Scheikunde van basisschool tot bovenbouw · Grades 1–12
20Het periodiek systeem: een eerste blik
Aan de muur van bijna elk scheikundelokaal hangt dezelfde kaart: 118 vakjes, elk met een symbool en een getal, geordend in rijen en kolommen met een vreemde vorm — hoge torens aan de zijkanten, een dal in het midden, twee losse rijen eronder. Toen de kaart in 1869 voor het eerst getekend werd, had ze ongeveer zestig vakjes en een paar lege. De maker durfde de elementen te beschrijven die later de gaten zouden opvullen — en hij kreeg gelijk.
Wat je al weet
Een chemisch element is de verzameling atomen met hetzelfde atoomnummer , het aantal protonen in de kern (Hoofdstuk 16). Elk element heeft een symbool, één hoofdletter soms gevolgd door een kleine letter (Hoofdstuk 11). Metalen zoals ijzer, zink en aluminium vormen positieve ionen (Hoofdstuk 17).
20.1 Een tabel van de elementen
Definitie 20.1 (Periodiek systeem)
Het periodiek systeem zet alle chemische elementen op volgorde van toenemend atoomnummer, van tot , in rijen zodanig dat elementen met vergelijkbare eigenschappen in dezelfde kolom terechtkomen.
Definitie 20.2 (Periode en groep)
Een rij van het periodiek systeem is een periode; er zijn er zeven. Een kolom is een groep; er zijn er achttien, genummerd van 1 tot 18 van links naar rechts. De twee rijen die onder de tabel gedrukt staan, horen in periode 6 en 7; ze staan alleen apart om de tabel smal te houden.
Methode 20.3 (Het periodiek systeem lezen)
Zo plaats je een element:
- zoek zijn vakje op aan de hand van zijn symbool of zijn atoomnummer;
- zijn rij geeft zijn periode, zijn kolom zijn groep;
- zijn kleur zegt of het een metaal of een niet-metaal is.
Natrium, , : periode 3, groep 1, een metaal. Chloor, , : periode 3, groep 17, een niet-metaal.
20.2 Metalen en niet-metalen
Definitie 20.4 (Metaal en niet-metaal)
Een metaal is een element dat als zuivere stof glanst als je het vers doorsnijdt, elektrische stroom en warmte goed geleidt, gebogen of in vorm gehamerd kan worden, en positieve ionen vormt. Een niet-metaal mist deze eigenschappen: veel niet-metalen zijn gassen (zuurstof, stikstof, chloor), de vaste zijn dof en bros (zwavel, koolstof als steenkool), en ze vormen meestal negatieve ionen of delen elektronen in moleculen.
Propositie 20.5 (Waar ze staan)
Ongeveer vier op de vijf elementen zijn metalen; ze vullen de linkerkant en het midden van de tabel. De niet-metalen staan rechtsboven, met waterstof in zijn eentje linksboven. Langs de grens ertussen hebben een paar elementen — boor, silicium, germanium, arseen, antimoon, telluur — eigenschappen die ertussenin liggen: de metalloïden.
20.3 Kolommen die zich hetzelfde gedragen
Propositie 20.6 (De elementen van een groep gedragen zich hetzelfde)
De elementen van één groep reageren op vergelijkbare manieren en vormen vergelijkbare verbindingen. Lithium, natrium en kalium, bovenaan groep 1, zijn zachte metalen die met water reageren en daarbij waterstof afgeven; de reactie wordt heftiger naarmate je lager in de groep komt. Fluor, chloor, broom en jood, in groep 17, zijn gekleurde niet-metalen die met metalen zouten vormen. Helium, neon, argon en de andere elementen van groep 18 reageren met bijna niets.
In het laboratorium — Lithium, natrium en kalium in water
Achter een veiligheidsscherm laat de docent een stukje lithium zo groot als een rijstkorrel in een grote kom water vallen: het bruist zachtjes. Een even groot stukje natrium schiet over het oppervlak en smelt tot een zilverig bolletje. Kalium vliegt meteen in brand met een lila vlam. Alle drie geven waterstof af en laten een basische oplossing achter.
Veiligheid
Natrium: in contact met water komen ontvlambare gassen vrij die vlam kunnen vatten (GHS02); het veroorzaakt ernstige brandwonden (GHS05). Het wordt onder olie bewaard en alleen door de docent gehanteerd, met een tang, in piepkleine stukjes.
20.4 Het idee van Mendelejev
Geschiedenis — De gaten van Mendelejev, 1869–1886
In 1869 zette Dmitri Mendelejev de toen bekende elementen op volgorde van toenemend atoomgewicht — de massa van hun atomen vergeleken met die van waterstof — en zette hij elementen met vergelijkbare eigenschappen naast elkaar. Waar het patroon dat vroeg, liet hij gaten open voor elementen die nog niemand had gevonden, en in 1871 beschreef hij hun eigenschappen: onder silicium een “eka-silicium” met een atoomgewicht van ongeveer 72. In 1886 ontdekte de scheikundige Clemens Winkler germanium in een zilvererts, mat het atoomgewicht op 72.3 en stelde vast dat het het ontbrekende element was. Gallium (1875) en scandium (1879) vulden ook gaten op die Mendelejev had opengelaten.
Opmerking 20.7 (Volgorde naar atoomnummer)
Mendelejev ordende de elementen naar atoomgewicht, en moest een paar paren omwisselen, zoals telluur en jood, om de families bij elkaar te houden. Tegenwoordig is de tabel geordend naar atoomnummer, dat pas later ontdekt werd, en zijn die omwisselingen niet meer nodig.
20.5 Oefeningen
Oefening 20.1 ★
In welke volgorde staan de elementen in het periodiek systeem?
Oefening 20.2 ★
Geef de periode en de groep van: koolstof (), magnesium (), argon ().
Oefening 20.3 ★
Metaal of niet-metaal: ijzer, zwavel, koper, zuurstof, aluminium, chloor?
Oplossing
Oplossing van Oefening 20.3.
Metalen: ijzer, koper, aluminium. Niet-metalen: zwavel, zuurstof, chloor.
Oefening 20.4 ★
Welk element staat in de tabel direct onder natrium? En direct onder chloor?
Oplossing
Oplossing van Oefening 20.4.
Kalium () onder natrium; broom () onder chloor.
Oefening 20.5 ★★
Geef met de tabel de naam van het element in periode 4 en groep 2, en van het element in periode 2 en groep 15.
Oplossing
Oplossing van Oefening 20.5.
Calcium (, ) en stikstof (, ).
Oefening 20.6 ★★
Waarom kun je verwachten dat kalium, net als natrium, met water reageert?
Oplossing
Oplossing van Oefening 20.6.
Het staat in dezelfde groep als natrium, groep 1, en de elementen van een groep gedragen zich hetzelfde.
Oefening 20.7 ★★
Een glanzend element geleidt elektrische stroom en vormt het ion . Is het een metaal of een niet-metaal? Leg uit.
Oefening 20.8 ★★
Waarom liet Mendelejev gaten open in zijn tabel? Waarom was dat een sterk punt van zijn tabel en geen zwakte?
Oplossing
Oplossing van Oefening 20.8.
Om elementen met vergelijkbare eigenschappen in dezelfde kolom te houden, ook als hij daarvoor een vakje leeg moest laten. De gaten waren voorspellingen: de ontbrekende elementen werden later gevonden, met de eigenschappen die hij had beschreven.
Oefening 20.9 ★★
Kijk naar de tabel van Mendelejev uit 1869. Welke atoomgewichten gaf hij voor koolstof en voor zuurstof? Welke twee gaten, met een vraagteken aangegeven, staan naast aluminium en silicium?
Oplossing
Oplossing van Oefening 20.9.
Koolstof: ; zuurstof: . De gaten “? ” (naast Al ) en “? ” (naast Si ).
Oefening 20.10 ★★
Oefening 20.11 ★★★
Helium, neon en argon reageren met bijna niets. In welke groep staan ze? Waarvoor zou je ze, gezien die eigenschap, kunnen gebruiken?
Oplossing
Oplossing van Oefening 20.11.
Groep 18. Overal waar niets mag reageren: het argon in gloeilampen en lasgas, helium in ballonnen (het brandt niet).
Oefening 20.12 ★★★
Gallium, onder aluminium, werd in 1875 ontdekt. Mendelejev had er een atoomgewicht voor voorspeld dat dicht bij het gemiddelde lag van zijn buren aluminium (27.0) en indium (114.8). Bereken dat gemiddelde. (Gallium: 69.7.)
Oplossing
Oplossing van Oefening 20.12.
, dicht bij 69.7.
20.6 Probleem: Het gat van Mendelejev
Probleem 20.1
Weekendprobleem — het atoomgewicht van een ontbrekend element voorspellen uit zijn vier buren
In 1871 voorspelde Mendelejev de eigenschappen van eka-silicium, het element dat onder silicium ontbrak. Een van zijn ideeën was dat de eigenschappen van een element liggen tussen die van zijn buren erboven en eronder, links en rechts. De huidige atoomgewichten van de vier buren van het gat zijn: silicium 28.1 (erboven), tin 118.7 (eronder), gallium 69.7 (links), arseen 74.9 (rechts).
Deel I — Het gat.
- Zoek met het periodiek systeem van dit hoofdstuk het atoomnummer, de periode en de groep van germanium op, het element dat het gat opvult.
- Welk element staat erboven, welk eronder, welk links, welk rechts?
- Is germanium een metaal, een niet-metaal of een metalloïde?
- Waarom verwachtte Mendelejev dat het ontbrekende element op silicium zou lijken?
Deel II — Gemiddelden.
- Bereken het gemiddelde van de atoomgewichten van de elementen boven en onder het gat.
- Bereken het gemiddelde van de atoomgewichten van de elementen links en rechts.
- Welk van de twee gemiddelden ligt dichter bij het echte atoomgewicht van germanium, 72.6? Waardoor zou dat kunnen komen?
- In zijn tabel van 1869 had Mendelejev voor dit gat “? ” geschreven. Hoeveel zat hij ernaast?
Deel III — De voorspelling.
- Bereken het gemiddelde van alle vier de buren, op één decimaal.
- In 1871 voorspelde Mendelejev 72; in 1886 mat Winkler 72.3. Vergelijk met jouw gemiddelde.
- Waarom overtuigde de ontdekking van germanium veel scheikundigen ervan dat de tabel van Mendelejev klopte?
- Geef je voorspelling: het atoomgewicht van eka-silicium uit het gemiddelde van zijn vier buren.
Oplossing
Oplossing van Probleem 20.1.
2. Erboven: silicium. Eronder: tin. Links: gallium. Rechts: arseen.
3. Een metalloïde.
4. Het staat in dezelfde groep als silicium, en de elementen van een groep gedragen zich hetzelfde.
5. .
6. .
7. Het gemiddelde van links en rechts (72.3): langs een periode neemt het atoomgewicht geleidelijk toe, element na element, terwijl het naar beneden in een groep met grote stappen springt.
8. .
9. , dat is 72.9.
10. Het gemiddelde, 72.9, ligt dicht bij zowel de 72 van Mendelejev als de 72.3 van Winkler (en de huidige 72.6).
11. Een element dat voorspeld was voordat iemand het had gezien, werd gevonden met de voorspelde eigenschappen: de tabel was niet zomaar een lijst, ze kon voorspellingen doen.
12. Ongeveer 72.9.