Chemistry · Boek 1 · Grades 1–12

Scheikunde van basisschool tot bovenbouw

Scheikunde van basisschool tot bovenbouw · Grades 1–12

16In het atoom

In 1909 werd in een laboratorium in Manchester een bundel piepkleine, snelle deeltjes afgevuurd op een vel bladgoud van een paar honderd atomen dik. Bijna alle deeltjes gingen er recht doorheen, alsof het goud leeg was. Maar ongeveer één op enkele duizenden kaatste terug. “Het was alsof je een granaat van vijftien inch afvuurde op een vel vloeipapier en die terugkwam en jou raakte,” zei Ernest Rutherford, wiens studenten het experiment hadden uitgevoerd. Het atoom, het ondeelbare stukje materie, had een opbouw — en het was bijna helemaal leeg.

Wat je al weet

Alle materie bestaat uit atomen, waarvan er ongeveer honderd soorten zijn, elk met een symbool zoals H\ce{H}, C\ce{C}, O\ce{O}, Fe\ce{Fe}. Atomen verbinden zich tot moleculen, die je beschrijft met formules zoals HX2O\ce{H2O} (Hoofdstuk 11).

16.1 Kern en elektronen

Definitie 16.1 (Atoomkern en elektron)

Elk atoom heeft een piepklein, zwaar binnenste, de atoomkern, die een positieve elektrische lading draagt. Daaromheen bewegen veel lichtere deeltjes, de elektronen, die elk dezelfde negatieve lading dragen, −e-e.

Propositie 16.2 (Een atoom is neutraal)

Een atoom als geheel draagt geen elektrische lading: de positieve lading van zijn kern wordt precies opgeheven door de negatieve ladingen van zijn elektronen. De lading ee is piepklein: e=1.60×10−19 Ce = 1.60 \times 10^{-19}\,\mathrm{C} (de coulomb, de eenheid van lading, hoort bij het natuurkundeboek).

Een atoom, niet op schaal. Als je de kern zo groot tekende als het rode puntje, zou de elektronenwolk een paar honderd meter breed zijn.
Een atoom, niet op schaal. Als je de kern zo groot tekende als het rode puntje, zou de elektronenwolk een paar honderd meter breed zijn.

16.2 Protonen en neutronen

Definitie 16.3 (Proton, neutron, nucleon)

De kern bestaat uit twee soorten deeltjes: protonen, die elk de lading +e+e dragen, en neutronen, die geen lading dragen. Protonen en neutronen, die bijna dezelfde massa hebben, heten samen nucleonen.

Definitie 16.4 (Atoomnummer en massagetal)

Het aantal protonen in een kern is het atoomnummer, geschreven als ZZ. Het aantal nucleonen (protonen en neutronen samen) is het massagetal, geschreven als AA. Het aantal neutronen is N=A−ZN = A - Z.

Notatie 16.5 (Het nuclidesymbool)

Een atoom met een bepaalde kern schrijf je met zijn symbool, het massagetal linksboven en het atoomnummer linksonder: XZAX2Z2AX\ce{^{A}_{Z}X}. Zo heeft X612X26212C\ce{^{12}_{6}C} 6 protonen en 12−6=612 - 6 = 6 neutronen; X2656X226256Fe\ce{^{56}_{26}Fe} heeft 26 protonen en 30 neutronen.

Methode 16.6 (Een nuclidesymbool lezen)

Voor XZAX2Z2AX\ce{^{A}_{Z}X}:

  1. protonen: ZZ;
  2. neutronen: A−ZA - Z;
  3. elektronen van het neutrale atoom: ZZ, evenveel als protonen.

Voor X1123X211223Na\ce{^{23}_{11}Na}: 11 protonen, 12 neutronen, 11 elektronen.

Een nuclidesymbool lezen: dit chlooratoom heeft 17 protonen, 35 - 17 = 18 neutronen, en als het neutraal is 17 elektronen.
Een nuclidesymbool lezen: dit chlooratoom heeft 17 protonen, 35−17=1835 - 17 = 18 neutronen, en als het neutraal is 17 elektronen.

16.3 Het chemisch element en zijn isotopen

Definitie 16.7 (Chemisch element)

Een chemisch element is de verzameling van alle atomen, en van alle geladen atomen die daaruit gemaakt zijn, die hetzelfde atoomnummer ZZ hebben. Elk element heeft een naam en een symbool: elk atoom met 6 protonen is een koolstofatoom, C\ce{C}; elk atoom met 8 protonen is een zuurstofatoom, O\ce{O}.

Definitie 16.8 (Isotopen)

Atomen van hetzelfde element die een verschillend aantal neutronen hebben, en dus een verschillend massagetal, zijn isotopen van dat element. Ze hebben dezelfde ZZ en een verschillende AA.

Voorbeeld 16.9 (Isotopen van koolstof en van waterstof)

Natuurlijke koolstof bestaat voor ongeveer 98.9 %98.9\,\% uit koolstof-12, X612X26212C\ce{^{12}_{6}C}, en voor 1.1 %1.1\,\% uit koolstof-13, X613X26213C\ce{^{13}_{6}C}, met een spoor koolstof-14, X614X26214C\ce{^{14}_{6}C}, waarvan de langzame omzetting in een andere kern gebruikt wordt om oud hout en botten te dateren (radioactiviteit hoort bij het natuurkundeboek). Waterstof heeft drie isotopen: X11X2121H\ce{^{1}_{1}H}, helemaal zonder neutron, verreweg het meest voorkomend; deuterium X12X2122H\ce{^{2}_{1}H}, een paar atomen op elke honderdduizend; en tritium X13X2123H\ce{^{3}_{1}H}.

Propositie 16.10 (Isotopen gedragen zich chemisch hetzelfde)

De chemie van een atoom hangt af van zijn elektronen, en de isotopen van een element hebben evenveel elektronen. Isotopen reageren daarom op dezelfde manier: water dat met deuterium gemaakt is, ziet er bijna precies zo uit en gedraagt zich bijna precies zo als gewoon water.

De kernen van de drie isotopen van waterstof: elk één proton, en 0, 1 of 2 neutronen.
De kernen van de drie isotopen van waterstof: elk één proton, en 0, 1 of 2 neutronen.

16.4 Afmetingen en massa’s

Propositie 16.11 (De kern is piepklein en bevat bijna alle massa)

Een atoom is ongeveer 10−10 m10^{-10}\,\mathrm{m} breed; zijn kern ongeveer 10−15 m10^{-15}\,\mathrm{m} tot 10−14 m10^{-14}\,\mathrm{m}: zo’n tienduizend tot honderdduizend keer kleiner. De massa’s van de deeltjes zijn

mp=1.673×10−27 kg,mn=1.675×10−27 kg,me=9.11×10−31 kg.m_p = 1.673 \times 10^{-27}\,\mathrm{kg},\qquad m_n = 1.675 \times 10^{-27}\,\mathrm{kg},\qquad m_e = 9.11 \times 10^{-31}\,\mathrm{kg}.

Een proton is ongeveer 1836 keer zwaarder dan een elektron, dus meer dan 99.9 %99.9\,\% van de massa van een atoom zit in zijn kern.

Voorbeeld 16.12 (Een knikker in een stadion)

Als de kern van een atoom een knikker van 1 cm1\,\mathrm{cm} was, zou het atoom ongeveer 1 cm×100 000=1 km1\,\mathrm{cm} \times 100\,000 = 1\,\mathrm{km} breed zijn: een knikker midden in een reusachtig stadion, met een paar stofjes — de elektronen — die rond de tribunes wervelen. Materie is grotendeels lege ruimte.

Methode 16.13 (De massa van een atoom)

Omdat protonen en neutronen bijna dezelfde massa hebben en elektronen heel licht zijn, ligt de massa van een atoom dicht bij A×1.67×10−27 kgA \times 1.67 \times 10^{-27}\,\mathrm{kg}, waarbij AA het massagetal is. Een koolstof-12-atoom: 12×1.67×10−27=2.00×10−26 kg12 \times 1.67 \times 10^{-27} = 2.00 \times 10^{-26}\,\mathrm{kg}.

16.5 Een korte geschiedenis van het atoommodel

Geschiedenis — Van het ondeelbare tot de kern, 1897–1932

In 1897 ontdekte J. J. Thomson het elektron, een deeltje dat veel lichter is dan welk atoom ook: atomen waren dus toch deelbaar. Hij stelde zich het atoom voor als een bol positieve materie met elektronen erin, als krenten in een bol. In 1909–1911 liet het goudfolie-experiment van het team van Rutherford zien dat de positieve lading en bijna alle massa in een piepkleine kern zitten. In 1913 stelde Niels Bohr voor dat de elektronen vaste energieniveaus rond die kern bezetten, en in 1932 vond James Chadwick het neutron.

Ernest Rutherford (1871–1937).
Het goudfolie-experiment: de meeste deeltjes gaan recht door; een paar worden afgebogen; heel enkele kaatsen terug op een kern.

16.6 Oefeningen

Oefening 16.1 ★

Noem de deeltjes van de kern en de deeltjes eromheen, met het teken van hun lading.

Oplossing

Oplossing van Oefening 16.1.

In de kern: protonen (positief) en neutronen (geen lading). Eromheen: elektronen (negatief).

Oefening 16.2 ★

Geef het aantal protonen, neutronen en elektronen van X816X28216O\ce{^{16}_{8}O}, X1327X213227Al\ce{^{27}_{13}Al} en X2040X220240Ca\ce{^{40}_{20}Ca}.

Oplossing

Oplossing van Oefening 16.2.

X816X28216O\ce{^{16}_{8}O}: 8 protonen, 8 neutronen, 8 elektronen. X1327X213227Al\ce{^{27}_{13}Al}: 13, 14, 13. X2040X220240Ca\ce{^{40}_{20}Ca}: 20, 20, 20.

Oefening 16.3 ★

Waarom is een atoom elektrisch neutraal?

Oplossing

Oplossing van Oefening 16.3.

Het heeft evenveel elektronen (elk met lading −e-e) als protonen (elk met lading +e+e): de ladingen heffen elkaar op.

Oefening 16.4 ★

Een atoom heeft 26 protonen en 30 neutronen. Schrijf zijn nuclidesymbool op (het element is ijzer, Fe\ce{Fe}).

Oplossing

Oplossing van Oefening 16.4.

A=26+30=56A = 26 + 30 = 56: X2656X226256Fe\ce{^{56}_{26}Fe}.

Oefening 16.5 ★★

Zijn X1735X217235Cl\ce{^{35}_{17}Cl} en X1737X217237Cl\ce{^{37}_{17}Cl} hetzelfde element? Zijn het isotopen? Leg uit.

Oplossing

Oplossing van Oefening 16.5.

Ja: beide hebben Z=17Z = 17, dus beide zijn chloor. Ze hebben een verschillend massagetal (18 en 20 neutronen): het zijn isotopen.

Oefening 16.6 ★★

Zijn X614X26214C\ce{^{14}_{6}C} en X714X27214N\ce{^{14}_{7}N} isotopen? Leg uit.

Oplossing

Oplossing van Oefening 16.6.

Nee: ze hebben een verschillend atoomnummer (6 en 7), dus het zijn verschillende elementen, koolstof en stikstof. Isotopen hebben dezelfde ZZ.

Oefening 16.7 ★★

Bereken, in wetenschappelijke notatie, de massa bij benadering van een atoom X2656X226256Fe\ce{^{56}_{26}Fe}.

Oplossing

Oplossing van Oefening 16.7.

56×1.67×10−27≈9.35×10−26 kg56 \times 1.67 \times 10^{-27} \approx 9.35 \times 10^{-26}\,\mathrm{kg}.

Oefening 16.8 ★★

Waarom gaan bij het goudfolie-experiment de meeste deeltjes recht door het goud heen?

Oplossing

Oplossing van Oefening 16.8.

Een atoom is grotendeels lege ruimte: de kern is piepklein, dus de meeste deeltjes komen onderweg geen kern tegen en gaan recht door.

Oefening 16.9 ★★

Hoeveel keer kleiner dan een atoom (10−10 m10^{-10}\,\mathrm{m}) is een kern van 10−15 m10^{-15}\,\mathrm{m}? Schrijf het antwoord als een macht van tien.

Oplossing

Oplossing van Oefening 16.9.

10−10/10−15=10510^{-10} / 10^{-15} = 10^{5}: honderdduizend keer kleiner.

Oefening 16.10 ★★

Waarom hebben de isotopen van een element dezelfde chemie?

Oplossing

Oplossing van Oefening 16.10.

De chemie hangt af van de elektronen, en de isotopen van een element hebben evenveel elektronen (dezelfde ZZ).

Oefening 16.11 ★★★

Een ijzeratoom heeft 26 elektronen. Bereken hun totale massa, en daarna welk deel van de massa van een atoom X2656X226256Fe\ce{^{56}_{26}Fe} ze uitmaken (gebruik de massa uit oefening 7).

Oplossing

Oplossing van Oefening 16.11.

26×9.11×10−31=2.37×10−29 kg26 \times 9.11 \times 10^{-31} = 2.37 \times 10^{-29}\,\mathrm{kg}. Deel: 2.37×10−29/9.35×10−26≈2.5×10−42.37 \times 10^{-29} / 9.35 \times 10^{-26} \approx 2.5 \times 10^{-4}, ongeveer 0.025 %0.025\,\% van de massa.

Oefening 16.12 ★★★

Natuurlijk koper bestaat voor 69.15 %69.15\,\% uit koper-63 en voor 30.85 %30.85\,\% uit koper-65. Hoeveel atomen van elke isotoop zijn er op 10 000 koperatomen? Wat is het gemiddelde aantal nucleonen per koperatoom?

Oplossing

Oplossing van Oefening 16.12.

6915 atomen koper-63 en 3085 atomen koper-65. Gemiddelde: (6915×63+3085×65)/10 000=63.6(6915 \times 63 + 3085 \times 65)/10\,000 = 63.6 nucleonen.

16.7 Probleem: Chloor wegen

Probleem 16.1

Weekendprobleem — twee isotopen van chloor, de massa van elk atoom, en de gemiddelde massa van een chlooratoom

Natuurlijk chloor is een mengsel van twee isotopen, chloor-35 en chloor-37: van elke 1000 chlooratomen zijn er ongeveer 758 chloor-35 en 242 chloor-37. Neem voor de massa van een nucleon 1.67×10−27 kg1.67 \times 10^{-27}\,\mathrm{kg} en voor de massa van een elektron 9.11×10−31 kg9.11 \times 10^{-31}\,\mathrm{kg}. Het atoomnummer van chloor is 17.

Deel I — Twee kernen.

  1. Schrijf de nuclidesymbolen van de twee isotopen op.
  2. Geef van elk het aantal protonen, neutronen en elektronen.
  3. Waarom heten ze allebei chloor? Waarom zijn het isotopen?
  4. Reageert een monster chloor-37 op dezelfde manier met natrium als een monster chloor-35? Leg uit.

Deel II — De massa van elk atoom.

  1. Bereken de massa van de kern van een chloor-35-atoom.
  2. Bereken de massa van de 17 elektronen, en controleer dat je die naast de kern mag verwaarlozen.
  3. Bereken de massa van een chloor-37-atoom.
  4. Hoeveel chloor-35-atomen zouden samen 1 g1\,\mathrm{g} wegen? Geef het antwoord in wetenschappelijke notatie.

Deel III — Het gemiddelde atoom.

  1. Welk percentage van de chlooratomen is chloor-35? En chloor-37?
  2. Bereken voor 1000 atomen natuurlijk chloor de totale massa van de chloor-35-atomen en van de chloor-37-atomen.
  3. Bereken de massa van deze 1000 atomen.
  4. Leid daaruit de gemiddelde massa van een chlooratoom af.
Oplossing

Oplossing van Probleem 16.1.

1. X1735X217235Cl\ce{^{35}_{17}Cl} en X1737X217237Cl\ce{^{37}_{17}Cl}.

2. Chloor-35: 17 protonen, 18 neutronen, 17 elektronen. Chloor-37: 17 protonen, 20 neutronen, 17 elektronen.

3. Beide hebben 17 protonen, dus beide zijn het element chloor; ze verschillen alleen in hun aantal neutronen, dus het zijn isotopen.

4. Ja: de chemie hangt af van de elektronen, en beide hebben er 17.

5. 35×1.67×10−27=5.845×10−26 kg35 \times 1.67 \times 10^{-27} = 5.845 \times 10^{-26}\,\mathrm{kg}.

6. 17×9.11×10−31=1.55×10−29 kg17 \times 9.11 \times 10^{-31} = 1.55 \times 10^{-29}\,\mathrm{kg}: ongeveer 4000 keer minder dan de kern, verwaarloosbaar.

7. 37×1.67×10−27=6.179×10−26 kg37 \times 1.67 \times 10^{-27} = 6.179 \times 10^{-26}\,\mathrm{kg}.

8. 1 g=10−3 kg1\,\mathrm{g} = 10^{-3}\,\mathrm{kg}; 10−3/5.845×10−26≈1.71×102210^{-3} / 5.845 \times 10^{-26} \approx 1.71 \times 10^{22} atomen.

9. 75.8 %75.8\,\% en 24.2 %24.2\,\%.

10. 758×5.845×10−26=4.430×10−23 kg758 \times 5.845 \times 10^{-26} = 4.430 \times 10^{-23}\,\mathrm{kg}; 242×6.179×10−26=1.495×10−23 kg242 \times 6.179 \times 10^{-26} = 1.495 \times 10^{-23}\,\mathrm{kg}.

11. 4.430×10−23+1.495×10−23=5.925×10−23 kg4.430 \times 10^{-23} + 1.495 \times 10^{-23} = 5.925 \times 10^{-23}\,\mathrm{kg}.

12. 5.925×10−23/1000≈5.93×10−26 kg5.925 \times 10^{-23} / 1000 \approx 5.93 \times 10^{-26}\,\mathrm{kg}: de gemiddelde massa van een chlooratoom.

Begrippen gedefinieerd in dit hoofdstuk

Bekijk alle 852 begrippen in de begrippenlijst