HET PERIODIEK SYSTEEM

periodiek systeem
HET PERIODIEK SYSTEEM
Wetenschapsgeschiedenis is in deze les de invalshoek om leerlingen inzicht te
geven in het belang en de werking van de tabel van Mendelejev. Er wordt in groepjes
gewerkt waarbij elk lid van de groep een periode uit de ontstaangeschiedenis van het
periodiek systeem bestudeert. Door onderling gegevens uit te wisselen, titels aan de
verschillende periodes toe te kennen en de juiste illustraties daarbij uit te zoeken
wordt het verhaal van de zoektocht naar de bouwstenen van het universum
gereconstrueerd. Al doende verwerven de leerlingen de nodige kennis over de
opbouw en het gebruik van het periodiek systeem.
Doelstellingen
De leerlingen kunnen:
onderzoekend leren
•
een fysisch verschijnsel of proces met behulp van een model voorstellen of
uitleggen
wetenschap en samenleving
•
voorbeelden geven van mijlpalen in de historische en conceptuele ontwikkeling
van de natuurwetenschappen en ze in een tijdskader plaatsen
vakgebonden
•
•
•
•
•
het historisch belang van het periodiek systeem toelichten
op het periodieke systeem aanwijzen dat de elementen gerangschikt zijn volgens
stijgende massa van de atomen
op het periodieke systeem aanwijzen dat elementen waarvan de enkelvoudige
stoffen overeenkomstige chemische eigenschappen hebben, onder elkaar staan
en dus behoren tot dezelfde groep
op het periodiek systeem afleiden dat de metalen links staan en de niet-metalen
rechts
in het periodiek sytseem de groep van edelgassen aanwijzen
1
periodiek systeem • werkbladen
♦
Wat vind jij persoonlijk de meest indrukwekkende prestatie van de wetenschap?
Voor wetenschappers zelf, en meer bepaald voor natuur- en scheikundigen is dat de
ontdekking van het atoom. Stel je maar eens voor: atomen zijn zo onbegrijpelijk klein
dat er wel tien miljoen naast en boven elkaar liggen op het punt dat aan het eind van
deze zin staat. Dit kleine stipje drukinkt bevat veel meer atomen dan er sterren in de
Melkweg zijn… En dat zijn er 100 miljard. Zelfs de allersterkste microscopen zijn nog
een miljoen maal te zwak om een atoom direct te kunnen zien.
Hoe komt het dan dat onderzoekers toch hebben kunnen raden dat het heelal uit
atomen is samengesteld? Wel, in de allereerste plaats gebruikten ze het
belangrijkste instrument dat ze hadden, namelijk hun hersens. Door slim te gissen en
hypothesen te bedenken bouwden ze langzaam maar zeker een theorie op hoe
atomen eruitzien en wat hun kenmerken zijn. Dat gebeurde echter niet van de ene
dag op de andere.
In de tekst hieronder vind je een stuk van de eeuwendurende ‘ontdekkingsreis’ terug.
De drie andere leden van je groep krijgen elk hun eigen stuk tekst te lezen en dat
beschrijft telkens een ander deel van de ontdekkingsreis. Lees je eigen stuk
aandachtig, zodat je straks de informatie die jij hebt gelezen, kan vertellen aan de
drie anderen en jullie alle vier samen de hele reis kunnen reconstrueren. Kijk ook
goed naar de afbeeldingen die bij de tekst staan.
2
periodiek systeem • werkbladen
In de achttiende eeuw heerste nog altijd de
opvatting dat alle materie was samengesteld uit
de vier oerelementen vuur, aarde, lucht en
water, zoals de Griekse filosoof Empedokles
eeuwen voordien had beweerd (en hierin
navolging kreeg van de grote filosofen Plato en
Aristoteles). In de jaren zeventienhonderd van
onze tijd waren er nog maar weinig
wetenschappers die zich met het onderzoek van
stoffen bezighielden. En als ze dat al deden,
dan was het om te achterhalen hoe ze lood in
zilver en zilver in goud zouden kunnen
veranderen. De wetenschap van de stoffen
heette toen nog ‘alchemie’. Tot in1669, het jaar
waarin fosfor werd ontdekt, waren slechts dertien elementen als enkelvoudige stoffen
bekend: in de Oudheid, meer dan 1000 jaar voor onze tijdrekening, kende men er
negen (goud, zilver, koper, ijzer, lood, kwik, tin, zwavel en koolstof); in de
middeleeuwen werd de reeks, dank zij de alchemisten, uitgebreid met zink, arseen,
antimoon en bismut.
Maar al waren er niet zoveel scheikundigen, ze
slaagden erin om aan te tonen dat de oude
Griekse theorie van de vier grondstoffen niet
klopte. Eén van de grootste onderzoekers van
die tijd was de Fransman Antoine Lavoisier.
Hij hield zich bezig met het verbrandingsproces van stoffen en ontdekte na enige tijd dat
verbranding mogelijk wordt gemaakt door een
gas, dat hij nadien zuurstof noemde. Zonder de
aanwezigheid van dit gas wilden stoffen niet
branden. En omdat het mogelijk was een vuur
aan te steken in de lucht, moest er volgens
Lavoisier ook zuurstof in de lucht zitten. Hij
slaagde er verder in te bewijzen dat er niet alleen zuurstof, maar ook nog een ander
gas in de lucht zit, namelijk stikstof. Lucht is dus geen grondstof, zoals de Grieken
beweerden, maar een samenstelling van twee andere stoffen, zo besloot Lavoisier.
Bij zijn onderzoek paste hij heel strikt een wet toe die toen al bekend was en die later
zijn naam heeft gekregen: als stoffen bij elkaar worden gebracht en met elkaar
reageren
(zoals
dat
bijvoorbeeld
het
geval
was
in
Lavoisiers
verbrandingsexperimenten), dan is de totale massa van deze stoffen even groot na
de reactie als daarvoor. Er gaat, met andere woorden, geen grammetje verloren…
3
periodiek systeem • werkbladen
De
Engelsman
Henry
Cavendish
experimenteerde met een ander gas, waterstof,
dat intussen in 1766 was ontdekt. Hij liet het
waterstofgas in lucht branden en ontdekte dat er
water ontstond. Daaruit leidde hij af dat zuurstof
en waterstof samen water vormen en dat water
dus al evenmin een grondstof is.
In heel Europa begonnen ook andere chemici in
hun laboratorium stoffen te splitsen, zoals
Lavoisier en Cavendish dit hadden voorgedaan.
Ze verwarmden stoffen in speciale ketels,
vermaalden en vermengden deze met sterke
zuren of losten ze op in water en stuurden er
dan elektrische stroom doorheen. Zo kwamen
ze erachter dat heel veel stoffen in de natuur zijn samengesteld uit weer andere
stoffen. Maar ze troffen ook stoffen aan, zoals zuurstof, stikstof en waterstof en de
metalen ijzer en koper, die niet verder kunnen worden opgesplitst. De onderzoekers
besloten hieruit dat dit de grondvormen van de stoffen in de natuur waren en dat er in
de natuur dus twee typen stoffen voorkomen, namelijk die pure grondvormen en de
mengsels van die grondvormen, die ze chemische verbindingen noemden. Water is
dus een chemische verbinding die uit de grondstoffen waterstof en zuurstof bestaat;
en lucht is een chemische verbinding die uit zuurstof en stikstof is samengesteld.
In de achttiende en negentiende eeuw vond er in de hele wereld een intensieve jacht
naar grondstoffen plaats. Op de gekste plekken werden nieuwe grondstoffen
gevonden, en meestal mocht de vinder de nieuwe stof zelf een naam geven. Zo werd
in 1794 een merkwaardige steen gevonden bij het Zweedse dorpje Ytterby.
Scheikundigen onderzochten de steen en kwamen tot de vaststelling dat hij uit
veertien verschillende grondstoffen bestond. Drie daarvan (terbium, erbium en
ytterbium) werden naar Ytterby genoemd.
Na een kleine eeuw zoeken hadden chemici al ruim vijftig
grondstoffen ontdekt, maar ze hadden nog steeds geen
flauw idee van wat een grondstof nu eigenlijk was. Was
het een soort gelijkmatige brei of bestond het uit
piepkleine deeltjes die zich bewegen in de lege ruimte,
zoals de Griek Democritos in de oudheid en vele
Indische en Arabische geleerden ook al hadden
beweerd?
4
periodiek systeem • werkbladen
♥
Wat vind jij persoonlijk de meest indrukwekkende prestatie van de wetenschap?
Voor wetenschappers zelf, en meer bepaald voor natuur- en scheikundigen is dat de
ontdekking van het atoom. Stel je maar eens voor: atomen zijn zo onbegrijpelijk klein
dat er wel tien miljoen naast en boven elkaar liggen op het punt dat aan het eind van
deze zin staat. Dit kleine stipje drukinkt bevat veel meer atomen dan er sterren in de
Melkweg zijn…En dat zijn er 100 miljard. Zelfs de allersterkste microscopen zijn nog
een miljoen maal te zwak om een atoom direct te kunnen zien.
Hoe komt het dan dat onderzoekers toch hebben kunnen raden dat het heelal uit
atomen is samengesteld? Wel, in de allereerste plaats gebruikten ze het
belangrijkste instrument dat ze hadden, namelijk hun hersens. Door slim te gissen en
hypothesen te bedenken bouwden ze langzaam maar zeker een theorie op hoe
atomen eruitzien en wat hun kenmerken zijn. Dat gebeurde echter niet van de ene
dag op de andere.
In de tekst hieronder vind je een stuk van de eeuwendurende ‘ontdekkingsreis’ terug.
De drie andere leden van je groep krijgen elk hun eigen stuk tekst te lezen en dat
beschrijft telkens een ander deel van de ontdekkingsreis. Lees je eigen stuk
aandachtig, zodat je straks de informatie die jij hebt gelezen, kan vertellen aan de
drie anderen en jullie alle vier samen de hele reis kunnen reconstrueren. Kijk ook
goed naar de afbeeldingen die bij de tekst staan.
5
periodiek systeem • werkbladen
Na een kleine eeuw zoeken hadden chemici al ruim
vijftig grondstoffen ontdekt, maar ze hadden nog
steeds geen flauw idee van wat een grondstof nu
eigenlijk was. Was een grondstof een soort
gelijkmatige brei of bestond het uit piepkleine
deeltjes die zich bewegen in de lege ruimte, zoals de
Griek Democritos in de oudheid en vele Indische en
Arabische geleerden ook al hadden beweerd?
Dankzij de proeven van de Franse
scheikundige Joseph Louis Proust
(1754-1826)
met
de
stof
die
kopercarbonaat wordt genoemd, was
men al geruime tijd tot de volgende
bevinding gekomen: telkens een
chemische verbinding wordt opgesplitst
in haar grondstoffen, krijg je voor iedere
grondstof hetzelfde aantal delen. In het
geval van kopercarbonaat kreeg Proust
steeds 5 delen koper, 4 delen koolstof
en 1 deel zuurstof. Anders gezegd:
splitste hij 10 gram kopercarbonaat, dan ver-kreeg hij 5 gram koper, 4 gram koolstof
en 1 gram zuurstof; splitste hij 20 gram, dan verkreeg hij 10 gram koper, 8 gram
koolstof en 2 gram zuurstof. De verhoudingen van de verschillende grondstoffen
bleven dus constant. Bij andere chemische verbindingen was dit net zo, stelde Proust
vast. Het leek wel, zo besloot hij, of ergens in een wet is vastgelegd wat de
verhouding tussen de grondstoffen van een chemische verbinding is.
In 1803 schreef de Engelse scheikundige John Dalton een boek waarin hij stelde
dat de waarnemingen van Proust de hypothese onder-steunden dat de grond-stoffen
zijn opgebouwd uit piepkleine deeltjes, die op één of andere manier aan elkaar zijn
gekoppeld. In navolging van Democritus noemde Dalton zo’n deeltje een atoom
(’atomos’ betekent ‘niet te snijden’, ‘ondeelbaar’, in het oude Grieks), en werd zijn
theorie de atoomtheorie genoemd.
6
periodiek systeem • werkbladen
Volgens
Dalton
zijn
atomen
massieve bollen. Atomen van
eenzelfde element zijn gelijk in
massa, omvang en chemische
eigenschappen en verschillen, wat
massa, omvang en eigenschappen
betreft, van de atomen van elk
ander element. John Dalton hield
zich bezig met het vastleggen van
de massa (toen sprak men nog van
‘gewicht’)
van
de
gekende
grondstoffen in verhouding tot het
lichtste element, namelijk waterstof.
Zo is de grondstof lithium, een zacht
metaal, zeven maal zwaarder dan
waterstof, stelde hij vast. In 1810
publiceerde Dalton een tabel met de
atoommassa’s van 20 elementen,
waarbij de plaats van elk element werd bepaald door zijn massa in verhouding tot de
massa van waterstof.
De atoomtheorie werd al heel snel populair, omdat ze een uitstekende en
eenvoudige verklaring leverde voor chemische bindingen. De atomen van de
grondstoffen koppelen zich op een bepaalde manier aan elkaar in wat vandaag de
dag moleculen worden genoemd. In een chemische verbinding zijn alle moleculen
aan elkaar gelijk. En dat verklaart meteen de vaste verhouding van de verschillende
grondstoffen.
Het grootste probleem van de atoomtheorie was echter dat men de atomen niet kon
zien. Er bestonden geen instrumenten die dat mogelijk maakten, en er waren dus
geen rechtstreekse bewijzen voor het bestaan van atomen.
Zoals vaak gebeurt, stak op een gegeven moment het toeval een handje toe. In 1828
bestudeerde een Schotse plantenkundige Robert Brown stuifmeelkorrels van een
bepaalde plant, de Clarkia. Toen hij stuifmeelkorrels observeerde die in het water
van een beek dreven, stelde hij vast dat ze de hele tijd bewogen. Ze dreven alle
kanten op, totaal willekeurig en met kleine schokjes. Eerst dacht hij dat deze
beweging werd veroorzaakt door het feit dat de korrels leefden en dat ze echt
zwommen. Maar toen hij hetzelfde zag bij gewone stofkorrels, begreep hij dat er hier
natuurkundige wetten aan het werk waren. Voor de aanhangers van de atoomtheorie
was de ontdekking een belangrijke aanwijzing in het voordeel van de atoomtheorie:
de beweging van de korrels ontstond, zo stelden ze, doordat ze gebombardeerd
7
periodiek systeem • werkbladen
werden met watermoleculen. De moleculen zijn
de hele tijd in beweging en botsen met de
stuifmeelkorrels. Zo nu en dan wordt een korrel
aan één kant door meerdere moleculen tegelijk
getroffen en drijft daardoor de andere kant op.
Daarna wordt de korrel door enkele andere
deeltjes geraakt en verandert hij van richting.
Dit herhaalt zich de hele tijd en heeft tot gevolg
dat de korrel nooit stilligt.
De ontdekking van de plantkundige werd door
de aanhangers van de atoomtheorie dankbaar
aangegrepen als een onrechtstreeks bewijs
voor het bestaan van atomen, gebaseerd op de
waarneming van het effect dat ze hebben op
de omgeving waarin ze zich bevinden.
8
periodiek systeem • werkbladen
♣
Wat vind jij persoonlijk de meest indrukwekkende prestatie van de wetenschap?
Voor wetenschappers zelf, en meer bepaald voor natuur- en scheikundigen is dat de
ontdekking van het atoom. Stel je maar eens voor: atomen zijn zo onbegrijpelijk klein
dat er wel tien miljoen naast en boven elkaar liggen op het punt dat aan het eind van
deze zin staat. Dit kleine stipje drukinkt bevat veel meer atomen dan er sterren in de
Melkweg zijn…En dat zijn er 100 miljard. Zelfs de allersterkste microscopen zijn nog
een miljoen maal te zwak om een atoom direct te kunnen zien.
Hoe komt het dan dat onderzoekers toch hebben kunnen raden dat het heelal uit
atomen is samengesteld? Wel, in de allereerste plaats gebruikten ze het
belangrijkste instrument dat ze hadden, namelijk hun hersens. Door slim te gissen en
hypothesen te bedenken bouwden ze langzaam maar zeker een theorie op hoe
atomen eruitzien en wat hun kenmerken zijn. Dat gebeurde echter niet van de ene
dag op de andere.
In de tekst hieronder vind je een stuk van de eeuwendurende ‘ontdekkingsreis’ terug.
De drie andere leden van je groep krijgen elk hun eigen stuk tekst te lezen en dat
beschrijft telkens een ander deel van de ontdekkingsreis. Lees je eigen stuk
aandachtig, zodat je straks de informatie die jij hebt gelezen, kan vertellen aan de
drie anderen en jullie alle vier samen de hele reis kunnen reconstrueren. Kijk ook
goed naar de afbeeldingen die bij de tekst staan.
9
periodiek systeem • werkbladen
Steeds meer onderzoekers raakten
overtuigd van de juistheid van de
atoom-theorie. Maar als atomen
inderdaad bestonden, wat kon dan de
verklaring zijn voor het grote verschil
tussen de grondstoffen?
Had het verschil uitsluitend iets te
maken met de massa (toen sprak
men nog van ‘gewicht’) van de grondstoffen? De grondlegger van de
atoomtheorie, John Dalton, had
vooral in die richting onderzoek
gedaan en in 1810 een tabel
gepubliceerd met de atoommassa van
20 elementen, waarbij de plaats van
elk element werd bepaald door zijn
massa in verhouding tot de massa
van waterstof.
Of waren er andere factoren die het verschil tussen de grondstoffen bepaalden? De
ontdekking van steeds meer nieuwe elementen leidde de wetenschappers tot de
vaststelling dat elementen dezelfde eigenschappen bezaten die dan bij andere
elementen niet terug te vinden waren. Zo vond men dat goud, zilver en platina, in
tegenstelling tot andere metalen niet roesten; dat de metalen kalium en natrium
brandbaar zijn; dat gassen als waterstof en zuurstof, in tegenstelling tot andere
gassen, kleur- en reukloos zijn. Met andere woorden: elementen konden, op basis
van een bepaalde eigenschap, gegroepeerd worden. Zou het mogelijk zijn een
ordening te verzinnen voor alle bestaande elementen op basis van hun
eigenschappen en zo misschien een verklaring te vinden voor deze eigenschappen?
Verschillende
onderzoekers
deden een poging om de
gekende grondstoffen op een of
andere manier te ordenen. De
Russische
chemicus
Dmitri
Ivanovich Mendelejev stelde
een
klassificatie
voor
die
gebaseerd was op stijgende
atoommassa,
waarbij
de
elementen met gelijkaardige
eigenschappen onder elkaar
10
periodiek systeem • werkbladen
kwamen
te
staan.
Met
eigen-
schappen wordt hier bijvoorbeeld
bedoeld of de stof een goede geleider
is voor warmte of elektrische stroom, of
ze zich gemakkelijk verbindt met een
andere stof, of ze glanzend is dan wel
dof.
Hiernaast is het ontwerp afgedrukt
van de eerste versie van het
periodiek systeem dat Mendelejev
publiceerde in zijn historisch artikel
‘Een voorstel voor een systeem der
elementen’ (1869).
Gelezen vanaf de bovenkant links
geven de verticale kolommen de
elementen
in
volgorde
van
opklimmende
atoommassa.
De
horizontale
rijen
geven
de
elementen weer in groepen met
gelijksoortige,
maar
gradueel
verschillende eigenschap-pen.
Het omvatte alle tot dan toe
gekende
elementen.
Ook
Mendelejev moest toegeven dat er
op het eerste gezicht een aantal
afwijkingen schenen voor te komen.
Om te beginnen, als alle elementen horizontaal werden gegroepeerd op grond van
hun eigenschappen, had dit tot gevolg dat sommige atoommassa’s niet precies
pasten in de opklimmende reeks: bijvoorbeeld thorium (Th = 118), onderaan in de
vierde verticale kolom, en tellurium (Te = 128), in de vijfde kolom. In dergelijke
gevallen had Mendelejev de atoommassa voorzien van een vraagteken, suggererend
dat de massa verkeerd berekend was. Hier, zo beweerde hij, had de wetenschap
ongelijk en hij gelijk! Nog brutaler was zijn suggestie dat hij andere afwijkingen in zijn
systeem perfect kon verklaren. Op plaatsen waar geen enkel element in het patroon
paste, liet hij gewoonweg ruimte open. Hij voorspelde dat deze plekken ooit zouden
worden opgevuld door elementen die op dat moment nog niet waren ontdekt. Zo voorspelde
hij dat er in de negende horizontale rij (de groep die met B = 11 begint) een element tussen
aluminium (Al = 27,1) en uranium (Ur = 116) moest zitten. Hij stelde dat wanneer het zou
worden ontdekt, het een atoommassa van 68 zou hebben (? = 68) en voorspelde de
eigenschappen ervan. Ook in de volgende horizontale rij (die met C = 12 begint)
voorspelde hij de komst van een element tussen silicium (Si = 28) en tin (Sn = 118),
dat hij aangaf met ? = 70.
11
periodiek systeem • werkbladen
Ondanks deze schijnbare tekortkomingen van zijn systeem was Mendelejev er zeker
van dat hij het bij het rechte eind had. Er was nog iets dat hem in die overtuiging
steunde. Het patroon dat uit zijn systeem naar voor kwam werd op een
geheimzinnige manier herhaald door een patroon in de opeenvolging van de
valenties van de elementen, d.w.z. de mate waarin de atomen zich konden binden
met andere atomen. Het metaal lithium (Li = 7) heeft een valentie van 1. Dat betekent
dat, als het atoom een bol is, het één ‘arm’ heeft waarmee het zich kan koppelen aan
een ander atoom. Het volgende element in de volgorde van opklimmende
atoommassa is beryllium (Be = 9,4) dat een valentie van 2 heeft, waardoor het zich
met twee andere atomen kan verbinden. De valentie van het daaropvolgende
element, borium (B = 11) is 3, en daarna komt koolstof (C = 12) met een valentie 4.
Bij het volgende element werd de mooie reeks echter verstoord: van 4 sprong ze
terug naar 3, dan naar 2 en tenslotte naar 1. Een gelijkaardige stijging en daling van
de valentie kwam min of meer terug over de hele tabel.
In de tweede versie van zijn periodiek systeem (1870) is het probleem van de terug
dalende valenties opgelost. De elementen zijn nu geplaatst in 12 horizontale rijen, zo
dat de elementen met gelijkaardige eigenschappen onder elkaar komen te staan.
Nu blijken dezelfde groepen dezelfde valentie te hebben. De elementen in de
stikstofgroep (van bovenaf de elfde rij, te beginnen met N = 14) hebben allemaal een
valentie van 3. De groep daaronder (de zuurstofgroep, beginnend met O = 16) heeft
een valentie van 2 en de groep daar weer onder heeft een valentie van 1. Ook hier
12
periodiek systeem • werkbladen
pasten in een aantal gevallen de valenties niet geheel in het patroon of moesten
elementen niet in overeenstemming met de volgorde geplaatst worden, maar
Mendelejev wist zeker dat ook deze afwijkingen ooit verklaard zouden worden.
De wetenschappelijke wereld was niet overtuigd. De weerstand tegen de ideeën van
Mendelejev was groot. Vier jaar na de publicatie van de ‘horizontale’ versie van het
periodiek systeem, gebeurde het ongelooflijke: een Franse chemicus ontdekte een
nieuw element (hij noemde het gallium), dat een atoommassa van 69 en de
eigenschappen van de boriumgroep bleek te hebben, waardoor het in het systeem
inderdaad terechtkwam tussen aluminium en uranium, zoals Mendelejev had
voorspeld. Vijf jaar later ontdekte een Duitse chemicus een stof die hij germanium
noemde en die wat atoommassa en eigenschappen betreft perfect paste op de door
Mendelejev voorziene plaats tussen silicium en tin. Niemand kon nu nog langer
twijfelen aan het periodiek systeem van Mendelejev …
Een belangrijke stap was nu gezet: in de grote hoeveelheid elementen waaruit het
universum is opgebouwd is een ordening aangebracht waaruit blijkt dat er een
samenhang is tussen de chemische eigenschappen van atomen en hun massa.
Maar de vraag wat de oorzaak is van die samenhang: die moest nog beantwoord
worden.
13
periodiek systeem • werkbladen
♠
Wat vind jij persoonlijk de meest indrukwekkende prestatie van de wetenschap?
Voor wetenschappers zelf, en meer bepaald voor natuur- en scheikundigen is dat de
ontdekking van het atoom. Stel je maar eens voor: atomen zijn zo onbegrijpelijk klein
dat er wel tien miljoen naast en boven elkaar liggen op het punt dat aan het eind van
deze zin staat. Dit kleine stipje drukinkt bevat veel meer atomen dan er sterren in de
Melkweg zijn…En dat zijn er 100 miljard. Zelfs de allersterkste microscopen zijn nog
een miljoen maal te zwak om een atoom direct te kunnen zien.
Hoe komt het dan dat onderzoekers toch hebben kunnen raden dat het heelal uit
atomen is samengesteld? Wel, in de allereerste plaats gebruikten ze het
belangrijkste instrument dat ze hadden, namelijk hun hersens. Door slim te gissen en
hypothesen te bedenken bouwden ze langzaam maar zeker een theorie op hoe
atomen eruitzien en wat hun kenmerken zijn. Dat gebeurde echter niet van de ene
dag op de andere.
In de tekst hieronder vind je een stuk van de eeuwendurende ‘ontdekkingsreis’ terug.
De drie andere leden van je groep krijgen elk hun eigen stuk tekst te lezen en dat
beschrijft telkens een ander deel van de ontdekkingsreis. Lees je eigen stuk
aandachtig, zodat je straks de informatie die jij hebt gelezen, kan vertellen aan de
drie anderen en jullie alle vier samen de hele reis kunnen reconstrueren. Kijk ook
goed naar de afbeeldingen die bij de tekst staan.
14
periodiek systeem • werkbladen
Voor de ontwikkeling van het inzicht
in de atomen was in 1869 een
belangrijke stap gezet: in de grote
hoeveelheid elementen waaruit het
universum is opgebouwd werd door
de
Russische
chemicus
Mendelejev
een
ordening
aangebracht waaruit blijkt dat er
een samenhang is tussen de
chemische eigenschappen van
atomen en hun massa. Maar de
vraag wat de oorzaak is van die
samenhang:
die
moest
nog
beantwoord worden.
Een tipje van de sluier kon worden opgelicht dankzij onderzoek naar het verschijnsel
elektriciteit. Tijdens de negentiende eeuw werden er telkens weer nieuwe elektrische
uitvindingen gedaan, zonder dat men eigenlijk goed wist wat deze uitvindingen
mogelijk maakte, met andere woorden wat elektrische stroom eigenlijk was. Heel wat
experimenten werden opgezet, maar elektrische stroom kon als zodanig niet los van
de koperen leiding waardoor hij stroomde worden waargenomen. En dat bemoeilijkte
het onderzoek natuurlijk in grote mate. Er kwam verandering toen een Duitse
glasblazer erin slaagde om een glazen buis te vervaardigen die luchtledig was. Toen
aan beide uiteinden van deze buis een koperstaafje werd geplaatst en de staafjes
werden verbonden met een batterij, ontstond een groot spanningsverschil tussen de
twee staafjes en begon de buis te gloeien. Het leek of er zich iets van de ene kant
van de buis naar de andere kant bewoog. Na veel
discussie in de wetenschappelijke wereld en na
verdere
experimenten,
kwam
de
Engelse
natuurkundige Joseph Thomson tot het besluit dat
de gloed ontstond doordat kleine deeltjes koper zich
van het negatief geladen staafje losmaakten onder
invloed van de elektromagnetische kracht van de
batterij.
Omdat de deeltjes ontstonden aan het negatief geladen staafje en aangetrokken werden door het positief
geladen staafje, kon het niet anders dan dat die deeltjes negatief geladen waren. Thomson noemde de
negatief geladen deeltjes elektronen. Door wiskundige
formules toe te passen slaagde Thomson er ook in uit
te rekenen hoeveel een elektron woog in verhouding
15
periodiek systeem • werkbladen
tot een atoom. De verrassing was groot: een elektron is 2000 keer lichter dan een
waterstofatoom en 120 000 keer lichter dan een koperatoom! Tot op dat ogenblik
hadden wetenschappers altijd gedacht dat atomen de kleinste delen van het heelal
waren, maar nu bleken diezelfde atomen in vergelijking met elektronen giganten te
zijn…
Het atoommodel dat Thomson in 1804 voorstelde zag er
als volgt uit: het atoom is als een massieve bol waarin de
positieve lading homogeen verdeeld is en de deeltjes
negatieve lading (de elektronen) gelijkmatig verdeeld
zitten aan de buitenkant van de bol.
Ondertussen waren nog andere onderzoekers in
hun laboratorium tot de bevinding gekomen dat
bepaalde grondstoffen een vorm van straling uitzenden. Dat was bijvoorbeeld het geval bij
uranium en bij de twee grondstoffen die door de
Poolse
scheikundige
Marie
Curie
werden ontdekt, polonium en radium. Zij was het
ook die de term ‘radioactief’ bedacht, om te
verwijzen naar alle stoffen die straling uitzenden.
Toen de Engelse natuurkundige Ernest Rutherford
deze straling nader onderzocht stelde hij vast dat de
straling bestond uit een stroom van deeltjes die als
het ware werden uitgespuwd door de atomen van de
radioactieve stof. In bepaalde gevallen ging het om
positief geladen deeltjes die heliumatomen bleken te
zijn (dan sprak Rutherford van alfa-deeltjes en alfastraling), in andere gevallen om negatief geladen
deeltjes (hiervoor gebruikte hij de termen betadeeltjes en beta-straling). In 1909 deed Rutherford
een experiment waarbij hij een radioactieve stof voor
een uiterst dunne goudfolie plaatste en deze liet
bestralen met alfa-deeltjes vanuit de radioactieve
stof. Goudatomen zijn groot en zwaar en laten zich
16
periodiek systeem • werkbladen
niet zo gemakkelijk in beweging brengen door kleine, lichte heliumatomen en ze
zouden de alfa-deeltjes tegenhouden en wegkaatsen naar de punten A en B van de
fotografische plaat. Wat bleek bij de uitvoering van de proef? Dat slechts 1% van de
alfa-deeltjes die op de folie worden gestraald worden weg gekaatst en 99% dwars
door de goudfolie heen gaan.
De conclusie die volgens Rutherford uit het experiment moest worden getrokken was
de volgende: atomen zijn geen massieve massa (zoals Dalton en Thomson steeds
hadden beweerd), maar bestaan uit een harde centrale kern; en de elektronen zitten
niet vastgebakken in de kern, maar cirkelen eromheen, in een soort van wolk. Om je
een betere voorstelling te kunnen maken van de verhouding kern-elektronenwolk,
neem je een ruimte zo groot als een sporthal: dat is de atoom; de kern heeft een
grootte van een zandkorrel en bevindt zich in het midden van de ruimte; in de hele
ruimte van de hal suizen de elektronen met een enorme vaart rond de zandkorrel. De
reden dat de meeste alfadeeltjes door de goudfolie raakten, was omdat ze niet tegen
de kern waren opgebotst, maar zonder moeite
doorheen de wolk gesuisd.
Dat een kern en zijn wolk negatief geladen
deeltjes bij elkaar blijven komt doordat de kern
positief geladen is. Bij verder onderzoek naar
mogelijke bouwstenen van de atoomkern kwam
Rutherford tot de vaststelling dat de kern kon
bestaan uit meerdere deeltjes. Hij noemde ze
protonen. Met de ontdekking van de protonen
was meteen ook de verklaring gevonden van het
verschil tussen grondstoffen. Want wat bleek?
Elke grondstof heeft een ander aantal protonen.
Wat waterstof waterstof maakt is het feit dat de kern uit 1 proton bestaat, en helium is
helium doordat de kern uit 2 protonen bestaat. En dat geldt voor alle grondstoffen:
17
periodiek systeem • werkbladen
alle atomen met 6 protonen zijn koolstofatomen, die met 8 protonen zijn
zuurstofatomen, enz.
Uit het feit dat de protonen, die toch allemaal een positieve lading hebben, elkaar niet
afstoten leidde Rutherford het bestaan van een tweede soort deeltje in de atoomkern
af: de neutronen. Ze zouden zich tussen de protonen bevinden en geen lading
hebben, waardoor ze werken als een soort lijm die de protonen in de kern
samenhoudt, zo was de hypothesis van Rutherford. In 1931, toen de Engelsman
Chadwick het bestaan van neutronen via allerlei experimenten aantoonde, werd de
hypothese van Rutherford bevestigd.
Het atoommodel van Rutherford had echter één
zwakke plek: omdat positieve en negatieve
ladingen elkaar aantrekken, zouden de kleine en
lichte elektronen uiteindelijk toch worden
aangetrokken door de veel sterkere protonen en
bovenop de kern belanden. De Deense
natuurkundige Niels Bohr kwam in 1913 met een
voorstel dat de atoomtheorie redde.Volgens hem
konden elektronen niet zomaar willekeurig rond de
atoomkern cirkelen, maar volgden ze vaste banen
en verzamelden ze zich in een soort ‘schil’. Zolang
de elektron zich in zo’n schil bevond, zou hij niet
op de atoomkern terechtkomen, maar bleef hij
rondjes draaien.
Volgens Bohr konden er verschillende
elektronen in dezelfde schil aanwezig zijn. En
ieder atoom had een beperkt aantal schillen.
Bohr ontdekte vaste regels voor het aantal
elektronen in iedere schil en voor het aantal
schillen dat een atoom kan hebben.
18
periodiek systeem • werkbladen
OPDRACHT
1
De geschiedenis van de atoom werd in deze opdracht opgedeeld in vier fasen.
1.1 Elk van jullie heeft de beschrijving van één fase doorgenomen en moet nu een
geschikte titel voor zijn/haar fase kiezen.
Je kunt kiezen tussen de volgende mogelijkheden:
De eerste stappen naar een theorie
De ontdekking van radioactieve stoffen
De zoektocht naar ‘grondstoffen’
Netjes op rijen
Van model naar model, en het wordt steeds beter…
Vier oerelementen
Een onrechtstreeks bewijs voor de atoomtheorie
Welke keuze maak je? Of verzin je liever zelf een titel voor je deel?
1.2 Maak je keuze kenbaar aan de andere leden van je groep en verantwoord ze
door hen te vertellen wat er in jouw stuk tekst precies wordt verteld. Maak daarbij
gebruik van de afbeeldingen hieronder die je herkent omdat ze bij jouw stuk tekst
voorkwamen.
Elke titel kan slechts één keer worden gebruikt …
2
Beslis samen in welke volgorde de afbeeldingen moeten gelegd worden om de hele
ontdekkingsreis visueel weer te geven.
3
Beslis samen wat de volgorde is van de vier stukken tekst en nummer de bladen of
niet ze samen tot één geheel.
Neem de tekst mee naar huis en herlees het hele verhaal.
19
periodiek systeem • werkbladen
20
periodiek systeem • werkbladen
21
periodiek systeem • werkbladen
22