Stel dat ik wat waterstofgas (H2) neem en dit meng met zuurstofgas (O2). Wat gebeurt er dan? Niets. Er gebeurt niets tenzij je een beetje energie toevoegt – van een vonk, misschien. Voeg energie toe en BOEM: Je krijgt een explosie, en de waterstof en zuurstof (een deel ervan) maken water (H2O). Het is duidelijk dat bij deze reactie energie vrijkomt, maar waar komt die vandaan?
Hier volgt een verrassend vaak gegeven antwoord:
“De energie is opgeslagen in de chemische bindingen. Als je de bindingen verbreekt, krijg je energie.”
Zoals Derek Muller (van Veritasium) opmerkt, is dit idee van energie opgeslagen in de chemische bindingen erg fout. Om een beter begrip te krijgen van energie in chemische bindingen, bekijken we een vereenvoudigd model.
Atomair bindingsmodel
Als een waterstofatoom een interactie aangaat met een ander waterstofatoom om moleculaire waterstof (H2) te vormen, gebeuren er veel dingen. Toch is een van de fundamentele interacties het gevolg van de elektrostatische kracht tussen protonen en elektronen. Ja, er zijn ook kwantummechanische effecten, maar laat me me beperken tot een eenvoudig model. In dit model heb ik twee waterstofatomen die een soort elektrische kracht ondervinden die hen aantrekt. Wanneer ze heel dicht bij elkaar komen, is er een andere kracht die de twee atomen afstoot. Om de zaken rustig te houden, voeg ik een trekkracht toe. Hier zie je hoe het eruitziet als deze twee atomen op elkaar inwerken.
Wat valt je op?
- Er is een aantrekkingskracht tussen de twee atomen.
- Als ze dichterbij komen, neemt de kinetische energie van de twee atomen toe.
- Er is iets dat voorkomt dat de twee atomen tegen elkaar botsen.
- De atomen blijven niet oscilleren omdat ze energie verliezen (dit zou zijn alsof ze hun omgeving opwarmen).
- Waterstofatomen zijn geel (maar dat had je al moeten weten).
Als je dit systeem in termen van energie wilt zien, is het misschien handig om te kijken naar een schets van de potentiële energie voor deze twee waterstofatomen. Het zou er ongeveer zo uitzien (slechts een schets).
We kunnen ons voorstellen dat de waterstofatomen als een bal over een heuvel rollen die de vorm heeft van de potentiaalkromme. Je kunt zien dat de snelheid toeneemt als de bal de heuvel afrolt, en vervolgens afremt en weer teruggaat als de bal de “heuvel” oprolt. Maar hier is het belangrijke punt: Als de bal aan de onderkant van de kromme was, zou je energie moeten toevoegen om hem de heuvel op te laten gaan. Je zou energie moeten toevoegen om deze chemische verbinding te verbreken.
Waar komt de energie vandaan?
Laten we teruggaan naar het voorbeeld van waterstof en zuurstof. Als je deze reactie op gang brengt, krijg je inderdaad veel energie. Maar deze energie komt niet van de waterstof-waterstof binding, en ook niet van de zuurstof-zuurstof binding. De energie komt van de vorming van de waterstof-zuurstofbruggen in het water. Misschien helpt een andere energieschets. Stel dat ik de energie van de gassen en het water met het volgende voorstel:
Het verplaatsen van die bal naar het onderste deel van de bocht (het watergedeelte) kost een beetje energie, maar je krijgt er veel voor terug. Maar er is nog steeds geen energie opgeslagen in de bindingen van het water. In plaats daarvan krijg je energie door de binding te vormen.
Een ander moleculair model
De verwarring over energie in chemische bindingen is een van de redenen dat Derek Muller aan een nieuw moleculair model werkt, de Snatoms.
Je herinnert je vast nog wel die balletjes- en stokjesmoleculaire modellen van de universiteit of de middelbare school. De Snatoms zijn vergelijkbaar, maar in plaats van stokjes gebruiken ze magneten. Er zijn twee voordelen van magnetische verbindingen. Ten eerste zijn ze sneller in elkaar te zetten omdat de atomen in elkaar klikken. Ten tweede (en belangrijker) kunnen de leerlingen voelen dat er een kracht is die de atomen samen trekt. Ze kunnen ook de kracht voelen die nodig is om ze uit elkaar te trekken. Dit helpt bij de ontwikkeling van het idee dat er energie nodig is om bindingen te verbreken.
De Snatoms zijn natuurlijk nog steeds maar een model. Ze geven niet alles weer over moleculen, maar ze zouden in ieder geval moeten helpen met het energie-bond-ding.