Stof (scheikunde)

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken
Water en stoom zijn verschillende aggregatietoestanden (respectievelijk vloeibaar en gasvormig) van dezelfde stof.

Met stof wordt in de scheikunde een vorm van materie bedoeld die een gelijke chemische samenstelling heeft: een chemisch "zuivere stof". Een chemisch zuivere stof wordt gekenmerkt door specifieke, uniforme en meetbare stofeigenschappen, die zowel anisotroop als isotroop kunnen zijn. In onze dagelijkse omgang met (dode en levende) materie komen stoffen vooral gemengd voor: zie artikel 'mengsel'. Een zuivere stof onderscheidt zich in chemisch opzicht van een mengsel doordat een zuivere stof alleen gescheiden kan worden door het verbreken van bindingen tussen atomen. Een zuivere stof kan ofwel bestaan uit één chemisch element: een enkelvoudige stof, ofwel uit twee of meer elementen die onderling verbonden zijn door een chemische binding: een samengestelde stof. Het, in een laboratorium of fabriek, aanmaken van een (samengestelde) stof uit zijn elementen, of uit andere vaak eenvoudiger verbindingen, wordt chemische synthese of kortweg 'synthese' genoemd. (Chemische) synthese produceert een 'synthetische stof'. Het aanmaken van levende (samengestelde) stof (biomoleculen) binnen een organisme heet biosynthese. Biosynthese produceert het onderhoud en de groei van lichaamsweefsel. De geologische vorming van (samengestelde) stof in de aardkorst via metamorfose noemt men geosynthese. Geosynthese produceert mineralen. Bij het omgekeerde proces van synthese spreekt men van ontleding, meer specifiek van katabolisme in het geval van levende wezens.

In het dagelijks taalgebruik wordt in plaats van 'synthetische stof' de term 'chemische stof' (meervoud: 'chemicaliën' of 'gevaarlijke stoffen') gebruikt als aanduiding voor stoffen die het product zijn van industriële chemische synthese, en die milieutechnische risico's met zich meebrengen. Feitelijk is hier sprake van een pleonasme aangezien, strikt genomen, materie per definitie chemisch is.[1] [2]

Moleculaire stoffen[bewerken]

Structuurformule van ethanol.

Wanneer een stof een moleculaire structuur heeft, liggen de zaken het eenvoudigst. Men bedoelt er dan een materiaal mee dat bestaat uit identieke moleculen. Zo bestaat ethanol uit moleculen die alle uit twee koolstofatomen, één zuurstofatoom en zes waterstofatomen bestaan, en alle op dezelfde manier tot een CH3CH2OH-eenheid chemisch verbonden zijn.

Wanneer er ook moleculen met een andere structuur aanwezig zijn (bijvoorbeeld methanol in ethanol), spreekt men dan van een onzuiverheid of contaminatie, of in extremere gevallen van een mengsel. Mengsels kunnen beschouwd worden als samengesteld uit meerdere stoffen, al dan niet visueel onderscheidbaar. Zo kan een mengsel van zand en ijzerpoeder gezien worden als een visueel onderscheidbaar mengsel, omdat de zandkorrels met het blote oog onderscheidbaar zijn van het ijzerpoeder, terwijl een oplossing van natrium- en magnesiumsulfaat in water een visueel ononderscheidbaar mengsel is (het natrium- en magnesiumsulfaat is niet meer met het blote oog onderscheidbaar, omdat de ionen gesolvateerd zijn).

Voor moleculaire stoffen kan gesteld worden dat de elementen waaruit zij zijn opgebouwd, altijd in een strikt vastliggende vaste verhouding (stoichiometrie) voorkomen (2:1:6 voor ethanol bijvoorbeeld).

Inter- en intramoleculaire wisselwerkingen[bewerken]

Meestal wordt bij dit soort stoffen een strikte scheiding gemaakt tussen wisselwerkingen tussen de atomen binnen de molecule en die tussen de moleculen. Tot de eerste worden de chemische covalente bindingen gerekend, tot de laatste de fysische vanderwaalskrachten, de dipolaire wisselwerking en de waterstofbrug. Toch is zelfs hier de scheiding niet geheel scherp te maken. Waterstofbinding kan de sterkte van een zwakke chemische binding bereiken, bijvoorbeeld in het bifluoride-anion.

Het koken van water wordt meestal gezien als een puur fysische zaak: watermoleculen gaan over van een vloeistof- naar een gasfase. Nu wordt het relatief hoge kookpunt van water, (vergeleken met bijvoorbeeld waterstofsulfide, dat kan worden beschouwd als het zwavel-analoog van water) veroorzaakt door de relatief sterke waterstofbruggen die de watermoleculen in de vloeistoffase met elkaar verbinden. In zekere zin is een waterdruppel dus een fysisch netwerk van talloze aan elkaar verbonden H2O-eenheden. Of dit echter een vrij sterke fysische intermoleculaire wisselwerking of een vrij zwakke (intramoleculaire) chemische binding genoemd wordt, is een kwestie van interpretatie. Het is namelijk aangetoond dat een waterstofatoom dat bij een fyische waterstofbrug betrokken is, zich in 10% van de gevallen bij de andere bindingspartner bevindt, wat duidt op een chemische covalente binding. Bij de verdamping van bijvoorbeeld rode fosfor (een oneindig covalent gebonden netwerk) tot P4-moleculen is dit nog sterker het geval.

Anderzijds zijn er vrij zwakke donor-acceptorbindingen (gezien als bijzonder type covalente binding) die tot de vorming van complexen leiden en die vaak alleen in evenwicht met hun samenstellende delen voorkomen. Het is moeilijk te zeggen wat de zuivere stof is in zo'n geval.

Macromoleculaire stoffen[bewerken]

Bij materie die niet is opgebouwd uit relatief kleine, goed gedefinieerde moleculen, ligt het beduidend moeilijker. Polymeren zijn daar een goed voorbeeld van. Hoewel een polymeer als polyetheen gezien kan worden als een stof, bestaat de stof vrijwel altijd uit een mengsel van moleculen die een variabele lengte hebben (de zogenaamde polydispersiteit van een polymeer). Strikt genomen is polyetheen dus nooit een zuivere stof, hoewel alle moleculen wel (behoudens de lengte) dezelfde basisstructuur en dus fundamentele samenstelling hebben.

Ionogene roosters[bewerken]

Natriumchloride is een kristallijne vaste stof met een welbepaalde kristalstructuur.

Bij vaste stoffen met een kristallijne roosterstructuur wordt het nog ingewikkelder. In het geval van stoffen met een ionogene opbouw, zoals natriumchloride (keukenzout), die goed beschreven kan worden als zijnde opgebouwd uit Na+- en Cl-ionen is er nog wel sprake van een strikte stoichiometrie. Het is echter vaak wel mogelijk om bepaalde ionen door andere te vervangen, bijvoorbeeld natrium door kalium in kaliumchloride, zonder dat dat de structuur wezenlijk verandert. Meestal worden dit soort systemen als vaste oplossingen beschouwd. Het is verleidelijk zo'n vaste oplossing een mengsel te noemen, maar er is een wezenlijk verschil tussen een mengsel van korrels zuiver natriumchloride en zuiver kaliumchloride enerzijds en korrels van een vaste oplossing Na0,5K0,5Cl anderzijds. De eenheidscellen van de drie soorten korrels zijn bijvoorbeeld anders en daarmee ook vele andere fysische eigenschappen. Glas is geen chemische verbinding, maar een homogeen mengsel van Na-, K-, Ca- en Mg-silicaten (vaak aangevuld met andere additieven) dat meer de fysische eigenschappen van een extreem viskeuze vloeistof dan van een vaste stof heeft.

Het is echter ook mogelijk dat er nieuwe structuren ontstaan. Kaliumsulfaat en aluminiumsulfaat geven samen bijvoorbeeld het dubbelzout kaliumaluminiumsulfaat (een aluin), dat een andere structuur heeft dan de uitgangsstoffen. In dit geval ligt de samenstelling nog redelijk vast, hoewel kalium gemakkelijk gedeeltelijk door andere alkalimetalen te vervangen is en aluminium door bijvoorbeeld ijzer.

Metaalbinding[bewerken]

Bij vele vaste stoffen kunnen nieuwe structuren optreden, waarvan de samenstelling niet in één vaste verhouding vastligt. Vooral in het geval van metaal-metaalverbindingen (legeringen) kan men dan vaak beter van fasen dan van verbindingen spreken. Hoewel er verschillende structuren te onderscheiden zijn van fase tot fase, is de elementverhouding van de fase vaak lang niet zo scherp bepaald als bij moleculaire vaste stoffen. Het wordt in dat geval een vrij subjectieve zaak wat een zuivere stof en wat een mengsel genoemd wordt.

Polymorfie, allotropie en optische isomerie[bewerken]

1rightarrow blue.svg Zie polymorf (scheikunde), allotropie en optische isomerie voor de hoofdartikelen over dit onderwerp.

Voor polymorfen geldt dat zij beschouwd worden als verschillende fasen (bijvoorbeeld kristalstructuren) van dezelfde stof of chemisch element. Polymorfie is een begrip dat voornamelijk bij kristallijne stoffen gebruikt wordt. Zo kan siliciumdioxide (silica) voorkomen in talloze verschillende polymorfen, zoals kwarts, tridymiet, cristobaliet, lechatelieriet en coesiet. Deze vijf natuurlijk voorkomende mineralen hebben een verschillend uitzicht (kleur en kristalhabitus) en ook verschillende fysische eigenschappen (zoals hardheid), maar bestaan in essentie allen uit silicium en zuurstof in dezelfde chemische en stoichiometrische samenstelling, namelijk SiO2.

Als voorbeeld van allotropie, waarbij een chemisch element in verschillende verschijningsvormen met een verschillende kristalstructuur voorkomt, kan zwavel gelden. Het element is opgebouwd uit moleculen octazwavel (S8) die beneden 96°C voorkomen als orthorombische kristallen en boven 96°C overgaan naar een monokliene vorm. Ook hier geldt dat beide kristalvormen qua uitzicht en eigenschappen kunnen verschillen, maar dat ze alle opgebouwd zijn uit eenzelfde chemische bouwsteen, namelijk S8.

Structuurformule van (S)-melkzuur (links), (R)-melkzuur (rechts). Beide enantiomeren zijn elkaars spiegelbeeld, maar zijn in wezen dezelfde stof.

Voor optische isomeren of enantiomeren geldt dat zij bestaan uit dezelfde atomen, maar de moleculen zelf zijn elkanders spiegelbeeld. Een klassiek voorbeeld is melkzuur, dat een stereogeen koolstofatoom bezit, waardoor twee enantiomeren van melkzuur bestaan. Hoewel beide enantiomeren zich opnieuw fysisch anders kunnen gedragen, zoals bijvoorbeeld hun kenmerkend gedrag ten opzichte van gepolariseerd licht, behoren zij beide tot dezelfde stof. Hun chemische eigenschappen zijn dus gelijk.

Zie ook[bewerken]