3. De covalente binding, of atoombinding

Als twee niet-metalen met elkaar reageren willen beide atoomsoorten het liefst elektronen opnemen en negatief worden, wat natuurlijk niet kan. Er zijn immers geen metalen in de buurt die elektronen willen aanleveren. Toch kunnen die niet-metalen allebei edelgaskonfiguratie krijgen door een deel van elkaars valentie-elektronen gemeenschappelijk te gaan gebruiken. Daartoe moeten die atomen zeer dicht bij elkaar gaan zitten. Ze schuiven een beetje in elkaar. Op deze manier kunnen ook niet-metalen wel degelijk met elkaar reageren.
Omdat hierbij geen valentie-elektronen volledig worden overgedragen, kunnen er ook geen positieve of negatieve ionen ontstaan, dus zijn er hier geen ionbindingen.

Stel even dat twee niet-metalen met elkaar reageren; noem de twee nietmetalen P en Q. Eén atoom van P begint dan elektronen gemeenschappelijk te gebruiken met één atoom van Q. Als éen van beide atoomsoorten dan nog geen edelgaskonfiguratie heeft (normaal gesproken dus 8 valentie-elektronen), wordt er een derde atoom bijgehaald. Dit gaat net zolang door tot alle erbij betrokken atomen edelgaskonfiguratie hebben.
Daarbij blijft de regel gelden dat gelijksoortige atomen liever niet aan elkaar koppelen (behalve C-atomen).

Opdracht 7
Probeer op te schrijven wat er gebeurt als men losse atomen van fosfor en van zuurstof samen laat reageren.

Een groepje atomen, die onderling door atoombinding aan elkaar zijn gekopppeld, vormen een molekuul. Het aantal atomen van elke soort, in een molekuul aanwezig, geeft men aan met een cijfertje rechtsonder: MOLEKUULFORMULE.

Opdracht 8
Leg uit of de volgende formules verhoudings of molekuulformules zijn: H₂O NaCl FeS P₄

Als twee niet-metalen verschillende molekulen kunnen vormen, dan moet dat aan de naam te zien zijn.
In dat geval wordt de naamgeving anders geregeld, namelijk met voorvoegsels (zie ook module 4):

mono	1	di	2	tri	3	tetra	4	penta	5
hexa	6	hepta	7	okta	8	nona	9	deka	10

voorbeelden:

CO	(mono)kool(stof)mon(o)oxide
CO₂	(mono)kool(stof)dioxide
P₂O₅	(di)fosforpentaoxide
P₂O₃	(di)fosfortrioxide

Opdracht 9
Schrijf de namen op van de volgende stoffen:N₂O NO N₂O₃ CuCl PbS SO₂

Aan het volledig afstaan of opnemen van elektronen is een beperking van drie maximaal; vierwaardige ionen kom je niet tegen. Zo'n beperking geldt niet voor gemeenschappelijk gebruik van elektronen in de atoombindingen. Een atoom mag best vier of zes elektronen gemeenschappelijk hebben met een ander atoom.

Vergelijking van twee stoffen: CO₂ en SO₂

Covalente bindingen = gemeenschappelijk gebruik van elkaars electronen door twee atomen

Beide atomen willen dus elektronen winnen, wat natuurlijk alleen kan bij samenwerking. Normaal worden elektronen in paren gebruikt.
Met dat de atomen elkaars elektronen gemeenschappelijk gebruiken vormen ze ook moleculen.

als we naar de chemische verbindingen kijken dan mogen we zeggen dat stoffen met molekulen op aarde domineren; die zijn er meer dan stoffen met ion- of metaalbindingen.

3.1 Dubbele en drievoudige bindingen

3-hexeen (Met een dubbele binding)

Opdracht 10

Zoek op in de tabellen IV en VI:
1. de inter-atomaire afstanden van covalente bindingstypes
2. de bindingsenergiën van covalente bindingen
Pak uit deze tabellen informatie over de bindingen: C - C, C = C, C ≡ C;
Zet deze gegevens in een diagram / grafiek, waarvan op de x-as die drie bindingen hun plek hebben en de y-as heeft zowel de afstanden als de energiën.
Dan krijg je dus twee verschillende grafieken.
Kijk goed en trek je conclusies
Maak een schatting van afstand en energie van een C ... C binding in de benzeenring.

Opdracht 11
Is de volgende bewering waar?
"in een drievoudige binding, bijvoorbeeld in acetileen (= etyn) gebruiken twee C-atomen in totaal 6 elektronen gezamenlijk"
Leg je antwoord uit.

3.2 Benzeen

Molekuulformule: C₆H₆

Elk koolstof-atoom in de ring heeft drie normale covalente bindingen Zo blijft elk C-atoom nog zitten met een 'niet gepaard elektron' dat nog kan koppelen met welk ander atoom dan ook.
In totaal dus 6 elektronen in voorraad, en deze zes gaan nu op een bijzondere manier met elkaar, dus zonder andere atomen, een speciale π-binding vormen
We behandelen hier niet de meer ingewikkelde bindingstypes, dus we versimpelen de zaak door te zeggen: die zes elektronen verkrijgen de gelegenheid om zich te verplaatsen over die ring van 6 atomen. Ze mogen zich dus vrij over die ring bewegen en verkrijgen daardoor grote beweeglijkheid. Dat betekent tegelijk: die ring wordt veel stabieler daardoor.

Opdracht 12
Onderstaand schema is het eenvoudig periodiek systeem (beperkt tot de hoofdgroepen I - 'VII)

de rode zone: de niet-metalen hebben de neiging om elektronen op te nemen en zo negatief te worden (E > ) de blauwe zone: de metalen hebben de neiging om elektronen af te staan en zo positief te worden (E< )
Leg de details uit van dit schema.

	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII
1	H							He
2	Li	Be	B	C	N	O	F	Ne
3	Na	Mg	Al	Si	P	S	Cl	Ar
4	K	Ca	Ga	Ge	As	Se	Br	Kr
5	Rb	Rb	In	Sn	Sb	Te	I	Xe
6	Cs	Bi	Tl	Pb	Bi	Po	At	Rn
7	Fr	Ra

metalen	Cs
metalloiden	Po
niet-metalen	Se

In de struktuurformule van een molekuul kun je eventueel alle valentie-elektronen er bij schrijven in de vorm van puntjes. Je hebt dan weer een ELEKTRONENFORMULE. Een elektronenformule hoeft zich dus niet te beperken tot één atoom.

Opdracht 13
Geef twee voorbeelden van elke formulesoort:

molekuulformule
struktuurformule
verhoudingsformule
elektronenformule
ionenformule

Opdracht 14
Wat is de belangrijke reden van het ontbreken van bindingen van edelgasatomen met andere atomen of ionen?

3.3 Combinaties van verschillende chemische bindingen

Tot nu toe hebben we alleen gesproken over eenvoudige of: ENKELVOUDIGE ionen. Nu de atoombinding besproken is, kun je ook begrijpen wat met een SAMENGESTELD ion bedoeld wordt:
In samengestelde ionen zijn meerdere atomen d.m.v. atoombinding aan elkaar gekoppeld; als geheel vormen ze echter niet een neutraal molekuul, maar ze hebben een positieve of negatieve lading.
Voor alle ionen, enkelvoudige en samengestelde, geldt dat hun totaal aantal protonen (positief) en totaal aantal electronen (negatief) niet gelijk zijn.
voorbeelden:

enkelvoudig:	Na⁺ Cl^- H⁺
samengesteld:	H₃O⁺ OH CO₃^2-

Als de lading van een ion gegeven is, kun je aan die lading direkt zien hoe de verdeling is tussen protonen (positief) en elektronen (negatief) in dat ion.
bijvoorbeeld:
Een ion met een 2^- lading heeft twee elektronen méér dan protonen. Dit geldt zowel voor enkelvoudige als voor samengestelde ionen.

Opdracht 15
Gegeven de volgende ionen: Ba²⁺ H₃O⁺ Cl^- OH^-
Zoek m.b.v. het Periodiek Systeem uit, hoeveel protonen en elektronen elk ion heeft.

Samengestelde ionen bestaan meestal uit twee of meer atomen van niet-metalen die dan binnen dat negatieve ion via atoombindingen aan elkaar vast zitten.

Opdracht 16
Schrijf de ionenformules op van vijf samengestelde ionen.

De meeste samengestelde ionen bezitten zuurstof + een ander niet-metaal en die zitten dan via atoombindingen aan elkaar gekoppeld.

Opdracht 17
Welke naamsuitgangen worden meestal gebruikt voor deze soort ionen?

Als in een stof geen metaal aanwezig is mag je meestal de konklusie trekken dat in die stof geen ionen aanwezig zijn en dat die stof opgebouwd is uit neutrale molekulen. Alle atomen van zo'n stof zijn via atoombindingen aan elkaar gekoppeld. Een uitzondering is het ammoniumion.

Een voorbeeld van een stof met meerdere bindingstypen is calciumcarbonaat, CaCO₃.
Het is opgebouwd uit drie elementen, het metaal Calcium en de twee niet-metalen koolstof en zuurstof
Het metaal (Calcium) zal zeer waarschijnlijk een positief ion zijn en de rest (dus CO₃^2-) zal negatief zijn. Tussen de ionen is er een ionbinding, maar binnen het negatieve ion bestaan covalente bindingen tussen O en C.

Opdracht 18
Geef naam en formule van een stof die opgebouwd is uit twee metalen en een niet-metaal, dus met twee bindingstypes, de ionbinding en de atoombinding.

Antwoord

Alvast iets over module 7: reacties en energie
Alle atomen hebben een verdeling van hun elektronen over de schillen. Deze schillen of niveau's vertegenwoordigen een zekere energie; de elektronen vertegenwoordigen een zeker energieniveau.
Anders gezegd:

de elektronen met weinig energie hebben maar weinig neiging om iets aan hun situatie te veranderen.

maar andere atomen, met veel of meer energie willen een proces beginnen dat hen brengt naar een niveau met minder energie, = stabieler.

de elektronen met veel energie willen reageren, m.n. in de ontmoeting met andere atomen.

De sleutel bij dit alles is dat de elektronenverdeling in het atoom haar energie bepaalt, dus ook haar reaktiviteit.
Normaal gesproken zijn de elektronen die in dit soort processen betrokken zijn, de valentie-elektronen. De meer naar binnen liggende elektronen hebben voldoende stabiliteit, geen overtollige energie. De valentie-elektronen lijden vaak aan gebrek aan stabiliteit, hebben teveel energie.

Een chemische binding die zo - spontaan - ontstaat gaat gepaard met een vermindering van de inwendige energie (chemische energie) in de nieuwe stoffen, de produkten. Zo komen we terecht bij module 7, dat bij elke chemische reaktie sprake zal zijn van een energie-effect.

Opdracht 19
Leg uit of de vorming van een chemische binding over het algemeen exotherm of endotherm zal zijn.

Antwoord