding tussen de moleculen. Het lijkt een beetje op de dipool-dipoolbinding maar geldt alleen voor N-, O- of F-verbindingen. De H-atoom (die aan een N-, O- of F-atoom vastzit) is positief geladen en verbindt zich aan de N-, O- of F-atoom die negatief geladen is. De reden dat waterstofbruggen veel sterker zijn dan gewone dipoolbindingen heeft te maken met het feit dat de N-, O- en F-atomen klein zijn en een grote elektronegativiteit hebben.