Elektronen, protonen en neutronen
Alles is gemaakt van atomen. Lange tijd dachten mensen dat je een atoom niet kon splitsen. Toen vonden wetenschappers kleinere deeltjes erin.
- Elektron (e⁻): ontdekt door J. J. Thomson in 1897. Lading −1. Heel licht: ongeveer 1/1836 van de massa van een proton. Het beweegt buiten de kern.
- Proton (p⁺): gevonden door kanaalstralen te onderzoeken (E. Goldstein, 1886). Lading +1. Massa ongeveer 1 u.
- Neutron (n): ontdekt door J. Chadwick in 1932. Geen lading. Massa ongeveer 1 u, een klein beetje meer dan een proton. Elk atoom heeft neutronen, behalve gewoon waterstof.
Een atoom heeft evenveel protonen als elektronen. De + en − heffen elkaar op, dus het hele atoom heeft geen lading (het is neutraal).
Atoommodellen: Thomson, Rutherford en Bohr
Het model van Thomson
Thomson zei dat het atoom een bol met positieve lading is. De elektronen zitten erin, zoals pitjes in een watermeloen. De positieve en negatieve lading zijn even groot, dus het atoom is neutraal. Probleem: het model kon de uitkomst van Rutherford niet verklaren.
Het alfadeeltjes-experiment van Rutherford
Rutherford schoot snelle alfadeeltjes (heliumkernen, lading +2) op een heel dun goudfolie. Hij zag drie dingen:
- De meeste alfadeeltjes gingen rechtdoor. Dus het grootste deel van het atoom is lege ruimte.
- Sommige bogen onder een kleine hoek af. Dus er zit positieve lading in het atoom die ze wegduwt.
- Heel weinig (ongeveer 1 op 12.000) kaatsten recht terug. Dus alle positieve lading en bijna alle massa zitten in een heel klein midden, de kern.
Zijn model: een kleine positieve kern, met elektronen eromheen zoals planeten rond de zon. De kern is ongeveer 100.000 keer kleiner dan het atoom. Probleem: een geladen deeltje dat in een cirkel beweegt, zou energie verliezen en in de kern vallen. Dan zouden atomen niet stabiel zijn. Maar dat zijn ze wel.
Het model van Bohr
Niels Bohr loste dit probleem op. Hij zei dat elektronen alleen in bepaalde vaste banen kunnen bewegen, de schillen of energieniveaus. In een schil verliest een elektron geen energie. De schillen heten K, L, M, N (of n = 1, 2, 3, 4) van binnen naar buiten.
Schillen K, L, M, N: hoe elektronen verdeeld zijn
Regels voor de eerste 20 elementen (het schema van Bohr en Bury):
- In schil n passen hoogstens 2n² elektronen: K (n=1) = 2, L (n=2) = 8, M (n=3) = 18, N (n=4) = 32.
- In de buitenste schil passen niet meer dan 8 elektronen.
- Binnenste schillen vullen eerst. Een nieuwe schil begint pas als de vorige vol is (voor de eerste 20 elementen).
Voorbeelden: koolstof (6) = 2, 4. Natrium (11) = 2, 8, 1. Chloor (17) = 2, 8, 7. Calcium (20) = 2, 8, 8, 2. Open stap 4 van de 3D om te zien hoe de schillen van natrium één voor één vollopen.
Valentie, atoomnummer en massagetal
Valentie
Elektronen in de buitenste schil heten valentie-elektronen. Atomen willen graag een volle buitenste schil hebben (8, of 2 bij helium). Dit heet een octet. Atomen met een volle buitenste schil, zoals neon en argon, reageren niet, dus hun valentie is 0.
Valentie = het bindend vermogen van een atoom = hoeveel elektronen het afgeeft, opneemt of deelt om een volle buitenste schil te krijgen.
- Als er 1 tot 4 buitenste elektronen zijn: valentie = aantal buitenste elektronen. Natrium (2, 8, 1) → 1. Magnesium (2, 8, 2) → 2.
- Als er 5 tot 7 buitenste elektronen zijn: valentie = 8 − aantal buitenste elektronen. Zuurstof (2, 6) → 8 − 6 = 2. Chloor (2, 8, 7) → 1.
Atoomnummer (Z)
Het aantal protonen in de kern. Het bepaalt het element. Elk koolstofatoom heeft Z = 6. In een neutraal atoom is het aantal elektronen = Z.
Massagetal (A)
Protonen en neutronen samen heten nucleonen. Massagetal = protonen + neutronen. Dus neutronen = A − Z. We schrijven een atoom als ₆¹²C: A boven, Z onder.
Isotopen en isobaren
Isotopen
Atomen van hetzelfde element (zelfde Z) met verschillend massagetal (verschillend aantal neutronen). Waterstof heeft er drie: protium ¹H (0 neutronen), deuterium ²H (1 neutron), tritium ³H (2 neutronen). Chloor heeft ³⁵Cl en ³⁷Cl.
Isotopen hebben evenveel elektronen, dus ze hebben dezelfde chemische eigenschappen. Hun massa verschilt, dus sommige fysische eigenschappen verschillen.
Waarom is de massa van chloor 35.5 u? In de natuur is ongeveer 3 van de 4 chlooratomen ³⁵Cl en 1 van de 4 is ³⁷Cl. Gemiddelde = 35 × 3/4 + 37 × 1/4 = 26.25 + 9.25 = 35.5 u.
Toepassingen: uranium-235 als brandstof in kerncentrales, kobalt-60 bij de behandeling van kanker, jood-131 bij de behandeling van een struma, koolstof-14 om de leeftijd van oude dingen te bepalen.
Isobaren
Atomen van verschillende elementen (verschillend Z) met hetzelfde massagetal. Voorbeeld: ⁴⁰₁₈Ar en ⁴⁰₂₀Ca. Ze hebben verschillende elektronen, dus verschillende chemische eigenschappen.
Probeer het: bouw thuis een atoom
Neem kleine dingetjes in drie kleuren: rode kralen (protonen), zwarte erwten (neutronen) en gele korrels (elektronen). Teken op papier drie cirkels voor K, L, M.
- Kies een element, bijvoorbeeld zuurstof: Z = 8, A = 16.
- Leg 8 rode en 16 − 8 = 8 zwarte in het midden.
- Leg 8 gele op de cirkels: 2 op K, 6 op L.
- Voorspel de valentie (8 − 6 = 2). Controleer het nu in de 3D: laatste stap, kies zuurstof-16.
Verander daarna 2 zwarte erwten in 2 extra. Je hebt zojuist een isotoop gemaakt! Het element is niet veranderd, want het aantal rode is niet veranderd.
Belangrijke formules en begrippen
- Atoomnummer Z = aantal protonen = aantal elektronen (neutraal atoom)
- Massagetal A = protonen + neutronen
- Neutronen = A − Z
- Maximaal aantal elektronen in schil n = 2n² (K 2, L 8, M 18, N 32)
- Valentie = buitenste elektronen (bij 1–4) of 8 − buitenste elektronen (bij 5–7)
- Gemiddelde atoommassa = som van (isotoopmassa × fractie)
Uitgewerkte voorbeelden
1. Een atoom heeft 9 protonen en 10 neutronen. Bepaal Z, A en het aantal elektronen.
Stap 1: Z = protonen = 9. Stap 2: A = 9 + 10 = 19. Stap 3: neutraal atoom, dus elektronen = 9. Het is fluor.
2. Schrijf de elektronenverdeling van zuurstof (Z = 8) op en bepaal de valentie.
Stap 1: K neemt 2, er blijven er 6 over. Stap 2: L neemt 6. Dus 2, 6. Stap 3: buitenste elektronen = 6, en dat is meer dan 4. Valentie = 8 − 6 = 2.
3. Magnesium heeft Z = 12 en A = 24. Bepaal de neutronen, de verdeling en de valentie.
Neutronen = 24 − 12 = 12. Verdeling: K 2, L 8, M 2 → 2, 8, 2. Buitenste elektronen = 2, dus valentie = 2.
4. Chloor heeft Z = 17. Waarom is de valentie 1 en niet 7?
Verdeling 2, 8, 7. Er is nog maar 1 elektron nodig om 8 te krijgen. Er 1 opnemen is makkelijker dan er 7 afgeven, dus valentie = 8 − 7 = 1.
5. Welk paar zijn isotopen en welk paar isobaren? ¹²₆C, ¹⁴₆C, ⁴⁰₁₈Ar, ⁴⁰₂₀Ca.
¹²C en ¹⁴C: zelfde Z (6), verschillend A → isotopen. ⁴⁰Ar en ⁴⁰Ca: zelfde A (40), verschillend Z → isobaren.
6. Element X heeft twee isotopen: ¹⁶X (90%) en ¹⁸X (10%). Bereken de gemiddelde atoommassa.
Gemiddelde = 16 × 0.90 + 18 × 0.10 = 14.4 + 1.8 = 16.2 u.
7. Waarom kaatsten in het experiment van Rutherford maar heel weinig alfadeeltjes terug?
Alleen een alfadeeltje dat heel dicht bij de kleine kern kwam, kreeg een flinke duw van de positieve lading. De kern is zo klein dat maar heel weinig deeltjes zo dichtbij kwamen. Dus kaatsten er maar heel weinig terug.
Veelgemaakte fouten
- Atoomnummer en massagetal door elkaar halen. Z telt alleen protonen; A telt protonen en neutronen.
- De valentie van chloor als 7 opschrijven. Bij 5 tot 7 buitenste elektronen is de valentie 8 − buitenste elektronen.
- Denken dat isotopen een verschillend aantal protonen hebben. Isotopen verschillen alleen in neutronen; isobaren verschillen in protonen.
- 18 elektronen in de M-schil van kalium zetten. Voor de eerste 20 elementen passen in de buitenste schil hoogstens 8, dus K is 2, 8, 8, 1.