Scheikunde van basisschool tot bovenbouw · Grades 1–12

23Elektronenschillen en het periodiek systeem

Neon gloeit roodoranje in een lichtreclame; natrium, een zacht metaal, vliegt in brand in water; chloor is een verstikkend geelgroen gas. Toch verschillen hun atomen maar één of twee protonen: neon heeft er 10, natrium 11, chloor 17. Waarom zouden buren in het periodiek systeem zich zo verschillend gedragen, terwijl natrium en kalium, die qua atoomnummer ver uit elkaar liggen, zich zo gelijk gedragen? Het antwoord zit in de manier waarop de elektronen van een atoom gerangschikt zijn.

Wat je al weet

Een atoom heeft $Z$ protonen in zijn kern en, als het neutraal is, $Z$ elektronen eromheen (Hoofdstuk 16). Het periodiek systeem ordent de elementen naar $Z$ in perioden (rijen) en groepen (kolommen); de elementen van een groep gedragen zich hetzelfde (Hoofdstuk 20). Atomen nemen elektronen op of staan ze af en worden zo ionen (Hoofdstuk 17).

23.1 Elektronenconfiguratie

Definitie 23.1 (Schillen, subschillen en elektronenconfiguratie)

De elektronen van een atoom zijn verdeeld over schillen, genummerd $n = 1, 2, 3, \ldots$ van de kern naar buiten; hoe hoger $n$ , hoe verder van de kern en hoe minder sterk de elektronen vastgehouden worden. Elke schil is verdeeld in subschillen die een letter als naam hebben: schil 1 heeft een s-subschil (1s), schil 2 een s- en een p-subschil (2s, 2p), schil 3 heeft 3s en 3p (en 3d, die later aan bod komt). Een s-subschil bevat hoogstens 2 elektronen, een p-subschil hoogstens 6. De elektronenconfiguratie van een atoom somt de bezette subschillen op met hun aantal elektronen als exponent: $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^4$ voor zuurstof.

Methode 23.2 (Een elektronenconfiguratie opschrijven, tot $Z = 20$ )

Tel de elektronen: $Z$ voor een neutraal atoom.
Vul de subschillen in deze volgorde, elk tot het maximum voordat je aan de volgende begint:

$1\mathrm{s} \to 2\mathrm{s} \to 2\mathrm{p} \to 3\mathrm{s} \to 3\mathrm{p} \to 4\mathrm{s}.$
Controleer dat de exponenten samen het aantal elektronen geven.

Natrium, $Z = 11$ : $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6\,3\mathrm{s}^1$ . Chloor, $Z = 17$ : $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6\,3\mathrm{s}^2\,3\mathrm{p}^5$ . Calcium, $Z = 20$ : $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6\,3\mathrm{s}^2\,3\mathrm{p}^6\,4\mathrm{s}^2$ .

De volgorde van opvullen, tot Z = 20. Elk vakje is een plaats voor één elektron: een s-subschil heeft 2 plaatsen, een p-subschil 6. — De volgorde van opvullen, tot $Z = 20$ . Elk vakje is een plaats voor één elektron: een s-subschil heeft 2 plaatsen, een p-subschil 6.

23.2 Valentie-elektronen

Definitie 23.3 (Valentie- en rompelektronen)

De elektronen in de buitenste bezette schil (de schil met de hoogste $n$ ) zijn de valentie-elektronen; de andere zijn de rompelektronen. Alleen de valentie-elektronen doen mee aan chemische reacties.

Voorbeeld 23.4 (Valentie-elektronen tellen)

Zuurstof, $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^4$ : buitenste schil $n = 2$ , $2 + 4 = 6$ valentie-elektronen. Natrium, $\ldots 3\mathrm{s}^1$ : 1 valentie-elektron. Chloor, $\ldots 3\mathrm{s}^2\,3\mathrm{p}^5$ : 7. Neon, $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6$ : 8, een volle schil.

23.3 De tabel opnieuw opgebouwd uit configuraties

Propositie 23.5 (Periode en groep uit de configuratie)

Voor de elementen tot $Z = 20$ geldt:

de periode van een element is het nummer $n$ van zijn buitenste schil;
elementen van eenzelfde groep hebben evenveel valentie-elektronen — één in groep 1, twee in groep 2, drie tot acht in de groepen 13 tot en met 18 (helium, met 2, is een uitzondering).

De twee linkerkolommen, waar de laatste elektronen in een s-subschil komen, vormen het s-blok; de groepen 13 tot en met 18 vormen het p-blok.

De eerste twintig elementen, met het aantal elektronen in elke schil onder het symbool (2.8.1 voor natrium: 2 in schil 1, 8 in schil 2, 1 in schil 3). De kleuren geven het s- en het p-blok aan. — De eerste twintig elementen, met het aantal elektronen in elke schil onder het symbool ( $2.8.1$ voor natrium: 2 in schil 1, 8 in schil 2, 1 in schil 3). De kleuren geven het s- en het p-blok aan.

23.4 Families

Definitie 23.6 (Chemische families)

Een chemische familie is een groep van het periodiek systeem waarvan de elementen hun belangrijkste chemische eigenschappen delen. Drie families hebben een naam: de alkalimetalen (groep 1 zonder waterstof: lithium, natrium, kalium…), zachte metalen die heftig met water reageren; de halogenen (groep 17: fluor, chloor, broom, jood), gekleurde, reactieve niet-metalen; en de edelgassen (groep 18: helium, neon, argon…), die met bijna niets reageren.

Propositie 23.7 (Waarom een familie zich hetzelfde gedraagt)

De elementen van een familie hebben evenveel valentie-elektronen, en chemie is de zaak van de valentie-elektronen: lithium, natrium en kalium hebben er allemaal één, de halogenen zeven, de edelgassen een volle buitenste schil.

Families van het periodiek systeem: alkalimetalen, aardalkalimetalen (groep 2), halogenen en edelgassen.

Natrium, een alkalimetaal, gesneden met een mes: vers is het zacht en zilverig, aan de lucht wordt het meteen dof. Foto: Dnn87, CC BY-SA 3.0.

In het laboratorium — Natrium in water

Achter een scherm laat de docent een stukje natrium zo groot als een rijstkorrel in een grote kom water vallen. Het drijft, smelt tot een glanzend bolletje en schiet sissend rond tot het verdwenen is; het gas dat vrijkomt is waterstof, en het water dat overblijft is basisch.

Veiligheid

Natrium: geeft met water ontvlambaar waterstof af (GHS02), veroorzaakt ernstige brandwonden (GHS05). Chloor: een oxiderend gas (GHS03), giftig bij inademing (GHS06), ook irriterend en zeer giftig voor in het water levende organismen. Beide worden alleen door de docent gehanteerd.

23.5 Stabiele ionen en de edelgasregel

Definitie 23.8 (Duet- en octetregel)

De edelgassen, met een volle buitenste schil, reageren nauwelijks: hun configuratie is bijzonder stabiel. Als atomen van de eerste elementen ionen vormen, nemen ze elektronen op of staan ze er af om de configuratie van het dichtstbijzijnde edelgas te bereiken: twee elektronen in schil 1, zoals helium, voor de lichtste atomen — de duetregel — en acht elektronen in de buitenste schil, zoals neon of argon, voor de andere — de octetregel.

Voorbeeld 23.9 (Ionen voorspeld door de regel)

Natrium, $2.8.1$ , staat zijn enige valentie-elektron af: $\ce{Na+}$ , $2.8$ , zoals neon. Magnesium, $2.8.2$ , staat er twee af: $\ce{Mg^{2+}}$ . Aluminium, $2.8.3$ , staat er drie af: $\ce{Al^{3+}}$ . Chloor, $2.8.7$ , neemt er één op: $\ce{Cl-}$ , $2.8.8$ , zoals argon. Zuurstof, $2.6$ , neemt er twee op: $\ce{O^{2-}}$ . Zwavel, $2.8.6$ : $\ce{S^{2-}}$ . Lithium, $2.1$ , staat er één af en houdt $2$ over, zoals helium: $\ce{Li+}$ .

Het natriumion heeft de configuratie van neon, het dichtstbijzijnde edelgas.

Opmerking 23.10 (Grenzen van de regel)

De regel werkt goed voor de eerste twintig elementen en hun eenvoudige ionen. Veel elementen, zoals ijzer ( $\ce{Fe^{2+}}$ en $\ce{Fe^{3+}}$ ), volgen hem niet; de redenen, en een betere beschrijving van elektronen, staan in het deel voor het eerste jaar aan de universiteit.

23.6 Oefeningen

Oefening 23.1 ★

Schrijf de elektronenconfiguraties op van koolstof ( $Z = 6$ ), stikstof ( $Z = 7$ ) en magnesium ( $Z = 12$ ).

Oplossing

Oplossing van Oefening 23.1.

C: $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^2$ . N: $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^3$ . Mg: $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6\,3\mathrm{s}^2$ .

Oefening 23.2 ★

Hoeveel valentie-elektronen hebben koolstof, stikstof en magnesium?

Oplossing

Oplossing van Oefening 23.2.

Koolstof 4, stikstof 5, magnesium 2.

Oefening 23.3 ★

In welke periode en welke groep staat het element met configuratie $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6\,3\mathrm{s}^2\,3\mathrm{p}^3$ ?

Oplossing

Oplossing van Oefening 23.3.

Buitenste schil $n = 3$ : periode 3. $2 + 3 = 5$ valentie-elektronen: groep 15 (fosfor).

Oefening 23.4 ★

Noem de drie families van dit hoofdstuk en geef van elk twee elementen.

Oplossing

Oplossing van Oefening 23.4.

Alkalimetalen (lithium, natrium, kalium); halogenen (fluor, chloor, broom, jood); edelgassen (helium, neon, argon).

Oefening 23.5 ★

Formuleer de octetregel.

Oplossing

Oplossing van Oefening 23.5.

Atomen hebben de neiging elektronen op te nemen of af te staan zodat ze acht elektronen in hun buitenste schil krijgen, zoals het dichtstbijzijnde edelgas.

Oefening 23.6 ★★

Geef met de edelgasregel het ion dat kalium ( $Z = 19$ ) vormt en het ion dat fluor ( $Z = 9$ ) vormt, met hun configuraties.

Oplossing

Oplossing van Oefening 23.6.

K, $2.8.8.1$ , staat er één af: $\ce{K+}$ , $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6\,3\mathrm{s}^2\,3\mathrm{p}^6$ (argon). F, $2.7$ , neemt er één op: $\ce{F-}$ , $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6$ (neon).

Oefening 23.7 ★★

Een element heeft 2 elektronen in zijn derde schil, en de derde schil is zijn buitenste schil. Geef zijn configuratie, zijn atoomnummer en zijn naam.

Oplossing

Oplossing van Oefening 23.7.

$1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6\,3\mathrm{s}^2$ : $Z = 12$ , magnesium.

Oefening 23.8 ★★

Schrijf met stabiele ionen de formule op van de ionverbinding van magnesium en chloor, en daarna van die van aluminium en zuurstof.

Oplossing

Oplossing van Oefening 23.8.

$\ce{Mg^{2+}}$ en $\ce{Cl-}$ : $\ce{MgCl2}$ . $\ce{Al^{3+}}$ en $\ce{O^{2-}}$ : $\ce{Al2O3}$ .

Oefening 23.9 ★★

Kijk naar de tabel van de eerste twintig elementen. Welke elementen hebben evenveel valentie-elektronen als zuurstof?

Oplossing

Oplossing van Oefening 23.9.

Zwavel (6 valentie-elektronen, $2.8.6$ ), in dezelfde groep, 16.

Oefening 23.10 ★★

Waarom vormt neon, anders dan natrium en chloor, bij chemische reacties geen ionen?

Oplossing

Oplossing van Oefening 23.10.

Zijn buitenste schil is al vol (acht elektronen): het heeft er niets bij te winnen om elektronen af te staan of op te nemen.

Oefening 23.11 ★★

Het ion $\ce{X^{2+}}$ heeft de configuratie van argon. Bepaal $X$ .

Oplossing

Oplossing van Oefening 23.11.

Argon heeft 18 elektronen; $\ce{X^{2+}}$ heeft er 2 afgestaan, dus X heeft er 20: calcium.

Oefening 23.12 ★★★

Helium heeft 2 valentie-elektronen maar staat in groep 18, niet in groep 2. Leg uit met zijn configuratie.

Oplossing

Oplossing van Oefening 23.12.

Helium, $1\mathrm{s}^2$ , heeft een volle buitenste schil (schil 1 bevat maar twee elektronen), net als de andere edelgassen; het gedraagt zich niet als de metalen van groep 2.

Oefening 23.13 ★★★

Kalium reageert nog heftiger met water dan natrium. Bedenk een verklaring met de afstand van het valentie-elektron tot de kern.

Oplossing

Oplossing van Oefening 23.13.

Zijn valentie-elektron zit in schil 4, verder van de kern dan dat van natrium in schil 3: het wordt minder sterk vastgehouden en gaat makkelijker verloren.

Oefening 23.14 ★★★

Geef de configuraties van $\ce{S^{2-}}$ , $\ce{Cl-}$ , $\ce{K+}$ en $\ce{Ca^{2+}}$ . Wat hebben ze gemeen?

Oplossing

Oplossing van Oefening 23.14.

Alle vier hebben 18 elektronen en de configuratie van argon:

1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6\,3\mathrm{s}^2\,3\mathrm{p}^6.

Oefening 23.15 ★★★

Een element uit periode 3 vormt het ion $\ce{Y^{3-}}$ . Bepaal zijn groep, zijn configuratie en zijn naam.

Oplossing

Oplossing van Oefening 23.15.

Het neemt 3 elektronen op om een octet te bereiken: het heeft 5 valentie-elektronen, groep 15. In periode 3 is dat fosfor:

1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6\,3\mathrm{s}^2\,3\mathrm{p}^3.

23.7 Probleem: Robijn, saffier en korund

Probleem 23.1

Weekendprobleem — de elektronen achter een edelsteen: van twee configuraties naar het aantal verplaatste elektronen in één gram

Robijnen en saffieren zijn edelsteenvormen van korund, een ionverbinding van aluminium en zuurstof; een spoortje andere metalen geeft ze hun kleur. Korund is hard genoeg om bijna alles te krassen, en korundpoeder wordt gebruikt om lenzen te polijsten. Neem voor de massa van een nucleon $1.67 \times 10^{-27}\,\mathrm{kg}$ ; aluminium-27 heeft 27 nucleonen, zuurstof-16 heeft 16.

Deel I — De atomen.

Geef het aantal protonen en elektronen van een aluminiumatoom ( $Z = 13$ ) en van een zuurstofatoom ( $Z = 8$ ).
Schrijf hun elektronenconfiguraties op.
Hoeveel valentie-elektronen heeft elk? In welke periode en groep staat elk?
Is aluminium een metaal of een niet-metaal? En zuurstof?

Deel II — De ionen.

Welk ion vormt aluminium volgens de octetregel? Schrijf de configuratie op.
Welk ion vormt zuurstof? Schrijf de configuratie op.
Welk edelgas heeft dezelfde configuratie als beide ionen?
Hoeveel elektronen staat een aluminiumatoom af, en hoeveel neemt een zuurstofatoom op?

Deel III — De formule.

Bepaal de formule van korund, de neutrale verbinding van deze ionen.
Hoeveel elektronen staan de aluminiumatomen in één formule-eenheid af? Hoeveel nemen de zuurstofatomen op?
Waarom moeten deze twee aantallen gelijk zijn?
Een robijn bevat een spoortje chroomionen $\ce{Cr^{3+}}$ in plaats van sommige $\ce{Al^{3+}}$ . Waarom kan een $\ce{Cr^{3+}}$ -ion de plaats van een $\ce{Al^{3+}}$ -ion innemen zonder de ladingen te verstoren?

Deel IV — Eén gram korund.

Hoeveel nucleonen zitten er in één formule-eenheid korund?
Bereken de massa van één formule-eenheid (elektronen verwaarloosd).
Hoeveel formule-eenheden zitten er in $1\,\mathrm{g}$ korund?
Hoeveel $\ce{Al^{3+}}$ -ionen en $\ce{O^{2-}}$ -ionen zijn dat?
Waarom mag je bij vraag 14 de elektronen verwaarlozen?
Hoeveel elektronen zijn er van aluminium naar zuurstof overgegaan om $1\,\mathrm{g}$ korund te maken?

Oplossing

Oplossing van Probleem 23.1.

1. Aluminium: 13 protonen, 13 elektronen. Zuurstof: 8 protonen, 8 elektronen.

2. Al: $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6\,3\mathrm{s}^2\,3\mathrm{p}^1$ . O: $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^4$ .

3. Al: 3 valentie-elektronen, periode 3, groep 13. O: 6, periode 2, groep 16.

4. Aluminium is een metaal, zuurstof een niet-metaal.

5. $\ce{Al^{3+}}$ : $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6$ .

6. $\ce{O^{2-}}$ : $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6$ .

7. Neon.

8. Aluminium staat er 3 af, zuurstof neemt er 2 op.

9. $2 \times (+3) + 3 \times (-2) = 0$ : $\ce{Al2O3}$ .

10. Afgestaan: $2 \times 3 = 6$ . Opgenomen: $3 \times 2 = 6$ .

11. Elektronen worden niet gemaakt of vernietigd: de elektronen die aluminium afstaat, zijn precies die welke zuurstof opneemt, en de verbinding is neutraal.

12. Het heeft dezelfde lading, $+3$ : de ladingen van het kristal blijven in evenwicht.

13. $2 \times 27 + 3 \times 16 = 102$ nucleonen.

14. $102 \times 1.67 \times 10^{-27} = 1.70 \times 10^{-25}\,\mathrm{kg}$ .

15. $10^{-3} / 1.70 \times 10^{-25} \approx 5.87 \times 10^{21}$ formule-eenheden.

16. $2 \times 5.87 \times 10^{21} = 1.17 \times 10^{22}$ $\ce{Al^{3+}}$ -ionen; $3 \times 5.87 \times 10^{21} = 1.76 \times 10^{22}$ $\ce{O^{2-}}$ -ionen.

17. Een elektron is ongeveer 1836 keer lichter dan een nucleon; de 50 elektronen van een formule-eenheid wegen minder dan drie honderdste van één nucleon.

18. $6 \times 5.87 \times 10^{21} \approx 3.5 \times 10^{22}$ elektronen overgedragen voor $1\,\mathrm{g}$ korund.

Begrippen gedefinieerd in dit hoofdstuk

Bekijk alle 852 begrippen in de begrippenlijst