Kleine opfrissing: Wat zijn atomen weer juist?

Kleine opfrissing: Wat zijn atomen weer juist?

Is het je al eens overkomen? Je fietst naar een feestje en om een ongeluk te vermijden, knijp je uit alle macht de voorrem van je fiets toe. Je voorwiel blokkeert, maar je achterwiel gaat verder (dank je wel, Eerste Wet van Newton). Je fiets maakt een tuimeling, je vliegt door de lucht en komt onzacht tot stilstand tegen een bakstenen muurtje. Op zo’n moment vraag je jezelf misschien af: ‘hoe komt het dat ik door de lucht kan vliegen, maar niet door een bakstenen muur?’

Generaties knappe koppen braken hun hoofd over die vraag. ‘Het heeft te maken met atomen’, besloten ze allemaal. ‘De atomen van het muurtje hangen steviger aan elkaar dan die van de lucht.’ Maar wat een atoom juist was, daar hadden ze allemaal hun eigen theorie over.
Laat ons even terugkeren naar dat feestje waar je naar op weg was met de fiets en de mening vragen van de andere genodigden. Het is een speciaal feestje, want er zijn ook al lang overleden wetenschappers aanwezig. Je komt aan en stelt de vraag: ‘wat zijn atomen nu juist?’

Verschillende atoommodellen

‘Atomen zijn als biljartballen’, zegt John Dalton als eerste terwijl hij tegen de pooltafel leunt. ‘Het zijn kleine massieve bolletjes die je niet kan delen. Verschillende atomen hebben elk hun eigen eigenschappen en massa. Hout is opgebouwd uit bepaalde ondeelbare bolletjes en de bakstenen muur is opgebouwd uit andere ondeelbare bolletjes.’

Het blijft even stil. ‘Daar moet ik je toch verbeteren, beste Dalton’, zegt John Thomson, die op dat moment bij het buffet staat. ‘Een atoom lijkt niet op een biljartbal, maar op een krentenbol.’ En hij neemt een krentenbol van de grote toren gebakjes. ‘Kijk. Je hebt een grote positief geladen bol en daarin zitten negatief geladen deeltjes gepropt. Ik noem die negatieve deeltjes elektronen en ze zitten net zoals deze rozijntjes in het positief geladen deeg van de krentenbol.’

Ernest Rutherford komt uit de keuken gewandeld en lacht. ‘Ik denk dat je er ook naast zit, Thompson. Mijn experimenten tonen aan dat straling meestal dwars door atomen heen vliegt. Er moet dus veel meer vrije ruimte zijn dan bij een krentenbol het geval is. Volgens mij zijn atomen zoals een versgebakken brownie: er is één koekje en daarrond hangt een wolk van heerlijk ruikende lucht. Het koekje is de positief geladen kern en de lucht daarrond is de ruimte waarin alle negatieve deeltjes rondzweven.’


Plots horen we geluid uit de keuken, waar Niels Bohr groenten snijdt voor de soep. ‘Ik denk dat je er bijna bent’, roept hij. ‘Ik geloof inderdaad dat er een positief geladen kern is en dat de elektronen errond hangen in een grote wolk, maar volgens mij zitten de elektronen in die wolk verdeeld op verschillende schillen, een beetje zoals de lagen van een ajuin.’ En hij zwaait met zijn ajuin.

‘Zolang de lagen van je ajuin maar ver genoeg uit elkaar liggen en er veel lege ruimte tussen zit’, roept Rutherford, die nog wil duidelijk maken dat er wel heel veel lege ruimte in een atoom zit.

Wie heeft er gelijk?

Je bent niet meer op het imaginaire feestje. Je ligt nog steeds in een hoopje tegen dat bakstenen muurtje. Als je je smartphone neemt om op te zoeken wie er gelijk had, blijkt dat inderdaad Niels Bohr te zijn: atomen bestaan uit een positief geladen kern en de elektronen zweven daarrond, verdeeld over verschillende schillen. Een beetje zoals een ajuin, maar dan met erg veel plaats tussen de verschillende laagjes.

Hierbij ook een video over atomen :

 

Wil je meer weten? Dan klik hier.

Over ijs, water en stoom

Atomen kunnen zich met elkaar verbinden tot groepjes moleculen. Die moleculen linken zich dan weer tot een netwerk dat de materie vormt die we kunnen zien. Afhankelijk van de atomen en moleculen in het netwerk, krijg je een andere stof.

Maar wacht eens: ijs, water en stoom zijn alledrie opgebouwd H2O-moleculen. Hoe komt het dan dat ze er toch anders uitzien?

Het is de temperatuur, natuurlijk

Het zal wel iets met temperatuur te maken hebben, want als die onder 0°C zakt dan verandert vloeibaar water in ijs. Ga je boven 100°C, dan krijg je stoom.  Maar wat doet temperatuur juist zodat water van vorm verandert?
Eerst en vooral spreken we niet over een vormverandering, maar over een fasewissel. Water heeft een aantal fasen (vast, vloeibaar en gasvormig) en de intermoleculaire krachten die tussen de H2O moleculen spelen, zijn in elke volgende fase minder sterk.

Wat die intermoleculaire kracht juist is? H2O moleculen hebben een positief en een negatief geladen kant. De negatieve kant van de ene molecule trekt de positieve kant van de andere molecule aan en omgekeerd. Zo worden er allerlei intermoleculaire verbindingen – we noemen ze waterstofbruggen - gelegd die maken dat water er uitziet als ijs, water of stoom.

En wanneer wordt het dan vast, vloeibaar of gasvormig?

Als je de temperatuur laag genoeg houdt, bewegen de verschillende moleculen niet al te veel en zijn de waterstofbruggen stevig genoeg om het ijs zijn vaste vorm te geven. Als de temperatuur stijgt, neemt de energie binnen het ijs toe en beginnen de verschillende moleculen meer te bewegen.

Door die beweging springen meer en meer waterstofbruggen kapot en komen de moleculen steeds losser te zitten. Na een tijd tuimelen de moleculen over elkaar: het ijs wordt vloeibaar water. Steek je er nog meer energie in, dan springen de moleculen helemaal los van elkaar: het water wordt stoom.

De sterkte van de verbindingen tussen de moleculen maakt dat verschillende stoffen een verschillend smelt- of kookpunt hebben. Waterstofbruggen in water zijn vrij zwak, maar bij ijzer zijn de krachten bijvoorbeeld erg sterk: dat wordt pas vloeibaar bij 1500°C en gasvormig bij 2700°C!

Test zelf de verschillende fasen van H2O uit. Klik op deze link.

Een tof filmpje dat dieper ingaat op de wondere wereld van vloeistoffen: 

 

Wist je dat het mogelijk is om supergekoeld water te maken? Dat is water dat niet bevriest bij temperaturen onder 0°C. Je kan er toffe experimentjes mee uithalen, want schud je met dat supergekoeld water, of giet je het uit, dan krijg je direct ijs.

Kijk maar eens naar dit filmpje. Misschien lukt het je ook wel!

 

Reageer

Fijn dat je van je laat horen!

Wil je werken in de chemie en de life sciences?