Chemistry · Boek 1 · Grades 1–12

Scheikunde van basisschool tot bovenbouw

Scheikunde van basisschool tot bovenbouw · Grades 1–12

21Elementen in het heelal en op aarde

Het calcium in je botten, het ijzer in je bloed en de zuurstof die je inademt, zijn niet op aarde gemaakt. Ze zijn gemaakt in sterren die leefden en stierven voordat de zon geboren werd, en al miljarden jaren gaan ze over van gesteente naar zee, van zee naar plant, van plant naar dier. Sommige elementen zijn overal, andere zeldzaam. Uit welke elementen bestaan de sterren, de aarde, de oceanen — en wijzelf?

Wat je al weet

Een chemisch element is de verzameling atomen met hetzelfde atoomnummer ZZ; de massa van een atoom ligt dicht bij A×1.67×10−27 kgA \times 1.67 \times 10^{-27}\,\mathrm{kg}, waarbij AA het massagetal is (Hoofdstuk 16). Het periodiek systeem zet de 118 elementen op volgorde van atoomnummer (Hoofdstuk 20). Lucht bestaat voor ongeveer vier vijfde uit stikstof en voor een vijfde uit zuurstof (Hoofdstuk 4).

21.1 De elementen van de sterren

Definitie 21.1 (Abundantie)

De abundantie van een element in een hoeveelheid materie — een ster, de aardkorst, de oceaan, een levend wezen — is zijn aandeel in de totale massa, meestal gegeven in procent.

Propositie 21.2 (De zon is waterstof en helium)

Het oppervlak van de zon bestaat in massa voor ongeveer 74 %74\,\% uit waterstof en voor 25 %25\,\% uit helium; alle andere elementen samen maken maar ongeveer 1.3 %1.3\,\% uit. Het grootste deel van de zichtbare materie in het heelal heeft een vergelijkbare samenstelling: waterstof en helium, met een snufje van al het andere.

Propositie 21.3 (Elementen gemaakt in sterren)

Waterstof en het meeste helium zijn in de eerste minuten van het heelal ontstaan. Bijna alle zwaardere elementen — koolstof, zuurstof, ijzer, goud — zijn later gemaakt, binnen in sterren, en in de ruimte verspreid toen sterren ontploften. Uit dat verrijkte stof ontstonden nieuwe sterren en planeten. Hoe de sterren dat doen, staat in het natuurkundeboek.

De Krabnevel, de wolk die een ster achterliet die bijna duizend jaar geleden ontplofte, en die nieuwe elementen in de ruimte verspreidt (NASA, ESA, J. Hester en A. Loll).
De Krabnevel, de wolk die een ster achterliet die bijna duizend jaar geleden ontplofte, en die nieuwe elementen in de ruimte verspreidt (NASA, ESA, J. Hester en A. Loll).

21.2 De aarde

Propositie 21.4 (De aardkorst)

De dunne stenen huid van de aarde, de aardkorst, bestaat in massa voor bijna de helft uit zuurstof en voor meer dan een kwart uit silicium: gesteenten en zand zijn vooral oxiden van silicium en van een paar metalen. Acht elementen — zuurstof, silicium, aluminium, ijzer, calcium, natrium, kalium, magnesium — vormen er samen ongeveer 99 %99\,\% van. Waterstof en helium, zo gewoon in de sterren, zijn er zeldzaam: de lichte gassen zijn uit de jonge aarde ontsnapt.

Opmerking 21.5 (Binnen in de aarde)

De aardkorst is niet de hele aarde. IJzer, dat zwaar is, zakte naar het midden toen de jonge aarde gesmolten was: de kern van de aarde bestaat vooral uit ijzer, met wat nikkel.

Propositie 21.6 (De oceanen en de lucht)

Zeewater is vooral water — waterstof en zuurstof — met ongeveer 3.5 %3.5\,\% opgeloste zouten in massa. Van de opgeloste ionen zijn chloride en natrium samen ongeveer 85 %85\,\%, magnesium en sulfaat nog eens 10 %10\,\%. De lucht is vooral stikstof en zuurstof.

Abundanties in massa. Links: de acht belangrijkste elementen van de aardkorst. Rechts: de zes belangrijkste elementen van een slank volwassen menselijk lichaam (berekend uit geschatte aantallen atomen). Abundanties in massa. Links: de acht belangrijkste elementen van de aardkorst. Rechts: de zes belangrijkste elementen van een slank volwassen menselijk lichaam (berekend uit geschatte aantallen atomen).
Abundanties in massa. Links: de acht belangrijkste elementen van de aardkorst. Rechts: de zes belangrijkste elementen van een slank volwassen menselijk lichaam (berekend uit geschatte aantallen atomen).

21.3 Het menselijk lichaam

Propositie 21.7 (Waar we van gemaakt zijn)

In massa bestaat een slank volwassen lichaam voor ongeveer 61 %61\,\% uit zuurstof, 23 %23\,\% uit koolstof en 10 %10\,\% uit waterstof — vooral in water en in de moleculen van het leven — gevolgd door stikstof, calcium (in botten en tanden) en fosfor. Tel je in atomen in plaats van in massa, dan verandert de volgorde: er zitten meer waterstofatomen in een lichaam dan alle andere atomen samen, omdat waterstofatomen zo licht zijn. Een lichaam van 70 kg70\,\mathrm{kg} bevat ongeveer 7×10277 \times 10^{27} atomen.

Methode 21.8 (Een abundantiediagram lezen)

  1. Kijk wat er gemeten is: massa (de meeste diagrammen) of aantal atomen.
  2. Lees het aandeel van elk element af; tel die van de belangrijkste op om te zien hoeveel ze samen beslaan.
  3. Om twee lichamen te vergelijken, zoek je de elementen die in beide voorkomen en die welke in maar één voorkomen.

Zuurstof staat in beide diagrammen van dit hoofdstuk bovenaan: het is het meest voorkomende element van de aardkorst en van het menselijk lichaam, in massa.

21.4 Dezelfde atomen, steeds opnieuw gebruikt

Voorbeeld 21.9 (De reis van een koolstofatoom)

Een koolstofatoom dat lang geleden in een ster is gemaakt, kan miljoenen jaren in kalksteen zitten, door een vulkaan als koolstofdioxide vrijkomen, door een blad worden opgenomen, deel worden van een suiker in een vrucht, terechtkomen in een dier dat de vrucht opeet, en weer als koolstofdioxide worden uitgeademd. Atomen worden door chemische veranderingen niet vernietigd: ze worden doorgegeven.

Een koolstofatoom gaat van gesteente naar lucht naar blad naar dier en weer terug naar de lucht: het atoom zelf wordt nooit vernietigd.
Een koolstofatoom gaat van gesteente naar lucht naar blad naar dier en weer terug naar de lucht: het atoom zelf wordt nooit vernietigd.
Gesteente, zee en lucht: drie heel verschillende mengsels van dezelfde elementen.
Gesteente, zee en lucht: drie heel verschillende mengsels van dezelfde elementen.

21.5 Oefeningen

Oefening 21.1 ★

Uit welke twee elementen bestaat de zon bijna helemaal?

Oplossing

Oplossing van Oefening 21.1.

Waterstof (ongeveer 74 %74\,\%) en helium (ongeveer 25 %25\,\%).

Oefening 21.2 ★

Welk element komt het meest voor in de aardkorst? En in het menselijk lichaam (in massa)?

Oplossing

Oplossing van Oefening 21.2.

In beide zuurstof.

Oefening 21.3 ★

Waar zijn de meeste elementen gemaakt die zwaarder zijn dan helium?

Oplossing

Oplossing van Oefening 21.3.

Binnen in sterren, en bij hun ontploffingen.

Oefening 21.4 ★

Welk percentage van de massa van zeewater is opgelost zout?

Oplossing

Oplossing van Oefening 21.4.

Ongeveer 3.5 %3.5\,\%.

Oefening 21.5 ★★

Tel met het diagram van de aardkorst de aandelen van zuurstof en silicium op. Welk deel van de aardkorst is dat ongeveer?

Oplossing

Oplossing van Oefening 21.5.

46.6+27.7=74.3 %46.6 + 27.7 = 74.3\,\%: ongeveer drie kwart.

Oefening 21.6 ★★

Waarom zit er zo weinig waterstof en helium in de aardkorst, terwijl de zon er bijna helemaal uit bestaat?

Oplossing

Oplossing van Oefening 21.6.

Het zijn heel lichte gassen: ze zijn uit de jonge aarde de ruimte in ontsnapt (en helium vormt geen verbindingen die het in de gesteenten hadden kunnen vasthouden).

Oefening 21.7 ★★

Hoeveel koolstof zit er in een lichaam van 70 kg70\,\mathrm{kg} dat voor 23 %23\,\% uit koolstof bestaat?

Oplossing

Oplossing van Oefening 21.7.

0.23×70=16.1 kg0.23 \times 70 = 16.1\,\mathrm{kg}.

Oefening 21.8 ★★

Waarom is zuurstof in massa het meest voorkomende element van het lichaam, terwijl waterstof dat is in aantal atomen?

Oplossing

Oplossing van Oefening 21.8.

Zuurstofatomen zijn 16 keer zwaarder dan waterstofatomen: minder zuurstofatomen wegen toch meer.

Oefening 21.9 ★★

Een blok graniet van 1000 kg1000\,\mathrm{kg} is een typisch stuk aardkorst. Hoeveel aluminium bevat het ongeveer, volgens het diagram?

Oplossing

Oplossing van Oefening 21.9.

Ongeveer 0.081×1000=81 kg0.081 \times 1000 = 81\,\mathrm{kg} aluminium.

Oefening 21.10 ★★

Welke elementen staan zowel bij de belangrijkste elementen van de aardkorst als bij die van het menselijk lichaam?

Oplossing

Oplossing van Oefening 21.10.

Zuurstof en calcium (en, buiten de acht belangrijkste elementen van de aardkorst, komen waterstof, koolstof en fosfor in kleine hoeveelheden in de aardkorst voor).

Oefening 21.11 ★★★

Een lichaam van 70 kg70\,\mathrm{kg} bevat ongeveer 1.06 kg1.06\,\mathrm{kg} calcium. Bereken de massa van één calciumatoom (A=40A = 40), en daarna het aantal calciumatomen. Schrijf het in wetenschappelijke notatie.

Oplossing

Oplossing van Oefening 21.11.

40×1.67×10−27=6.68×10−26 kg40 \times 1.67 \times 10^{-27} = 6.68 \times 10^{-26}\,\mathrm{kg}; 1.06/6.68×10−26≈1.6×10251.06 / 6.68 \times 10^{-26} \approx 1.6 \times 10^{25} calciumatomen.

Oefening 21.12 ★★★

De atomen van je lichaam zijn allemaal al eerder deel geweest van iets anders. Leg met de reis van een koolstofatoom uit waarom het totale aantal koolstofatomen op aarde nauwelijks verandert.

Oplossing

Oplossing van Oefening 21.12.

Atomen worden door chemische veranderingen niet gemaakt en niet vernietigd: ze gaan alleen over van de ene verbinding naar de andere (gesteente, gas, suiker, levend lichaam). De koolstofatomen van de aarde worden steeds opnieuw gebruikt.

21.6 Probleem: Uit hoeveel atomen besta ik?

Probleem 21.1

Weekendprobleem — van een abundantiediagram naar het aantal zuurstofatomen in een menselijk lichaam

Een slanke volwassene van 70 kg70\,\mathrm{kg} bestaat in massa voor ongeveer 61 %61\,\% uit zuurstof, 23 %23\,\% uit koolstof en 10 %10\,\% uit waterstof. Neem voor de massa van een nucleon 1.67×10−27 kg1.67 \times 10^{-27}\,\mathrm{kg}; een zuurstofatoom heeft 16 nucleonen, een koolstofatoom 12, een waterstofatoom 1. De elektronen worden verwaarloosd.

Deel I — De massa’s.

  1. Bereken de massa zuurstof in het lichaam.
  2. Bereken de massa koolstof en die van waterstof.
  3. Welk percentage van de massa vormen deze drie elementen samen?
  4. Het meeste van deze zuurstof en waterstof zit in één verbinding. Welke?

Deel II — Eén atoom.

  1. Bereken de massa van één zuurstofatoom.
  2. Bereken de massa van één koolstofatoom en van één waterstofatoom.
  3. Hoeveel waterstofatomen wegen samen evenveel als één zuurstofatoom?
  4. Waarom mag je de elektronen verwaarlozen?

Deel III — De telling.

  1. Bereken het aantal waterstofatomen in het lichaam.
  2. Bereken het aantal koolstofatomen.
  3. Bereken het aantal zuurstofatomen in het lichaam.
  4. Een zorgvuldige schatting geeft 1.61×10271.61 \times 10^{27} zuurstofatomen in zo’n lichaam. Vergelijk met jouw telling, en geef het aantal zuurstofatomen in een lichaam van 70 kg70\,\mathrm{kg} in twee significante cijfers.
Oplossing

Oplossing van Probleem 21.1.

1. 0.61×70=42.7 kg0.61 \times 70 = 42.7\,\mathrm{kg}.

2. Koolstof 0.23×70=16.1 kg0.23 \times 70 = 16.1\,\mathrm{kg}; waterstof 0.10×70=7.0 kg0.10 \times 70 = 7.0\,\mathrm{kg}.

3. 61+23+10=94 %61 + 23 + 10 = 94\,\%.

4. Water, HX2O\ce{H2O}.

5. 16×1.67×10−27=2.67×10−26 kg16 \times 1.67 \times 10^{-27} = 2.67 \times 10^{-26}\,\mathrm{kg}.

6. Koolstof: 12×1.67×10−27=2.00×10−26 kg12 \times 1.67 \times 10^{-27} = 2.00 \times 10^{-26}\,\mathrm{kg}; waterstof: 1.67×10−27 kg1.67 \times 10^{-27}\,\mathrm{kg}.

7. 16.

8. Een elektron is ongeveer 1836 keer lichter dan een nucleon: de elektronen zijn minder dan een duizendste van de massa.

9. 7.0/1.67×10−27≈4.2×10277.0 / 1.67 \times 10^{-27} \approx 4.2 \times 10^{27} waterstofatomen.

10. 16.1/2.00×10−26≈8.0×102616.1 / 2.00 \times 10^{-26} \approx 8.0 \times 10^{26} koolstofatomen.

11. 42.7/2.67×10−26≈1.60×102742.7 / 2.67 \times 10^{-26} \approx 1.60 \times 10^{27} zuurstofatomen.

12. Onze telling, 1.60×10271.60 \times 10^{27}, klopt met de schatting 1.61×10271.61 \times 10^{27}: een lichaam van 70 kg70\,\mathrm{kg} bevat ongeveer 1.6×10271.6 \times 10^{27} zuurstofatomen.

Begrippen gedefinieerd in dit hoofdstuk

Bekijk alle 852 begrippen in de begrippenlijst