IIntermediate · deel I4 · Chemie en materialen

Handboek · hoofdstuk 12Atomen en het periodiek systeem

Wat er in een atoom zit, en waarom 118 elementen in één tabel passen

In F6 bestond alles uit deeltjes. Nu kijk je erin: een atoom is een piepkleine kern met protonen en neutronen, en daaromheen elektronen. Het aantal protonen bepaalt welk element het is, de elektronen in de buitenste schil bepalen hoe het reageert. Daarmee begrijp je de bouw van het periodiek systeem, de tabel die Mendelejev in 1869 opstelde en waarmee hij elementen voorspelde die nog niemand gezien had. Voor Habitat zoek je uit welke elementen een plant nodig heeft, en waar ze in de voedingsoplossing zitten.

9× uitleg5× uitgewerkt voorbeeld1× proef1× ontleed1× naslag2× verhaal1× het geheel1× code15 opdrachten in het werkboek± 8 lestijden

MMaterie en chemie

Koper, zwavel, silicium, koolstof, gallium, jood en neon: zeven elementen, zeven soorten atomen.

Na dit hoofdstuk

Je kan de bouw van een atoom beschrijven met protonen, neutronen en elektronen, hun lading, massa en plaats.
Je kan uit het atoomnummer en het massagetal het aantal protonen, neutronen en elektronen afleiden, ook voor ionen.
Je kan uitleggen wat isotopen zijn en de gemiddelde atoommassa berekenen uit isotoopmassa's en hun aandeel.
Je kan de elektronen van de eerste twintig elementen over de schillen verdelen en de grenzen van dat model benoemen.
Je kan het aantal valentie-elektronen afleiden en in verband brengen met de groep en de ionlading.
Je kan de opbouw van het periodiek systeem uitleggen: perioden, groepen, families, metalen, niet-metalen, metalloïden en edelgassen.
Je kan met het periodiek systeem eigenschappen van een element voorspellen, zoals Mendelejev deed.
Je kan de elementen noemen die een plant nodig heeft en ze terugvinden in een voedingsoplossing.

Uitleg · 12.1

Wat je al weet, en wat nu komt

1/21

In F6 leerde je dat alles uit deeltjes bestaat, en in F8 dat een zuivere stof uit één soort deeltjes bestaat. Met de scheidingstechnieken uit F9 kan je een zuivere stof niet verder opsplitsen. Met een chemische reactie soms wel: stuur een stroom door water, en je krijgt twee gassen, waterstof en zuurstof. Water is dus een samengestelde stof (een verbinding): de deeltjes, de moleculen, zijn opgebouwd uit twee soorten atomen. Waterstof en zuurstof kan je chemisch niet verder ontbinden: het zijn enkelvoudige stoffen, opgebouwd uit één soort atomen. Zo'n atoomsoort heet een element. Er zijn er 118, waarvan er ongeveer 90 in de natuur voorkomen.

wat je al weet	waar	wat er nu bij komt
alles bestaat uit deeltjes die bewegen	F6	wat die deeltjes zijn: atomen, moleculen, ionen
een zuivere stof bestaat uit één soort deeltjes	F8	enkelvoudige en samengestelde stoffen, elementen
zout water geleidt, suikerwater niet: er zijn geladen deeltjes	F8	waar die lading vandaan komt: elektronen
halveringstijd en exponentieel verval	hoofdstuk 5	radioactieve isotopen zoals koolstof-14

In dit hoofdstuk

open je het atoom: kern en elektronen, protonen en neutronen;
leer je de notatie van een atoomsoort lezen, en ontdek je isotopen;
verdeel je de elektronen over schillen en zoek je de valentie-elektronen;
zie je de kleuren die elementen in een vlam geven, en waarom;
volg je Mendelejev bij het bouwen van het periodiek systeem, en voorspel je zelf een element;
zoek je uit welke elementen de planten van Habitat nodig hebben.

Elke stap is een zoom van duizenden keren: van een druppel naar een molecule, een atoom en de kern.

Verhaal · 12.2

Een kogel die terugkaatst op vloeipapier

2/21

Rond 1800 dacht John Dalton dat atomen harde, ondeelbare bolletjes waren, voor elk element een andere soort. Een eeuw later bleek dat niet te kloppen. In 1897 ontdekte J.J. Thomson het elektron: een negatief deeltje, veel lichter dan het lichtste atoom, dat uit elk metaal kon komen. Atomen hadden dus onderdelen. Thomson stelde zich een atoom voor als een positieve bol met de elektronen erin verspreid, als rozijnen in een cake.

In Manchester liet Ernest Rutherford vanaf 1909 zijn medewerkers Hans Geiger en Ernest Marsden alfadeeltjes, snelle positieve deeltjes uit radium, afvuren op een flinterdun blaadje goud. Rond het blaadje stond een scherm dat een lichtflitsje gaf waar een deeltje insloeg. In een donkere kamer telden ze de flitsjes, urenlang, door een microscoop. Bijna alle deeltjes gingen rechtdoor, alsof het goud er niet was. Maar een heel klein deel boog sterk af, en af en toe kaatste er een terug. Rutherford vergeleek het later met een granaat die je afvuurt op een vel vloeipapier en die terugkomt.

In 1911 gaf hij de verklaring. Een atoom is bijna helemaal leeg. Alle positieve lading en bijna alle massa zitten in een piepkleine kern. Een alfadeeltje dat de kern net mist, gaat rechtdoor; alleen een deeltje dat vlak bij een kern komt, wordt door de afstoting sterk afgebogen. In 1932 vond James Chadwick het laatste bouwsteentje van de kern: het ongeladen neutron.

Hoe weet je iets over iets wat je niet kan zien?

Niemand heeft de kern van een goudatoom ooit gezien. Rutherford besloot tot haar bestaan uit een telling van flitsjes en een berekening: welk model voorspelt hoeveel deeltjes onder welke hoek afbuigen? Zo werkt wetenschap vaak: een model voorspelt iets meetbaars, en de meting beslist.

Bijna alle alfadeeltjes vliegen tussen de kernen door; een enkel deeltje dat een kern bijna raakt, kaatst terug.

Uitleg · 12.3

Protonen, neutronen en elektronen

3/21

Een atoom bestaat uit drie soorten deeltjes:

deeltje	symbool	waar	lading	massa (kg)	massa (u)
proton	p⁺	kern	+1	$1, 673 \cdot 1 0^{- 27}$	1,007
neutron	n	kern	0	$1, 675 \cdot 1 0^{- 27}$	1,009
elektron	e⁻	rond de kern	−1	$9, 109 \cdot 1 0^{- 31}$	0,000 549

Lading. Een proton heeft een positieve lading die precies even groot is als de negatieve lading van een elektron: $1, 602 \cdot 1 0^{- 19} C$ . We noemen dat kortweg +1 en −1. Een atoom heeft evenveel elektronen als protonen en is dus neutraal.

Massa. Een proton en een neutron zijn bijna even zwaar; een elektron is 1836 keer lichter dan een proton. Meer dan 99,9 % van de massa van een atoom zit dus in de kern. Omdat kilogrammen hier onhandig zijn, gebruik je de atomaire massa-eenheid u: één twaalfde van de massa van een koolstof-12-atoom, $1 u = 1, 6605 \cdot 1 0^{- 27} kg$ . Een proton en een neutron wegen elk ongeveer 1 u.

Grootte. Een atoom is ongeveer 0,1 tot 0,3 nm groot ( $1 0^{- 10}$ m): tien miljoen atomen op een rij zijn samen maar 1 à 3 mm lang. De kern is nog eens ongeveer 60 000 keer kleiner. Was de kern een zandkorrel van 1 mm, dan was het atoom een bol van 60 m, zo groot als een voetbalveld, met daarin alleen een paar elektronen.

Waarom vliegen de protonen in de kern niet uit elkaar, als gelijke ladingen elkaar afstoten? Op heel korte afstand trekken protonen en neutronen elkaar aan met de sterke kernkracht, veel sterker dan de elektrische afstoting. Neutronen zijn daarbij een soort lijm: zonder neutronen houdt alleen de waterstofkern het uit.

Een atoom is een klein, vol bolletje

Een atoom is bijna helemaal lege ruimte. Dat je toch niet door een tafel zakt, komt door de elektronen: de elektronen van jouw hand en die van de tafel stoten elkaar af lang voor de kernen elkaar ooit naderen.

Niet op schaal: op deze tekening zou de kern kleiner zijn dan een honderdste van een pixel.

Uitleg · 12.4

Atoomnummer en massagetal

4/21

Wat een atoom tot koolstof of tot goud maakt, is het aantal protonen in de kern. Dat getal heet het atoomnummer $Z$ . Elk koolstofatoom heeft 6 protonen, elk goudatoom 79. Het massagetal $A$ is het aantal protonen en neutronen samen, de kerndeeltjes. Het aantal neutronen is dus

aantal neutronen

N = A - Z

Z

atoomnummer (protonen),

A

massagetal (protonen + neutronen). In een neutraal atoom is het aantal elektronen gelijk aan

Z

Je schrijft een atoomsoort als $_{Z}^{A} X$ , met het symbool van het element: $_{17}^{35} Cl$ is een chlooratoom met 17 protonen en $35 - 17 = 18$ neutronen. Omdat het symbool al zegt welk element het is, laat men $Z$ vaak weg: $^{35} Cl$ , of in woorden chloor-35.

atoomsoort	Z (protonen)	A	neutronen N = A − Z	elektronen (neutraal)
$_{1}^{1} H$	1	1	0	1
$_{2}^{4} He$	2	4	2	2
$_{6}^{12} C$	6	12	6	6
$_{8}^{16} O$	8	16	8	8
$_{11}^{23} Na$	11	23	12	11
$_{26}^{56} Fe$	26	56	30	26
$_{92}^{238} U$	92	238	146	92

Ionen. Bij een chemische reactie kan een atoom elektronen afgeven of opnemen, nooit protonen: die zitten diep in de kern. Het wordt dan een ion met een lading. Een natriumatoom dat één elektron afgeeft, wordt een natriumion Na⁺: 11 protonen, 10 elektronen. Een chlooratoom dat er één opneemt, wordt een chloride-ion Cl⁻: 17 protonen, 18 elektronen. De lading is altijd het aantal protonen min het aantal elektronen.

Links boven het massagetal, links onder het atoomnummer: chloor-35 heeft 17 protonen en 18 neutronen.

Uitgewerkt voorbeeld · 12.5

Deeltjes tellen in atomen en ionen

5/21

Hoeveel protonen, neutronen en elektronen hebben $^{31} P$ , $^{40} Ca^{2 +}$ en $^{32} S^{2 -}$ ? En welk atoom heeft 26 protonen en 30 neutronen?

Gegeven

massagetallen 31, 40 en 32; ladingen 0, 2+ en 2−
het periodiek systeem (atoomnummers)

Gevraagd

protonen, neutronen en elektronen
symbool en massagetal van het vierde atoom

Oplossing

1
Fosfor-31. In het periodiek systeem heeft fosfor $Z = 15$ : 15 protonen. Neutronen: $31 - 15 = 16$ . Neutraal, dus 15 elektronen.
2
Calciumion. Calcium: $Z = 20$ , dus 20 protonen en $40 - 20 = 20$ neutronen. De lading 2+ betekent twee elektronen minder dan protonen: $20 - 2 = 18$ elektronen.
3
Sulfide-ion. Zwavel: $Z = 16$ , dus 16 protonen en $32 - 16 = 16$ neutronen. De lading 2− betekent twee elektronen meer: 18 elektronen.
4
Het onbekende atoom. 26 protonen: $Z = 26$ , dat is ijzer (Fe). Massagetal $A = 26 + 30 = 56$ : $_{26}^{56} Fe$ , ijzer-56.

Antwoord

^{31} P

: 15 p, 16 n, 15 e;

^{40} Ca^{2 +}

: 20 p, 20 n, 18 e;

^{32} S^{2 -}

: 16 p, 16 n, 18 e; het vierde atoom is ijzer-56.

Klopt dit? Het calciumion en het sulfide-ion hebben allebei 18 elektronen, evenveel als het edelgas argon. Dat is geen toeval: verderop in dit hoofdstuk zie je waarom atomen zo graag de elektronenverdeling van een edelgas krijgen.

Uitleg · 12.6

Isotopen

6/21

Alle atomen van een element hebben evenveel protonen, maar niet altijd evenveel neutronen. Atomen van hetzelfde element met een ander massagetal heten isotopen (Grieks voor 'op dezelfde plaats': ze staan in hetzelfde vakje van het periodiek systeem). Waterstof heeft er drie: gewone waterstof zonder neutron, deuterium met één en tritium met twee neutronen.

Isotopen hebben dezelfde elektronen, en dus dezelfde chemische eigenschappen: ze vormen dezelfde verbindingen. Ze verschillen in massa, en soms in stabiliteit. Water met deuterium in plaats van gewone waterstof, 'zwaar water' D₂O, is 11 % zwaarder: een ijsblokje van zwaar water zinkt in gewoon water. Sommige isotopen zijn instabiel: hun kern valt na een tijd uiteen, ze zijn radioactief.

element	isotopen in de natuur (aandeel van de atomen)	opmerking
waterstof	H-1: 99,985 %; H-2 (deuterium): 0,015 %	H-3 (tritium) is radioactief (halveringstijd 12,3 jaar)
koolstof	C-12: 98,93 %; C-13: 1,07 %	C-14: ongeveer 1 op $1 0^{12}$ , radioactief, halveringstijd 5730 jaar
stikstof	N-14: 99,636 %; N-15: 0,364 %	N-15 gebruiken plantenonderzoekers om meststof te 'volgen'
chloor	Cl-35: 75,76 %; Cl-37: 24,24 %	daarom is de atoommassa 35,45 en geen geheel getal
kalium	K-39: 93,26 %; K-41: 6,73 %	K-40 (0,0117 %) is radioactief: ook in bananen en in je lichaam
uraan	U-238: 99,27 %; U-235: 0,72 %	kernbrandstof wordt verrijkt tot 3 à 5 % U-235

Koolstof-14 ontstaat voortdurend hoog in de atmosfeer. Planten nemen het op met de koolstofdioxide die ze gebruiken voor fotosynthese, dieren eten de planten: zolang een organisme leeft, heeft het dezelfde verhouding C-14/C-12 als de lucht. Na de dood komt er geen C-14 meer bij, en halveert de hoeveelheid om de 5730 jaar. Uit wat er overblijft, bereken je hoe lang geleden het organisme stierf: de koolstofdatering, met de halveringstijd uit hoofdstuk 5.

Eén proton en één elektron, en 0, 1 of 2 neutronen: chemisch dezelfde stof, maar een andere massa.

Uitgewerkt voorbeeld · 12.7

De gemiddelde atoommassa van chloor

7/21

In het periodiek systeem staat voor chloor een atoommassa van 35,45 u, terwijl geen enkel chlooratoom 35,45 u weegt. Een massaspectrometer, een toestel dat atomen sorteert op massa, meet in natuurlijk chloor twee isotopen: chloor-35 (34,969 u, 75,76 % van de atomen) en chloor-37 (36,966 u, 24,24 %). Toon aan dat de gemiddelde atoommassa 35,45 u is.

Het massaspectrum van chloor: twee pieken, bij 35 en bij 37, in de verhouding 3 : 1.

Gegeven

$m_{1} = 34, 969 u$ , aandeel $f_{1} = 0, 7576$
$m_{2} = 36, 966 u$ , aandeel $f_{2} = 0, 2424$

Gevraagd

de gemiddelde atoommassa $\overset{m}{ˉ}$

Oplossing

1
Neem in gedachten 10 000 chlooratomen: 7576 wegen elk 34,969 u, 2424 wegen elk 36,966 u.
2
Hun totale massa: $7576 \cdot 34, 969 + 2424 \cdot 36, 966 = 264925 + 89606 = 354531 u$ .
3
Gemiddeld per atoom: $354 531/10 000 = 35, 45 u$ .
4
Korter, met de aandelen als decimale getallen (een gewogen gemiddelde): $\overset{m}{ˉ} = f_{1} m_{1} + f_{2} m_{2} = 0, 7576 \cdot 34, 969 + 0, 2424 \cdot 36, 966 = 35, 45 u$ .

Antwoord

De gemiddelde atoommassa van chloor is

35, 45 u

: het gewogen gemiddelde van zijn twee isotopen.

Klopt dit? Het gemiddelde ligt tussen 35 en 37, veel dichter bij 35: er is drie keer zoveel chloor-35. Reken je met de massagetallen (35 en 37) in plaats van de echte isotoopmassa's, dan krijg je 35,48: dicht bij, maar niet exact, omdat protonen en neutronen niet precies 1 u wegen en er bij het samenvoegen van een kern een beetje massa verdwijnt als bindingsenergie.

Uitgewerkt voorbeeld · 12.8

Hoeveel koper-63 zit er in koper?

8/21

Koper heeft twee stabiele isotopen: koper-63 (62,930 u) en koper-65 (64,928 u). De gemiddelde atoommassa is 63,546 u. Welk percentage van de koperatomen is koper-63?

Gegeven

$m_{63} = 62, 930 u$ , $m_{65} = 64, 928 u$
$\overset{m}{ˉ} = 63, 546 u$

Gevraagd

het aandeel $x$ van koper-63

Oplossing

1
Noem het aandeel van koper-63 $x$ (als decimaal getal). Er zijn maar twee isotopen, dus het aandeel van koper-65 is $1 - x$ .
2
Gewogen gemiddelde: $x \cdot 62, 930 + (1 - x) \cdot 64, 928 = 63, 546$ .
3
Haakjes uitwerken: $62, 930 x + 64, 928 - 64, 928 x = 63, 546$ , dus $- 1, 998 x = - 1, 382$ .
4
$x = \frac{1 , 382}{1 , 998} = 0, 692$ .

Antwoord

69,2 % van de koperatomen is koper-63, 30,8 % is koper-65.

Klopt dit? De gemiddelde massa 63,546 ligt dichter bij 63 dan bij 65, dus er moet meer koper-63 zijn: klopt. Invullen:

0, 692 \cdot 62, 930 + 0, 308 \cdot 64, 928 = 63, 545

. De gemeten waarde is 69,15 %: het verschil komt van het afronden van de isotoopmassa's.

Uitleg · 12.9

Elektronen in schillen

9/21

Hoe zitten de elektronen rond de kern? In 1913 stelde Niels Bohr een model voor waarin de elektronen in vaste schillen rond de kern zitten, op een steeds grotere afstand en met een steeds hogere energie. De schillen krijgen een nummer $n = 1, 2, 3, \dots$ of een letter K, L, M, N. Een schil kan hoogstens $2 n^{2}$ elektronen bevatten: 2, 8, 18, 32.

De elektronen vullen eerst de binnenste schil, die het dichtst bij de kern zit en de laagste energie heeft. Voor de eerste twintig elementen geldt de eenvoudige regel 2, 8, 8, 2:

de eerste schil (K): hoogstens 2 elektronen;
de tweede schil (L): hoogstens 8;
de derde schil (M): tot 8 elektronen voor het volgende element al de vierde schil begint;
de vierde schil (N): 1 elektron bij kalium, 2 bij calcium.

Natrium (11 elektronen) wordt zo 2, 8, 1; in de letternotatie K2 L8 M1. Chloor (17) wordt 2, 8, 7, en argon (18) 2, 8, 8.

Wat het schillenmodel niet kan

De derde schil kan 18 elektronen aan, en toch begint bij kalium al de vierde schil. Het schillenmodel verklaart dat niet: elke schil bestaat in werkelijkheid uit subschillen met een iets andere energie, en een deel van de vierde schil ligt lager dan de rest van de derde. Pas vanaf scandium (Z = 21) vult de derde schil zich verder tot 18. Ook de beweging klopt niet: elektronen draaien niet in nette banen zoals planeten. Een elektron dat in een cirkel draait, zou straling uitzenden en in de kern vallen. In werkelijkheid is een elektron eerder een 'wolk' die aangeeft waar het zich waarschijnlijk bevindt (het orbitaalmodel, Expert). Voor de eerste twintig elementen en voor het begrijpen van bindingen (hoofdstuk 13) is het schillenmodel wel een uitstekend gereedschap.

De blauwe bolletjes zijn de elektronen, de rode kern draagt het symbool. Kalium begint een vierde schil.

Uitgewerkt voorbeeld · 12.10

De schillen van fosfor, kalium en het calciumion

10/21

Verdeel de elektronen over de schillen voor fosfor (Z = 15), kalium (Z = 19) en het calciumion Ca²⁺.

Gegeven

$Z$ = 15, 19 en 20; lading van het calciumion: 2+
regel 2, 8, 8, 2

Gevraagd

de verdeling over de schillen
het aantal valentie-elektronen

Oplossing

1
Fosfor: 15 elektronen. Eerste schil 2 (rest 13), tweede schil 8 (rest 5), derde schil 5. Verdeling 2, 8, 5: vijf elektronen in de buitenste schil.
2
Kalium: 19 elektronen. 2 en 8 (rest 9). De derde schil neemt er 8, dan begint de vierde schil met het laatste elektron: 2, 8, 8, 1. Niet 2, 8, 9: in dit model is de derde schil 'voorlopig vol' bij 8.
3
Calciumion: calcium heeft 20 elektronen (2, 8, 8, 2). Het ion Ca²⁺ heeft er twee minder, en die gaan uit de buitenste schil: 2, 8, 8. De vierde schil is weg.

Antwoord

P: 2, 8, 5 (5 valentie-elektronen); K: 2, 8, 8, 1 (1); Ca²⁺: 2, 8, 8, dezelfde verdeling als argon.

Klopt dit? Tel na: 2 + 8 + 5 = 15; 2 + 8 + 8 + 1 = 19; 2 + 8 + 8 = 18 = 20 − 2. De som van de schillen is altijd het aantal elektronen.

Proef · 12.11

Vlamkleuren: elk element zijn eigen licht

11/21

Onderzoeksvraag

Kleuren zouten van verschillende metalen een vlam op een eigen manier? Kan je een zout herkennen aan zijn vlamkleur?

Materiaal

bunsenbrander of gasbrander op een hittebestendige plaat
houten satéprikkers, een nacht geweekt in gedemineraliseerd water
kleine hoeveelheden (een mespuntje) natriumchloride, kaliumchloride, calciumchloride, lithiumchloride en kopersulfaat, elk in een eigen schaaltje
blauw kobaltglas
bekerglas met water om de prikkers te doven
veiligheidsbril

VeiligheidVeiligheidsbril, haar vast, geen losse kleding. Werk met kleine hoeveelheden, houd de prikker schuin zodat er niets in de brander valt, en doof hem daarna in het water. Lithiumchloride, calciumchloride en kopersulfaat: niet inslikken, niet in de ogen. Kopersulfaatresten bij het chemisch afval (GHS09).

Wit licht bevat alle kleuren. Een element geeft maar enkele scherpe lijnen: kalium rood en violet samen, dat zie je als lila.

Werkwijze

1Regel de brander tot een blauwe, bijna kleurloze vlam (luchtregeling open).
2Druk de natte punt van een prikker in het eerste zout, zodat er wat korreltjes aan blijven kleven.
3Houd de punt in de rand van de vlam, niet in de blauwe kern. Noteer de kleur die de vlam krijgt.
4Neem voor elk zout een nieuwe prikker. Bekijk de kaliumvlam ook door het kobaltglas.
5Laat een klasgenoot een van de vijf zouten kiezen zonder te zeggen welk. Herken het aan zijn vlamkleur.

Waarneming

zout	metaal	vlamkleur
natriumchloride	natrium	fel geeloranje, overstemt alle andere kleuren
kaliumchloride	kalium	lila, zwak; door het kobaltglas roze-violet
calciumchloride	calcium	oranjerood (baksteenrood)
lithiumchloride	lithium	karmijnrood
kopersulfaat	koper	blauwgroen

De kleur hoort bij het metaal, niet bij het chloride: natriumchloride en natriumsulfaat kleuren de vlam allebei geel. Een klein beetje natrium (zweet op je vingers, stof) kleurt elke vlam al geel. Het kobaltglas houdt geel licht tegen: daardoor zie je het zwakke kaliumlicht, ook als er wat natrium bij zit.

Verklaring

De hete vlam geeft de atomen energie. Een elektron springt daardoor naar een hogere, lege schil. Daar blijft het niet: het valt terug, en geeft de energie af als een flitsje licht. Omdat de schillen vaste energieën hebben, is het energieverschil, en dus de kleur van dat licht, voor elk element anders. Natrium geeft vooral licht van 589 nm: geel. Stuur je dat licht door een prisma, dan zie je geen regenboog maar een paar scherpe lijnen: een lijnenspectrum, een vingerafdruk van het element.

In 1860 en 1861 ontdekten Robert Bunsen en Gustav Kirchhoff zo twee nieuwe elementen, die ze naar de kleur van hun lijnen noemden: cesium (hemelsblauw) en rubidium (dieprood). In 1868 zagen sterrenkundigen in het licht van de zon een gele lijn die bij geen enkel bekend element paste: helium, zo genoemd naar de Griekse zon, helios, en pas in 1895 op aarde gevonden. Vuurwerk gebruikt dezelfde natuurkunde: strontium voor rood, barium voor groen, natrium voor geel. En de oranje verlichting die decennialang de Belgische autosnelwegen verlichtte, was het licht van natriumdamplampen.

De sprong omhoog kost energie, de val terug geeft ze als licht van één welbepaalde kleur.

Lees het etiket van elk potje: deze pictogrammen staan erop.

Natrium, kalium, calcium, lithium en koper: vijf metalen, vijf vlamkleuren.

Uitleg · 12.12

Valentie-elektronen en de edelgasconfiguratie

12/21

Bij een chemische reactie komen atomen met hun buitenkant in contact. De elektronen in de buitenste schil, de valentie-elektronen, bepalen daarom hoe een atoom reageert. Natrium heeft er 1, chloor 7, koolstof 4.

Bij de edelgassen is de buitenste schil vol: 2 bij helium, 8 bij neon en argon. Die elementen reageren bijna nooit. Andere atomen gaan chemische verbindingen aan zodat ze zelf ook zo'n volle buitenste schil krijgen: de edelgasconfiguratie. Omdat dat (behalve bij helium) acht elektronen zijn, heet dat ook de octetregel.

Metalen hebben weinig valentie-elektronen. Ze geven ze makkelijk af en worden een positief ion: natrium (2, 8, 1) wordt Na⁺ (2, 8), met de verdeling van neon. Magnesium wordt Mg²⁺, aluminium Al³⁺.
Niet-metalen hebben veel valentie-elektronen. Ze nemen er op of delen er (hoofdstuk 13): chloor (2, 8, 7) wordt Cl⁻ (2, 8, 8), met de verdeling van argon. Zuurstof wordt O²⁻, stikstof N³⁻.

Je tekent de valentie-elektronen als stippen rond het symbool: het Lewissymbool. Eerst één stip aan elke kant, dan paren. Zo zie je in één oogopslag hoeveel elektronen een atoom kan afgeven, opnemen of delen.

groep	1	2	13	14	15	16	17	18
valentie-elektronen	1	2	3	4	5	6	7	8
meest voorkomend ion	+1	+2	+3	(deelt)	−3	−2	−1	geen
voorbeeld	K⁺	Ca²⁺	Al³⁺	C	N³⁻	O²⁻	Cl⁻	Ar

Van groep naar lading

Groep 1 en 2: lading +1 en +2. Groep 13: +3. Groep 15, 16 en 17: acht min het aantal valentie-elektronen, met een minteken: −3, −2, −1. De planten van Habitat nemen hun kalium, calcium en magnesium op als precies zulke ionen: K⁺, Ca²⁺ en Mg²⁺.

Het aantal stippen is het groepsnummer (min tien vanaf groep 13). Links geven de atomen elektronen af, rechts nemen ze op.

Verhaal · 12.13

Mendelejev en de lege vakjes

13/21

In 1869 waren 63 elementen bekend. Chemici wisten van elk de atoommassa en een hele reeks eigenschappen, maar geen orde. De Russische scheikundige Dmitri Mendelejev, professor in Sint-Petersburg, schreef aan een leerboek en zocht een logische volgorde voor de hoofdstukken. Hij schreef elk element met zijn eigenschappen op een kaartje en schoof ermee tot er een patroon verscheen: in de volgorde van de atoommassa keren dezelfde eigenschappen periodiek terug. Lithium, natrium en kalium, zachte metalen die heftig met water reageren, kwamen onder elkaar te staan; fluor, chloor, broom en jood ook.

Mendelejev deed twee gedurfde dingen. Hij liet vakjes open waar geen bekend element paste, en hij voorspelde de eigenschappen van die ontbrekende elementen uit hun buren. En hij zette telluur (127,6) vóór jood (126,9), tegen de volgorde van de massa in, omdat jood bij de halogenen hoort. Pas in 1913 bleek waarom dat klopte: Henry Moseley toonde met röntgenstraling aan dat de volgorde in de tabel die van het atoomnummer is, niet die van de massa.

In 1875 vond de Fransman Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran in zinkerts een nieuw metaal, dankzij twee violette lijnen in zijn spectrum: gallium. Mendelejev herkende er zijn 'eka-aluminium' in. Toen Lecoq een dichtheid van 4,7 g/cm³ meldde, schreef Mendelejev hem dat die ongeveer 5,9 moest zijn. Lecoq zuiverde zijn staal en mat opnieuw: 5,9. In 1879 volgde scandium (eka-boor), en in 1886 vond Clemens Winkler germanium, Mendelejevs eka-silicium:

eigenschap	eka-silicium, voorspeld (1871)	germanium, gemeten
atoommassa	72	72,63
dichtheid	5,5 g/cm³	5,32 g/cm³
kleur	grijs	grijs
formule van het oxide	EsO₂	GeO₂
chloride	EsCl₄, vloeibaar, kookt onder 100 °C	GeCl₄, kookt bij 86,5 °C
dichtheid van het chloride	1,9 g/cm³	1,88 g/cm³

Vanaf dan twijfelde niemand nog aan het periodiek systeem. Element 101 draagt zijn naam: mendelevium.

Een goede theorie steekt haar nek uit

Anderen, zoals de Duitser Lothar Meyer, hadden ook ontdekt dat eigenschappen periodiek terugkeren. Wat Mendelejev onderscheidde, waren de voorspellingen die fout konden blijken. Ze bleken juist.

Gallium smelt al bij 29,8 °C: in je hand. Mendelejev voorspelde het metaal vier jaar voor het gevonden werd.

Uitleg · 12.14

Het periodiek systeem: perioden en groepen

14/21

In het periodiek systeem staan de elementen in de volgorde van hun atoomnummer, van links naar rechts en rij per rij. Vandaag telt het 118 elementen; de laatste vier kregen in 2016 hun naam.

Een horizontale rij heet een periode. Het nummer van de periode is het aantal schillen: natrium (2, 8, 1) staat in periode 3. Bij elke nieuwe periode begint een nieuwe schil.
Een kolom heet een groep. Elementen in een groep hebben evenveel valentie-elektronen, en daardoor gelijkaardige chemische eigenschappen: ze vormen een familie. In de hoofdgroepen is het aantal valentie-elektronen het groepsnummer (groep 1 en 2) of het groepsnummer min tien (groep 13 tot 18).

groep	familienaam	kenmerk
1 (behalve H)	alkalimetalen	zachte metalen, reageren heftig met water; hoe lager in de groep, hoe heftiger
2	aardalkalimetalen	metalen, minder heftig; calcium en magnesium in kalk, beenderen en bladgroen
3 tot 12	overgangsmetalen	de gewone gebruiksmetalen: ijzer, koper, zink, nikkel; vaak gekleurde verbindingen
16	zuurstofgroep	zuurstof en zwavel
17	halogenen	reactieve niet-metalen: fluor, chloor, broom, jood; vormen zouten met metalen
18	edelgassen	volle buitenste schil, reageren bijna niet

Onderaan staan twee losse rijen van veertien à vijftien elementen, de lanthaniden en de actiniden. Ze horen eigenlijk in periode 6 en 7, maar zo past de tabel op een blad. Bijna alles na uraan (Z = 92) wordt door mensen gemaakt, vaak maar enkele atomen tegelijk die na een fractie van een seconde uiteenvallen.

Waterstof, een buitenbeentje

Waterstof staat in groep 1 omdat het één valentie-elektron heeft, maar het is geen metaal: het is een gas dat elektronen liever deelt dan afgeeft. Helium staat in groep 18 bij de edelgassen, al heeft het maar twee valentie-elektronen: zijn enige schil is vol.

Periode = aantal schillen, groep = aantal valentie-elektronen. Onder elkaar staan dus atomen met evenveel elektronen in de buitenste schil.

De dikke trap scheidt de metalen (links) van de metalloïden en niet-metalen. Voor polonium en astaat is de indeling onzeker.

Ontleed · 12.15

Ionisatie-energie: het ritme van het periodiek systeem

15/21

De ionisatie-energie is de energie die nodig is om het zwakst gebonden elektron uit een atoom te halen, gemeten voor een mol atomen (een vast, heel groot aantal: hoofdstuk 14). Hoe hoger ze is, hoe steviger het atoom zijn elektronen vasthoudt. De grafiek toont de gemeten waarden voor de eerste twintig elementen. Het periodieke ritme springt eruit.

Gemeten waarden (NIST). Pieken bij de edelgassen, dalen bij de alkalimetalen: de schillen zijn in de grafiek te zien.

Wijs een nummer aan: de figuur zoomt in. Klik om vast te zetten.

1
Waterstof: 1312 kJ/mol
Eén elektron, vlak bij de kern en zonder andere elektronen ertussen.
2
Helium: de hoogste van allemaal
Twee protonen trekken aan twee elektronen in een volle eerste schil. Daarom reageert helium niet.
3
Lithium: een diepe val
Het derde elektron zit in een nieuwe, verder gelegen schil, afgeschermd door de twee binnenste. Het laat makkelijk los: lithium is een metaal dat graag Li⁺ wordt.
4
Binnen een periode: stijgend
Van lithium naar neon komen er protonen bij, maar geen schillen: de kern trekt steeds harder aan dezelfde schil.
5
Kleine knikken bij B en O
Boor en zuurstof liggen iets lager dan de trend. Het schillenmodel verklaart dat niet: daarvoor heb je de subschillen nodig (Expert).
6
Natrium: opnieuw een val
Na neon begint de derde schil. Het patroon van periode 2 herhaalt zich in periode 3: daarom heet de tabel periodiek.
7
Kalium: de laagste
Het valentie-elektron zit in de vierde schil, het verst van de kern. Kalium reageert nog heftiger met water dan natrium.

Uitleg · 12.16

Metalen, niet-metalen, metalloïden en edelgassen

16/21

Ongeveer vier op de vijf elementen zijn metalen. Ze staan links en in het midden van het periodiek systeem. Rechtsboven staan de niet-metalen, en langs de trap ertussen de metalloïden (halfmetalen), met eigenschappen van beide. De laatste kolom zijn de edelgassen.

	metalen	niet-metalen	metalloïden	edelgassen
waar	links en midden (ongeveer vier op vijf)	rechtsboven, plus waterstof	langs de trap	groep 18
uitzicht	glanzend	dof; gassen of brosse vaste stoffen, broom is vloeibaar	glanzend maar bros	kleurloze gassen
geleiding	goed (stroom en warmte)	slecht (grafiet is een uitzondering)	matig: halfgeleiders	niet
vervormen	pletbaar en buigzaam	bros	bros
valentie-elektronen	meestal 1 tot 3	4 tot 7 (waterstof 1)	3 tot 6	8 (helium 2)
in verbindingen	geven elektronen af: positieve ionen	nemen elektronen op of delen ze	delen elektronen	reageren bijna nooit
voorbeelden	Na, Mg, Al, Fe, Cu, K, Ca	H, C, N, O, P, S, Cl	B, Si, Ge, As	He, Ne, Ar

Het verschil volgt uit de valentie-elektronen. Metaalatomen houden hun paar valentie-elektronen losjes vast (lage ionisatie-energie): in een stuk metaal zwerven ze vrij rond, en dat maakt metalen geleidend en glanzend (hoofdstuk 13). Niet-metalen houden hun elektronen stevig vast. Metalloïden zitten ertussen: silicium geleidt een beetje, en hoe goed hangt af van de temperatuur en van piepkleine hoeveelheden andere atomen. Daarom is het de grondstof van chips en zonnecellen (F8, hoofdstuk 23).

Ook binnen een groep zie je een trend. De alkalimetalen reageren heftiger naarmate je lager gaat: lithium bruist rustig in water, natrium schiet sissend over het water, kalium vat vlam. De halogenen worden net minder reactief naar onder: fluor is het meest reactieve element dat bestaat, jood is een vaste stof die je (opgelost) als ontsmettingsmiddel op een wonde smeert. Chloor zit in kleine hoeveelheden in leidingwater om bacteriën te doden (F9).

De edelgassen zijn nuttig omdat ze niet reageren. Argon (bijna 1 % van de lucht) beschermt het gesmolten metaal bij het lassen en de gloeidraad in een lamp; helium vult ballonnen en koelt de magneten van een MRI-scanner; neon geeft het rode licht van reclameborden.

Natrium op water: een zacht metaal met één valentie-elektron dat het maar al te graag afgeeft.

Uitgewerkt voorbeeld · 12.17

Germanium voorspellen, zoals Mendelejev

17/21

Stel dat germanium nog onbekend is. In het periodiek systeem staat het tussen silicium (erboven) en tin (eronder), en tussen gallium (links) en arseen (rechts). Schat zijn atoommassa en zijn dichtheid uit die vier buren, en vergelijk met de gemeten waarden 72,63 u en 5,32 g/cm³.

Het ontbrekende element in het midden erft iets van elk van zijn buren.

Gegeven

Si: 28,09 u, 2,33 g/cm³; Sn: 118,71 u, 7,27 g/cm³
Ga: 69,72 u, 5,91 g/cm³; As: 74,92 u, 5,73 g/cm³

Gevraagd

geschatte atoommassa en dichtheid van germanium

Oplossing

1
Eigenschappen veranderen geleidelijk langs een groep en langs een periode. Een eerste schatting is het gemiddelde van de buren.
2
Alleen boven en onder: $(28, 09 + 118, 71) /2 = 73, 4 u$ en $(2, 33 + 7, 27) /2 = 4, 80 g/c m^{3}$ .
3
Met alle vier de buren: $(28, 09 + 118, 71 + 69, 72 + 74, 92) /4 = 72, 9 u$ en $(2, 33 + 7, 27 + 5, 91 + 5, 73) /4 = 5, 31 g/c m^{3}$ .
4
Vergelijk: de atoommassa is 72,63 u (0,4 % verschil), de dichtheid 5,32 g/cm³ (0,2 % verschil).

Antwoord

Uit de vier buren schat je 72,9 u en 5,31 g/cm³, heel dicht bij de gemeten 72,63 u en 5,32 g/cm³. Met alleen de verticale buren zit je er bij de dichtheid 10 % naast.

Klopt dit? Mendelejev voorspelde 72 u en 5,5 g/cm³, met de kennis van 1871. Dat het gemiddelde zo goed werkt, is geen wet maar een vuistregel: het werkt goed als de eigenschap geleidelijk verloopt. Voor het smeltpunt werkt het slecht (gallium smelt al bij 30 °C, silicium pas bij 1414 °C).

Code · 12.18

Python: schillen, periode en groep uitrekenen

18/21

De regels van dit hoofdstuk zijn precies genoeg om een computer te laten rekenen: verdeel de elektronen volgens 2, 8, 8, 2, tel de schillen voor de periode, en leid de groep af uit het aantal elektronen in de buitenste schil. De functie schillen(z) vult de schillen een voor een; groep(verdeling) houdt rekening met de uitzonderingen van periode 1.

Pythonschillen.py31 regelsDownload

# schillen.py - schillen, valentie-elektronen, periode en groep voor Z = 1 tot 20SYMBOLEN = ["H", "He", "Li", "Be", "B", "C", "N", "O", "F", "Ne",            "Na", "Mg", "Al", "Si", "P", "S", "Cl", "Ar", "K", "Ca"]  def schillen(z):    """Verdeling over de schillen volgens het schillenmodel (2, 8, 8, 2): geldig tot calcium."""    verdeling = []    for plaatsen in (2, 8, 8, 2):        aantal = min(z, plaatsen)        if aantal > 0:            verdeling.append(aantal)        z = z - aantal    return verdeling  def groep(verdeling):    """Groep 1, 2 of 13 tot 18, uit het aantal elektronen in de buitenste schil."""    buiten = verdeling[-1]    if len(verdeling) == 1:             # periode 1: waterstof in groep 1, helium in groep 18        return 1 if buiten == 1 else 18    if buiten <= 2:        return buiten    return buiten + 10  for z in range(1, 21):    s = schillen(z)    tekst = ", ".join(str(a) for a in s)    print(f"{z:2d} {SYMBOLEN[z - 1]:2s}   schillen {tekst:11s}  valentie {s[-1]}"          f"   periode {len(s)}   groep {groep(s):2d}")

Uitvoer (het programma werd gedraaid bij het bouwen van deze pagina):

 1 H    schillen 1            valentie 1   periode 1   groep  1
 2 He   schillen 2            valentie 2   periode 1   groep 18
 3 Li   schillen 2, 1         valentie 1   periode 2   groep  1
 4 Be   schillen 2, 2         valentie 2   periode 2   groep  2
 5 B    schillen 2, 3         valentie 3   periode 2   groep 13
 6 C    schillen 2, 4         valentie 4   periode 2   groep 14
 7 N    schillen 2, 5         valentie 5   periode 2   groep 15
 8 O    schillen 2, 6         valentie 6   periode 2   groep 16
 9 F    schillen 2, 7         valentie 7   periode 2   groep 17
10 Ne   schillen 2, 8         valentie 8   periode 2   groep 18
11 Na   schillen 2, 8, 1      valentie 1   periode 3   groep  1
12 Mg   schillen 2, 8, 2      valentie 2   periode 3   groep  2
13 Al   schillen 2, 8, 3      valentie 3   periode 3   groep 13
14 Si   schillen 2, 8, 4      valentie 4   periode 3   groep 14
15 P    schillen 2, 8, 5      valentie 5   periode 3   groep 15
16 S    schillen 2, 8, 6      valentie 6   periode 3   groep 16
17 Cl   schillen 2, 8, 7      valentie 7   periode 3   groep 17
18 Ar   schillen 2, 8, 8      valentie 8   periode 3   groep 18
19 K    schillen 2, 8, 8, 1   valentie 1   periode 4   groep  1
20 Ca   schillen 2, 8, 8, 2   valentie 2   periode 4   groep  2

Het programma is zo goed als het model: probeer $z = 26$ (ijzer) en je krijgt 2, 8, 8, 2 met 6 elektronen te weinig, want de lus stopt na vier schillen. Echt ijzer heeft 2, 8, 14, 2. Een model in code heeft hetzelfde geldigheidsgebied als het model op papier (hoofdstuk 4): tot en met calcium. In opdracht 12.11 schrijf je zelf een functie die de gemiddelde atoommassa berekent.

Uitleg · 12.19

Habitat: welke elementen heeft een plant nodig?

19/21

Een plant bestaat voor meer dan 90 % (van de droge massa) uit koolstof, waterstof en zuurstof. Die haalt ze uit de lucht (koolstofdioxide) en uit water. Daarnaast heeft ze nog veertien andere elementen nodig, die ze als ionen opneemt uit het water rond haar wortels. In de hydroponie van de klimaatmodule zit er geen aarde rond de wortels: alles wat de plant nodig heeft, moet in de voedingsoplossing zitten.

Hoofdelementen (tientallen tot honderden mg per liter oplossing): stikstof, fosfor, kalium, calcium, magnesium en zwavel.
Sporenelementen (minder dan enkele mg per liter): ijzer, mangaan, zink, koper, boor, molybdeen, chloor en nikkel.

element	opgenomen als	waarvoor de plant het gebruikt	tekort zie je aan
stikstof N	NO₃⁻, NH₄⁺	eiwitten, bladgroen (chlorofyl), DNA	oude bladeren worden egaal geel
fosfor P	H₂PO₄⁻	DNA, energiedrager ATP, wortelgroei	trage groei, paarsige bladeren
kalium K	K⁺	waterhuishouding, openen en sluiten van de huidmondjes	bruine bladranden bij oude bladeren
calcium Ca	Ca²⁺	stevige celwanden	jonge bladeren met bruine randjes (randjesbrand bij sla)
magnesium Mg	Mg²⁺	het centrale atoom van elke chlorofylmolecule	geel tussen de nerven van oude bladeren
zwavel S	SO₄²⁻	eiwitten (twee aminozuren bevatten zwavel)	jonge bladeren lichtgroen
ijzer Fe	Fe²⁺, ijzerchelaat	aanmaak van chlorofyl, enzymen	jonge bladeren geel met groene nerven
Mn, Zn, Cu, B, Mo, Cl, Ni	als ionen, in sporen	enzymen, celwanden (B), nitraat verwerken (Mo)	vlekken, misvormde jonge bladeren

Voor de klimaatmodule mengen we de zouten zelf. Per liter regenwater: 0,59 g calciumnitraat (Ca(NO₃)₂·4H₂O), 0,30 g kaliumnitraat (KNO₃), 0,25 g magnesiumsulfaat (MgSO₄·7H₂O) en 0,14 g kaliumdiwaterstoffosfaat (KH₂PO₄), samen 1,28 g, plus een kant-en-klaar mengsel met ijzer en de andere sporenelementen. Dat levert de hoeveelheden in de grafiek. Hoe je die milligrammen uit de formules berekent, leer je in hoofdstuk 14; waarom zouten als ionen oplossen, in hoofdstuk 13.

Wat betekent NPK 20-20-20?

Op een fles plantenvoeding staan drie getallen: het massapercentage stikstof, fosfor en kalium. Fosfor en kalium staan er volgens een oude afspraak niet als element op, maar als de oxiden P₂O₅ en K₂O, ook al zitten die oxiden helemaal niet in de fles. In hoofdstuk 14 reken je uit hoeveel fosfor en kalium er echt in zitten.

Zeventien elementen zijn onmisbaar. Op één na (molybdeen) staan ze allemaal in de eerste vier perioden.

Het recept van de klimaatmodule: vooral kalium, stikstof en calcium. Sla heeft er genoeg aan.

Naslag · 12.20

Overzicht: atoombouw en periodiek systeem

20/21

aantal neutronen

N = A - Z

symbool	betekenis	eenheid
$A$	massagetal: protonen + neutronen	–
$Z$	atoomnummer: aantal protonen	–
$N$	aantal neutronen	–

lading van een ion

lading = Z - aantal elektronen

gemiddelde atoommassa

\overset{m}{ˉ} = f_{1} m_{1} + f_{2} m_{2} + \dots

symbool	betekenis	eenheid
$m_{i}$	massa van isotoop i	u
$f_{i}$	aandeel van isotoop i (samen 1)	–

schillen (tot calcium: 2, 8, 8, 2)

hoogstens 2 n^{2} elektronen in schil n

atomaire massa-eenheid

1 u = 1, 6605 \cdot 1 0^{- 27} kg

deeltje	symbool	waar	lading	massa (kg)	massa (u)
proton	p⁺	kern	+1	$1, 673 \cdot 1 0^{- 27}$	1,007
neutron	n	kern	0	$1, 675 \cdot 1 0^{- 27}$	1,009
elektron	e⁻	rond de kern	−1	$9, 109 \cdot 1 0^{- 31}$	0,000 549

in het periodiek systeem	zegt je
atoomnummer (rangnummer)	aantal protonen, en elektronen in het neutrale atoom
periode (rij)	aantal schillen
groep (kolom)	aantal valentie-elektronen: groep 1, 2 → 1, 2; groep 13 tot 18 → 3 tot 8
links van de trap	metaal: geeft elektronen af, positief ion
rechts van de trap	niet-metaal: neemt elektronen op of deelt ze
groep 18	edelgas: volle buitenste schil, reageert bijna niet

Habitat: rekenwaarden uit dit hoofdstuk
voedingsoplossing klimaatmodule (per liter regenwater)	0,59 g Ca(NO₃)₂·4H₂O, 0,30 g KNO₃, 0,25 g MgSO₄·7H₂O, 0,14 g KH₂PO₄ + sporenelementen
hoofdelementen (mg/L)	N 112, P 32, K 156, Ca 100, Mg 25, S 33
voor het reservoir van 60 L	35,4 g calciumnitraat, 18,0 g kaliumnitraat, 15,0 g magnesiumsulfaat, 8,4 g kaliumdiwaterstoffosfaat

Het geheel · 12.21

Waar het atoom terugkomt

21/21

Het atoommodel is de basis van de hele leerlijn materie en chemie. Het deeltjesmodel uit F6 krijgt hier een binnenkant; in de volgende hoofdstukken verklaar je daarmee bindingen, reacties, zuren en batterijen. Maar het atoom duikt ook op in de elektronica (vrije elektronen, halfgeleiders), in de biologie (koolstofdatering, plantvoeding) en in de energie (kernenergie, zonnecellen).

F6 Het deeltjesmodel

De deeltjes van F6 blijken atomen, moleculen en ionen te zijn.

F8 Zuivere stoffen en mengsels

Zuivere stoffen, oplossingen en de geleidingsproef: ionen zijn geladen atomen.

F19 Spanning, stroom en weerstand

Stroom is een stroom van elektronen, de deeltjes uit dit hoofdstuk.

I5 Groei en verval: exponentiële modellen

Radioactief verval en de halveringstijd van koolstof-14.

I13 Chemische bindingen en stofeigenschappen

Valentie-elektronen en de octetregel verklaren ionbinding, atoombinding en metaalbinding.

I14 Reacties en stoichiometrie

Met de atoommassa's reken je molaire massa's en de massa's bij een reactie.

I16 Redox en batterijen

Een batterij verplaatst elektronen van het ene atoom naar het andere.

I23 Halfgeleiders: diode, led en transistor

Silicium, de metalloïde tussen geleider en isolator, in diodes en transistors.

I36 Hydroponie en voedselproductie

De voedingsoplossing samenstellen en bewaken.

E27 Elektrochemie: batterijen, brandstofcellen en elektrolyse

Elektronen overdragen, kwantitatief: celspanning en elektrolyse.

E28 Materiaalkunde

Kristalroosters, dotering van halfgeleiders: het atoom als bouwsteen van materialen.

HabitatVoor Habitat leggen we het recept van de voedingsoplossing van de klimaatmodule vast: per liter regenwater 0,59 g calciumnitraat, 0,30 g kaliumnitraat, 0,25 g magnesiumsulfaat en 0,14 g kaliumdiwaterstoffosfaat, plus sporenelementen. Dat geeft 112 mg stikstof, 32 mg fosfor, 156 mg kalium, 100 mg calcium, 25 mg magnesium en 33 mg zwavel per liter. In opdracht 12.12 zoek je de elementen erin terug; in hoofdstuk 13 meet je de sterkte van de oplossing met de EC, in hoofdstuk 14 reken je de milligrammen zelf na.

Samenvatting

In het kort

Een atoom bestaat uit een piepkleine kern met protonen (+1) en neutronen (0), en elektronen (−1) eromheen. De kern bevat meer dan 99,9 % van de massa.
Het atoomnummer $Z$ (aantal protonen) bepaalt het element. Het massagetal $A$ telt protonen en neutronen: $N = A - Z$ .
Een ion heeft meer of minder elektronen dan protonen: Na⁺ heeft 10 elektronen, Cl⁻ heeft er 18.
Isotopen zijn atomen van hetzelfde element met een ander aantal neutronen. De atoommassa in het periodiek systeem is het gewogen gemiddelde van de isotopen (chloor: 35,45 u).
In het schillenmodel zitten de elektronen in schillen: tot calcium volgens 2, 8, 8, 2. Het model verklaart niet waarom de vierde schil al begint bij kalium, en elektronen draaien niet echt in banen.
Valentie-elektronen (buitenste schil) bepalen hoe een atoom reageert. Atomen streven naar een edelgasconfiguratie: metalen worden positieve ionen, niet-metalen negatieve ionen of ze delen elektronen.
Het periodiek systeem ordent de elementen volgens atoomnummer: periode = aantal schillen, groep = aantal valentie-elektronen. Mendelejev voorspelde er gallium en germanium mee.
Metalen staan links, niet-metalen rechtsboven, metalloïden langs de trap, edelgassen in groep 18.
Een plant heeft naast C, H en O nog zes hoofdelementen (N, P, K, Ca, Mg, S) en acht sporenelementen nodig, die ze als ionen uit de voedingsoplossing haalt.

Begrippen

Wat je nu kent

atoom: Het kleinste deeltje van een element: een kern van protonen en neutronen met elektronen eromheen.
proton: Positief geladen deeltje in de kern; het aantal protonen bepaalt het element.
neutron: Ongeladen deeltje in de kern, met ongeveer dezelfde massa als een proton.
elektron: Negatief geladen deeltje rond de kern, ongeveer 1836 keer lichter dan een proton.
atoomnummer: Het aantal protonen in de kern, symbool $Z$ ; het rangnummer in het periodiek systeem.
massagetal: Het aantal protonen plus neutronen in de kern, symbool $A$ .
isotopen: Atomen van hetzelfde element (evenveel protonen) met een verschillend aantal neutronen.
atomaire massa-eenheid: Eén twaalfde van de massa van een koolstof-12-atoom: $1 u = 1, 6605 \cdot 1 0^{- 27} kg$ .
gemiddelde atoommassa: Het gewogen gemiddelde van de isotoopmassa's van een element, met hun aandeel in de natuur als gewicht.
schillenmodel: Model waarin de elektronen in schillen rond de kern zitten, met hoogstens 2, 8, 18, 32 elektronen per schil.
valentie-elektronen: De elektronen in de buitenste schil; ze bepalen hoe een atoom reageert.
edelgasconfiguratie: Een volle buitenste schil (8 elektronen, bij helium 2), zoals bij de edelgassen: bijzonder stabiel.
ion: Een atoom (of groepje atomen) met meer of minder elektronen dan protonen, en dus een lading.
periode: Een horizontale rij in het periodiek systeem; het nummer is het aantal schillen.
groep: Een kolom in het periodiek systeem; elementen in een groep hebben evenveel valentie-elektronen en lijken op elkaar.
metalloïde: Element met eigenschappen tussen metaal en niet-metaal in, zoals silicium: een halfgeleider.
ionisatie-energie: De energie die nodig is om het zwakst gebonden elektron uit een atoom te halen, in kJ per mol atomen.

Aan de slag in het werkboek15 opdrachten, van oefenen tot uitdagen