StemExpert

Intermediate · Werkboek · 12. Atomen en het periodiek systeem
StemExpert · Brecht Corbeel · schoolium.me

IIntermediate · deel I4 · Chemie en materialen

Werkboek · hoofdstuk 12Atomen en het periodiek systeem

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

Je begint met deeltjes tellen, schillen tekenen en elementen terugvinden in het periodiek systeem. In de tweede trede herken je zouten aan hun vlamkleur, lees je een massaspectrum, dateer je met koolstof-14, voorspel je families, verklaar je ionisatie-energieën en programmeer je de gemiddelde atoommassa. In de uitdagingen ontleed je de voedingsoplossing van Habitat (opdracht 12.12), speel je Mendelejev met gallium, bereken je hoe groot een atoom en hoe zwaar kernmaterie is, en debatteer je over de grenzen van het schillenmodel.

5× oefenen6× toepassen4× uitdagen± 337 min0/15 gedaan

MMaterie en chemie

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

Hoe lees je een opdracht?

Drie tredenOefenen Toepassen Uitdagen

Elk hoofdstuk bouwt op: eerst oefenen (één stap, direct toepassen), dan toepassen (meerdere stappen, in een context), dan uitdagen (transfer, open problemen, andere leerlijnen erbij).

De StemExpert-schaal5

Eén moeilijkheidsschaal van 1 tot 9 over de drie niveaus heen: Fundamental loopt van 1 tot 4, Intermediate van 3 tot 7, Expert van 6 tot 9. Zo zie je dat de uitdaging van het ene niveau de oefening van het volgende is.

Oefenen

één stap, direct toepassen

12.1

Deeltjes tellen

Oefenen3Rekenen15 min

gedaan

Gebruik het periodiek systeem voor de atoomnummers.

a
Vul de tabel aan.
deeltje protonen neutronen elektronen
$^{14} N$
$^{27} Al$
$^{39} K^{+}$
$^{16} O^{2 -}$
$^{24} Mg^{2 +}$
$^{37} Cl^{-}$
b
Een deeltje heeft 20 protonen, 20 neutronen en 18 elektronen. Schrijf het in de notatie $_{Z}^{A} X$ met zijn lading.
c
Welke twee deeltjes uit de tabel hebben evenveel elektronen als neon?

12.2

Juist of fout: het atoom

Oefenen3Begrijpen10 min

gedaan

Zeg of de uitspraak juist of fout is. Verbeter elke foute uitspraak.

a
(a) Isotopen van hetzelfde element hebben een verschillend aantal protonen.
b
(b) Het grootste deel van het volume van een atoom is lege ruimte.
c
(c) Als een atoom een elektron opneemt, wordt het een positief ion.
d
(d) Deuterium en gewone waterstof vormen allebei water met dezelfde chemische eigenschappen.
e
(e) Het massagetal van een atoom is gelijk aan zijn atoommassa in u, tot op drie decimalen.

12.3

Schillen en valentie-elektronen

Oefenen3Tekenen15 min

gedaan

Hieronder zie je drie schillenmodellen waarvan het symbool in de kern weggelaten is.

Tel de elektronen per schil.

a
Welk element is A, B en C? Schrijf bij elk de verdeling over de schillen.
b
Teken het schillenmodel van stikstof, magnesium en argon.
c
Teken het Lewissymbool van de zes atomen (A, B, C, N, Mg, Ar).

12.4

Waar staat het in het periodiek systeem?

Oefenen4Begrijpen15 min

gedaan

Van vier atomen ken je alleen de verdeling van de elektronen over de schillen.

a
Vul aan.
verdeling periode groep element metaal, niet-metaal of edelgas? ion
2, 8, 2
2, 7
2, 8, 8
2, 8, 5
b
Welk element in periode 4 heeft dezelfde chemische eigenschappen als het eerste atoom? Leg uit.

12.5

Isotopen van magnesium

Oefenen4Rekenen12 min

gedaan

Natuurlijk magnesium bestaat uit drie isotopen: magnesium-24 (23,985 u; 78,99 %), magnesium-25 (24,986 u; 10,00 %) en magnesium-26 (25,983 u; 11,01 %).

a
Hoeveel neutronen heeft elk isotoop?
b
Bereken de gemiddelde atoommassa van magnesium. Vergelijk met het periodiek systeem.
c
Ligt het gemiddelde dichter bij 24 of bij 26? Leg uit zonder te rekenen.

Toepassen

meerdere stappen, in een context

12.6

Labo: een onbekend zout herkennen

Toepassen5Labo50 min

gedaan

Je leerkracht geeft je drie potjes met een onbekend wit of blauw zout (A, B en C). Het zijn chloriden of sulfaten van natrium, kalium, calcium, lithium of koper. Gebruik de vlamkleurenproef uit het handboek. Werk veilig: veiligheidsbril, kleine hoeveelheden, prikker doven in water.

a
Voer eerst de vijf bekende zouten uit en noteer de vlamkleur als referentie.
zout vlamkleur door kobaltglas
b
Test A, B en C. Welk metaal zit in elk? Hoe zeker ben je?
potje vlamkleur metaal zekerheid
c
Potje B geeft een gele vlam met, door het kobaltglas, ook wat violet. Wat besluit je?
d
Waarom kan je met deze proef niet zeggen of het een chloride of een sulfaat is?

Zo wordt dit beoordeeld

Veiligheid	Bril, haar vast, kleine hoeveelheden, nieuwe prikker per zout, afval correct (kopersulfaat).
Referentie	Vijf vlamkleuren beschreven; kalium ook door kobaltglas.
Besluit	Metaal per potje met een onderbouwde zekerheid; verontreiniging met natrium herkend.
Verklaring	Kleur hoort bij het metaalion (elektronensprongen), niet bij het negatieve ion.

12.7

Een massaspectrum lezen

Toepassen5Analyseren15 min

gedaan

In 1913 ontdekte J.J. Thomson met een van de eerste massaspectrometers dat neon uit twee soorten atomen bestaat. Vandaag meet je drie isotopen. Hun massa's zijn 19,992 u, 20,994 u en 21,991 u.

Het aandeel van de atomen van elk isotoop in natuurlijk neon.

a
Waarom zag Thomson maar twee isotopen?
b
Bereken de gemiddelde atoommassa van neon.
c
Een massaspectrum van een ander element toont twee even hoge pieken bij 79 en 81 u. Wat is de gemiddelde atoommassa ongeveer, en welk element is het?

12.8

Koolstof-14

Toepassen5Rekenen20 min

gedaan

De halveringstijd van koolstof-14 is 5730 jaar. In levend weefsel zijn ongeveer 1,2 op

1 0^{12}

koolstofatomen koolstof-14. Na de dood daalt dat aandeel exponentieel (hoofdstuk 5).

a
Een stuk houtskool uit een grot bevat nog 12,5 % van de oorspronkelijke hoeveelheid koolstof-14. Hoe oud is het?
b
Een botje bevat nog 20 % koolstof-14. Tussen welke twee veelvouden van 5730 jaar ligt de ouderdom? Bereken hem nauwkeurig met $t = T \cdot \frac{lo g ( 1/ f )}{lo g 2}$ .
c
Waarom is koolstofdatering onbruikbaar voor een fossiel van een dinosaurus (66 miljoen jaar of ouder)?
d
Koolstof-12, -13 en -14 vormen allemaal dezelfde koolstofdioxide. Waarom is dat belangrijk voor deze methode?

12.9

Families voorspellen

Toepassen5Analyseren15 min

gedaan

Je kent de elementen van periode 2 en 3. Gebruik het periodiek systeem voor de elementen hieronder.

a
Vul aan.
element groep valentie-e⁻ metaal? ion lijkt op
rubidium (Rb)
strontium (Sr)
seleen (Se)
broom (Br)
xenon (Xe)
b
Voorspel: reageert rubidium heftiger of minder heftig met water dan kalium? Leg uit met de schillen.
c
Strontium-90 komt vrij bij kernongevallen en hoopt zich op in beenderen. Welk element uit dit hoofdstuk verklaart waarom?

12.10

Ionisatie-energieën verklaren

Toepassen5Analyseren20 min

gedaan

Eerste ionisatie-energie (kJ/mol) van de alkalimetalen: lithium 520, natrium 496, kalium 419, rubidium 403, cesium 376. Tweede ionisatie-energie (het volgende elektron): natrium 4562, magnesium 1451. Derde ionisatie-energie van magnesium: 7733.

a
Beschrijf en verklaar de trend in de eerste ionisatie-energie van de alkalimetalen.
b
Waarom is de tweede ionisatie-energie van natrium bijna tien keer zo groot als de eerste (496)?
c
Magnesium: 738, 1451, 7733. Wat zegt die reeks over het ion dat magnesium vormt?

12.11

Python: de gemiddelde atoommassa

Toepassen5Programmeren25 min

gedaan

Schrijf een functie gemiddelde_massa(isotopen) die een lijst van paren (massa in u, aandeel in procent) krijgt en de gemiddelde atoommassa teruggeeft. De aandelen tellen niet altijd precies op tot 100 (afronding): deel daarom door hun som.

a
Schrijf de functie.
b
Test ze met chloor [(34.969, 75.76), (36.966, 24.24)] en boor [(10.013, 19.9), (11.009, 80.1)]. Wat geeft ze?
c
Schrijf een tweede functie aandeel_licht(m1, m2, gemiddelde) die bij twee isotopen het aandeel van de lichtste berekent (zoals bij koper in het handboek). Test met koper.

Uitdagen

transfer, open problemen, leerlijnen combineren

12.12

Habitat: de elementen van de voedingsoplossing

Uitdagen6Habitat45 min

gedaan

Voor de hydroponie van de klimaatmodule los je per liter regenwater deze zouten op: 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). Daarbij komt een sporenmengsel met ijzerchelaat, mangaansulfaat (MnSO₄), zinksulfaat (ZnSO₄), kopersulfaat (CuSO₄), boorzuur (H₃BO₃) en natriummolybdaat (Na₂MoO₄).

a
Maak een lijst van alle elementen in de oplossing. Duid aan: hoofdelement, sporenelement of geen voedingselement.
b
Welke onmisbare elementen komen niet uit de oplossing? Waar haalt de plant ze vandaan?
c
Welke twee van de zeventien onmisbare elementen ontbreken in de lijst? Is dat een probleem? Denk aan wat er in regenwater of kraanwater zit.
d
In welke ionen valt elk van de vier hoofdzouten uiteen in water? Gebruik de tabel in het handboek.
e
De bladeren van de jongste slaplanten krijgen bruine randjes. Welk element vermoed je? Welk van de vier zouten zou je nakijken?

Zo wordt dit beoordeeld

Elementen	Alle elementen gevonden en correct ingedeeld (ook Na en de O en H uit water en zouten).
Herkomst	C uit CO₂ in de lucht, H en O uit water; zuurstof ook voor de wortels (beluchten).
Ionen	Correcte ionen met lading voor de vier hoofdzouten.
Toepassing	Randjesbrand gekoppeld aan calcium, met een concrete controle.

12.13

Mendelejev voor één dag: gallium

Uitdagen6Analyseren25 min

gedaan

In 1871 zat er een gat onder aluminium. De buren: aluminium erboven (26,98 u; 2,70 g/cm³), indium eronder (114,82 u; 7,31 g/cm³), zink links (65,38 u; 7,14 g/cm³) en germanium rechts (72,63 u; 5,32 g/cm³). (Germanium was toen nog niet bekend, maar we gebruiken het hier toch.)

a
Schat de atoommassa en de dichtheid van eka-aluminium met het gemiddelde van de vier buren.
b
Gallium heeft een atoommassa van 69,72 u en een dichtheid van 5,91 g/cm³. Hoeveel procent wijken je schattingen af?
c
Voorspel de formule van het oxide en het chloride van eka-aluminium, uitgaande van aluminiumoxide Al₂O₃ en aluminiumchloride AlCl₃.
d
Lecoq de Boisbaudran mat eerst 4,7 g/cm³. Mendelejev schreef dat het ongeveer 5,9 moest zijn. Was het van Mendelejev verstandig om zo zeker te zijn? Wat zegt dit over de rol van een theorie tegenover een meting?

12.14

Hoe groot is een atoom, hoe zwaar is een kern?

Uitdagen7Rekenen30 min

gedaan

IJzer heeft een dichtheid van 7874 kg/m³ en een atoommassa van 55,845 u (

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

). Een atoomkern met massagetal

A

is ongeveer een bol met straal

R = 1, 2 \cdot 1 0^{- 15} m \cdot A^{1/3}

a
Bereken de massa van één ijzeratoom in kg.
b
Hoeveel volume neemt één ijzeratoom in het metaal in? Stel dat elk atoom een kubusje inneemt: hoe lang is de ribbe, in nm?
c
Bereken de straal en het volume van de kern van ijzer-56, en de dichtheid van de kern.
d
Hoeveel zou een theelepel (5 mL) vol kernmaterie wegen? Waar in het heelal bestaat zulke materie echt?

Hint

Volume van een bol:

V = \frac{4}{3} π R^{3}

. Neem voor de massa van de kern de massa van het atoom: de elektronen wegen bijna niets.

12.15

Debat: is het schillenmodel waar?

Uitdagen6Argumenteren25 min

gedaan

Stelling: 'Het schillenmodel is fout, dus we zouden het niet meer mogen leren.' Bereid met je groep argumenten voor en tegen voor, met voorbeelden uit dit hoofdstuk.

a
Geef drie waarnemingen die het schillenmodel goed verklaart.
b
Geef twee dingen die het schillenmodel niet of fout verklaart.
c
Welke andere modellen ken je die 'fout' zijn en toch gebruikt worden? Formuleer je standpunt in twee zinnen.

ZelfevaluatieKleur per doel: lukt al / bijna / nog niet

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

deeltje	protonen	neutronen	elektronen
$^{14} N$
$^{27} Al$
$^{39} K^{+}$
$^{16} O^{2 -}$
$^{24} Mg^{2 +}$
$^{37} Cl^{-}$

verdeling	periode	groep	element	metaal, niet-metaal of edelgas?	ion
2, 8, 2
2, 7
2, 8, 8
2, 8, 5

zout	vlamkleur	door kobaltglas

potje	vlamkleur	metaal	zekerheid

element	groep	valentie-e⁻	metaal?	ion	lijkt op
rubidium (Rb)
strontium (Sr)
seleen (Se)
broom (Br)
xenon (Xe)