1. Ruimtelijke structuren

Introductie

De volgende modellen zijn koolwaterstoffen, moleculen bestaande uit koolstof- en waterstofatomen. Er zijn verschillende groepen koolwaterstoffen: bijvoorbeeld alkanen, cycloalkanen, alkenen en alkynen.
Alkanen zijn koolwaterstoffen met enkelvoudige bindingen tussen de koolstof-atomen.
Vormen deze atomen een ring, dan spreken we van cycloalkanen.
Alkenen zijn koolwaterstoffen met één of meer dubbele bindingen, dus minstens één extra binding tussen twee atomen.
Alkynen zijn koolwaterstoffen met één of meer drievoudige bindingen, dus tussen twee atomen drie bindingen.
Deze klassen hebben elk hun karakteristieke kenmerken voor de ruimtelijke structuur, die we hieronder behandelen.

1a. Methaan

Methaan, het simpelste alkaan, is het hoofdbestanddeel van aardgas. Methaan is kleur- en reukloos, daarom voegt men bij het aardgasbedrijf geurstoffen toe aan het gas zodat mensen gewaarschuwd worden door de geur. Verder is het een slecht in water oplosbaar gas, dat vloeibaar wordt bij -164 °C. Het is zeer brandbaar en kan met lucht een explosief mengsel vormen.
Koolwaterstoffen waarin geen dubbele bindingen voorkomen zijn opgebouwd uit tetraeders. Een tetraeder is een regelmatig viervlak; een driehoekig grondvlak mat drie opstaande zijden. Aan de hand van de volgende vier modellen wordt je duidelijk hoe deze vorm opgebouwd is.

Model 1:

In dit model is een tetraeder afgebeeld. Door met de muis te slepen (linkermuisknop ingedrukt houden en de muis bewegen) kun je het model roteren. Probeer zo de ruimtelijke vorm te zien.
Een belangrijke eigenschap van deze tetraeder is dat de vier hoekpunten equivalent zijn: ze zijn qua onderlinge orientatie niet van elkaar te onderscheiden. Alle onderlinge afstanden en hoeken zijn gelijk.

Model 2:
In dit model is maar één ding veranderd ten opzichte van het vorige model, de vier hoekpunten zijn met lijnen verbonden met een donkergrijs punt in het zwaartepunt van het viervlak. Zoals je weet bestaat de stof methaan uit een C-atoom en vier H-atomen. Het donkergrijze punt wordt straks het C-atoom (Elke atoomsoort heeft in elk model dezelfde kleur. Elk donkergrijs atoom is dus koolstof). De verbindingen vanaf de hoekpunten naar het donkere middelpunt zijn werkelijk bestaande (covalente) atoombindingen.
Model 3:
Zoals je ziet zijn de hoekpunten vervangen door witte bollen, dit zijn H-atomen. Het middelpunt is nu een donkergrijze bol geworden, dit is het C-atoom. De blauwe lijnen tussen de H-atomen zijn geen bindingen, ze zijn alleen in het model aanwezig om de tetraeder zichtbaar te maken. De bindingen van de H-atomen naar het C-atoom bestaan wel echt, en bestaan -zoals je weet- uit twee gemeenschappelijke electronen van de twee atomen.
Model 4:
In dit model zijn de hulplijnen tussen de H-atomen weggelaten. Het molecuul is nu compleet. Bedenk in je hoofd nu de lijnen tussen de H-atomen nog eens om het viervlak te zien. Je kunt dit model -net als alle voorgaande- roteren met de muis. Ook kun je met een knop de rotatie en zetten als je dat makkelijker vindt om te bekijken.

Bepaal de regelmaat van deze laatste structuur door de onderlinge afstanden en hoeken te meten en te vergelijken. De afstand wordt hier gemeten in Angstroms (Å), 10-10 m of 0,1 nm.

Dubbelklik op twee atomen om hun onderlinge afstand te meten.
Om de waarde van een H-C-H hoek te verkrijgen, dubbelklik op een H-atoom, klik dan eenmaal op het centrale C-atoom en dubbelklik op een ander H-atoom.
de getallen weer.
Alle H...H afstanden en alle H-C-H hoeken moeten vrijwel gelijk zijn. Klopt dat?


[Het kan nuttig zijn om je te realiseren dat een tetraeder precies in een kubus past. Meet de hoeken maar na.]

In het volgende hoofdstuk gaan we methaan uitbreiden tot ethaan.