Atomen en moleculen

Voor het opstellen van balansen van processen waarin chemische reacties verlopen en voor het begrijpen van atoomkernreacties is het nodig iets te weten van de moderne basis van de chemie: atoomstructuur, moleculen en ionen. De moderne chemie gaat ervan uit dat materie is opgebouwd uit atomen, moleculen en ionen.

Voor het begrip van atomen en moleculen kan gekeken worden naar de volgende eenvoudige chemische reactie: de vorming van koolmonoxide (CO) uit koolstof (C) en zuurstof (O₂). Koolstof (bijvoorbeeld in de vorm van grafiet) kan met zuurstof reageren tot koolmonoxide:

2C + O₂ → 2 CO

Deze reactievergelijking introduceert een aantal fundamentele begrippen:
• atoom: atomen zijn de kleinste, chemisch ondeelbare bouwstenen van materie. Het zijn atomen koolstof en zuurstof die deelnemen aan de reactie tot koolmonoxide.
• molecuul: een molecuul is te definiëren als een geordende verzamelingen van atomen, bijeengehouden door (chemische) bindingen. Het molecuul zuurstof bestaat uit twee atomen zuurstof bijeengehouden door een (relatief sterke) chemische binding, waardoor zuurstof in de lucht relatief stabiel is en bestaat. Koolmonoxide bestaat uit een binding tussen koolstof en zuurstof.
• element: (chemische) elementen bestaan elk uit slechts één unieke soort atomen. Een zuivere hoeveelheid van elk element (bijvoorbeeld koolstof) bestaat slechts uit atomen van dat element (bijvoorbeeld koolstofatomen).

Ten slotte laat de reactievergelijking zien dat koolmonoxide, CO, bestaat uit koolstof C en zuurstof O in de vaste verhouding van 1:1. Zo'n vaste verhouding geldt niet alleen voor koolmonoxide, maar voor alle (zuivere) chemische verbindingen of moleculen.

Voor het opstellen van massa- en energiebalansen van systemen waarin chemische reacties plaatsvinden is het voldoende te weten dat elk molecuul niet anders is dan een geordende verzameling atomen, bijeengehouden door een chemische binding. Hoe en waarom die chemische binding werkt, en waarom sommige atomen binden met anderen, terwijl bijvoorbeeld edelgassen géén binding aangaan is het terrein van de (verklarende) chemie. Voor dit vak is het van belang te weten dat er moleculen bestaan, die elk opgebouwd zijn uit een vaste verzameling atomen.

Voorbeelden van moleculen

De eenvoudigste moleculen zijn H₂, O₂ en N₂. Waterstof, zuurstof en stikstof bestaan elk uit twee gelijke atomen. Andere eenvoudige moleculen die zijn opgebouwd uit twee verschillende atomen zijn bijvoorbeeld koolmonoxide (CO), waterstoffluoride (HF) en waterstofchloride (HCl). De eenvoudigste moleculen opgebouwd uit drie atomen zijn water (H₂O), kooldioxide (CO₂) en zwavelwaterstof (H₂S). Waterstofcyanide bestaat uit drie verschillende atomen: HCN.

H₂, O₂, N₂, CO, CO₂, HF en HCl en ook HCN zijn voorbeelden van anorganische stoffen. Op grote schaal geproduceerde anorganische verbindingen zijn zwavelzuur (H₂SO₄) en ammoniak (NH₃).

Zouten vormen een klasse van anorganische verbindingen. Zouten zijn opgebouwd uit ionen: deeltjes met een positieve of negatieve elektrische lading. Een ion kan bestaan uit een enkel atoom of uit meerdere atomen. De eenvoudigste zouten bestaan uit twee verschillende elementen, meestal een metaalion en een halogeenion. Het bekendste voorbeeld is keukenzout, NaCl, dat is opgebouwd uit Na⁺- en Cl^--ionen.

Ionen spelen een belangrijke rol in elektrochemische reacties en -processen. Deze zijn belangrijk voor de ontwikkeling van nieuwe technieken voor energieconversie: fotovoltaïsche cellen (zon-PV), brandstofcellen) en voor de opslag van energie (batterijen voor mobiele telefoons, laptops, elektrische auto's). Op dit terrein vindt wereldwijd veel onderzoek en ontwikkeling plaats.

De atomen van een metaal zoals ijzer, Fe, worden bijeengehouden door de aantrekkingskrachten in het metaalrooster. Omdat elektronen daarin in zekere mate vrij kunnen bewegen, geleiden metalen elektrische stroom.

Naast de hiervoor genoemde anorganische verbindingen bestaan er ook organische verbindingen. Organische verbindingen zijn opgebouwd uit ten minste koolstof (C) en waterstof (H). De eenvoudigste koolwaterstof is methaan (CH₄). Fossiele grondstoffen zijn zonder uitzondering mengsels van koolwaterstoffen.