Hoofdstuk 1 Atoombouw

Hoofdstuk 1
Atoombouw
1.1. Stapstenen in de evolutie van het atoommodel
Atoomtheorie van Dalton (1808)
Aristoteles
384-322 v.C.
Antoine Lavoisier
1743-1794
Reeds voor onze jaartelling werd druk gefilosofeerd over de bouw van
de materie. In elke Griekse kroeg vond je wel een tafeltje met
filosofen die over dit onderwerp debatteerden. Zij waren het oneens
over de structuur van het suikerklontje1 dat bij de koffie2 geserveerd
werd. De vraag die zij zich stelden was de volgende: “Wat gebeurt er
als we dit klontje in twee breken, en nog eens in twee breken, en nog
eens, en nog eens…?”. Volgens sommigen (Aristoteles) kon je dat tot
in het oneindige blijven doen. Volgens anderen (Democritus) waren
er grenzen en hield je op een bepaald ogenblik een stukje suiker over
dat niet meer verder kon gesplitst worden.
Volgens Democritus bestaat materie uit een oneindig aantal
ondeelbare deeltjes, atomen, die bewegen in een oneindige, volstrekt
lege ruimte. Deze deeltjes bestaan alle uit dezelfde oermaterie maar
ze verschillen onderling in grootte, vorm en de positie die ze ten
opzichte van elkaar kunnen innemen.
Alle materie is opgebouwd uit zeer kleine niet meer verder te
splitsen deeltjes, vandaar de naam atomen.
Grieks: ’ατοµοσ (onsplitsbaar); ’ατοµειυ (niet meer te snijden);
’ατεµυω (ondeelbaar).
Democritus
460-380 v.C.
De experimenten van Lavoisier waren de eerste chemische experimenten die
kwantitatief werden uitgevoerd. Hij bewees dat wanneer een stof een
chemische reactie ondergaat, de totale massa van begin tot eind hetzelfde
blijft. Hij verbrandde fosfor en zwavel in lucht, en toonde aan dat de massa
van de producten van die chemische reactie groter was dan de massa van
de uitgangsstoffen. Maar, deze massastijging was gelijk aan de massadaling
van de lucht. Deze experimenten lagen aan de basis van de wet van
massabehoud.
Als vooraanstaand belastinginner van het Ancien Régime werd Lavoisier
gezien als een vijand van de revolutie, en in 1794 werd hij op 50-jarige
leeftijd geguillotineerd.
Guillotine
In 1869 publiceerde Mendeleev een tabel waarbij de elementen met
analoge eigenschappen gegroepeerd werden. Dat deed het
vermoeden rijzen dat in de gegroepeerde atomen één of meer gelijke
delen zitten, waaruit volgt dat een atoom deelbaar zou zijn.
Dimitri Mendeleev
1834-1907
Eerste tabel van Mendeleev
1 Voor het zoeten van eten en drank gebruikten de mensen in de Oudheid meestal honing. De Indiërs wisten als eersten
gekristalliseerde suiker uit suikerriet te halen. Hiervoor persten ze sap uit suikerriet. Ze kookten dat vervolgens in tot een
bruine, zachte stroop, die later uitkristalliseerde tot suiker.
2 Koffie werd in de 17e eeuw vanuit Arabië via Turkije in Europa geïntroduceerd. In Arabië was koffie drinken aan het eind van
de 15e eeuw een dagelijks ritueel. Arabieren worden dan ook beschouwd als de eerste koffiedrinkers.
Chemie Interactief Light
John Dalton
1766-1844
Leo Bergmans & Julien Van paemel
In 1803 presenteerde Dalton zijn atoomtheorie tijdens een
lezing. Zijn belangrijkste werk, waarin deze theorie
verscheen, is “A new system of chemical philosophy”
(1808).
Ook op andere gebieden heeft Dalton baanbrekend werk
verricht. Hij was kleurenblind en in 1794 publiceerde hij
het
eerste
wetenschappelijke
artikel
over
kleurenblindheid: “Extraordinary facts relating to the vision
of colours”. Deze afwijking werd later naar hem genoemd:
daltonisme3.
Symbolen volgens Dalton
Atoomtheorie van Dalton
Alle materie is opgebouwd uit massieve niet meer te delen bollen, de atomen.
De atomen van de verschillende elementensoorten (toen 36) onderscheiden zich van elkaar door
verschillende straal en massa.
Atomen van verschillende elementen kunnen zich in eenvoudige verhoudingen met elkaar binden tot
bouwstenen van nieuwe stoffen.
Wanneer zulke verbindingen worden ontbonden, vinden we de dezelfde atomaire bouwstenen terug.
Ontdekking van de elementaire deeltjes
Tengevolge van proeven met de kathodestraalbuis4 werden achtereenvolgens de elektronen en de
protonen ontdekt. In 1879 toonde Crookes duidelijk aan dat kathodestralen niets anders zijn dan een
stroom negatief geladen deeltjes die zich van de kathode naar de anode bewegen. Stoney noemde
ze in 1891 elektronen naar het Griekse elektron (barnsteen), een steen die papiersnippers aantrekt
wanneer hij eerst met een lap stof is gewreven.
Na de ontdekking van de elektronen verwachtte men ook positieve atoomdelen te ontdekken. Dat
gebeurde dan ook in 1886 toen Goldstein de straling onderzocht die door kanaaltjes, geboord in de
kathode, kwam. Deze straling bleek zich van de anode naar de kathode te bewegen in tegengestelde
richting van de kathodestralen. Onderzoek van deze uit positieve ionen bestaande straling leidde tot
de ontdekking van de protonen.
Sir William Crookes
1832-1919
Kathodestraalbuis
3
Bij gehele of gedeeltelijke kleurenblindheid of daltonisme worden kleuren niet volledig normaal waargenomen. Meestal treedt
kleurenblindheid op als één of meer van de drie typen kegeltjes in het oog niet goed of helemaal niet werken. Kleurenblindheid
is meestal een geslachtsgebonden erfelijke aandoening.
Volgens Dalton was kleurenblindheid te wijten was aan het verkleuren van de ooglens. Volgens zijn testament moesten na zijn
dood zijn ogen verwijderd worden en zijn ooglenzen tegen het licht bekeken worden. Zijn hypothese bleek echter niet correct.
4
Een kathodestraalbuis is een luchtledige glazen buis waarin, aan beide uiteinden, twee elektrodes zitten: een kathode
(negatief) en een anode (positief). Als de kathode verhit wordt, ontstaat er een straling die naar de anode stroomt. De
kathodestralen wijken af in een magnetisch en in een elektrisch veld.
Atoommodel
2
Chemie Interactief Light
Leo Bergmans & Julien Van paemel
Beeldschermen
De televisieschermen die we nu kennen zagen er vroeger enigszins anders uit:
Hetzelfde geldt trouwens voor onze computerschermen:
CRT-beeldscherm (Cathode Ray Tube)
De eerste televisie- en computerschermen waren van het CRT-type (Cathode Ray Tube =
kathodestraalbuis).
De kathodestraalbuis (vacuum = implosiegevaar) bestaat uit een cilindrisch deel
(hals) en een conisch verlopende overgang
naar een beeldscherm (vroeger tamelijk
bol, tegenwoordig bijna vlak). In de hals
bevindt zich de kathode en de anode
(elektronenkanon).
Hier
wordt
een
elektronenbundel opgewekt (kathode) en
versneld (anode). Vervolgens doorloopt de
bundel twee magnetische velden waarin hij
afgebogen wordt. Deze velden worden
opgewekt door twee spoelen die uitwendig
over de hals geschoven zijn.
Bij zwart-wit/monochroom beeldschermen is er één elektronenkanon aanwezig.
Op de plaats waar de elektronenstraal het fluorescentiescherm treft, gaat dit oplichten met een
intensiteit die evenredig is met de sterkte van de elektronenstraal. De elektronenstraal wordt door het
afbuigingsmechanisme razendsnel (horizontale lijnen die elkaar verticaal opvolgen) over het volledige
scherm gestuurd. Op die manier ontstaat een beeld. En een fractie van een seconde later is er al een
nieuw beeld gevormd.
Kleurenbeeldschermen bevatten drie elektronenkanonnen, één voor elke kleur (blauw, rood, groen).
Atoommodel
3
Chemie Interactief Light
Leo Bergmans & Julien Van paemel
LCD-beeldscherm (Liquid Crystal Display)
De werking berust op het effect dat de vloeibare
kristallen (LC: liquid crystal = materiaal dat zich in
een toestand bevindt die eigenschappen van vaste
kristalfase en vloeibare fase in zich verenigt) in het
scherm in staat zijn om de polarisatierichting van
licht te draaien als er een elektrische spanning op
wordt gezet.
Wanneer de lichtstraal het polarisatiefilter passeert
wordt alleen het licht met één specifieke
polarisatierichting doorgelaten: gepolariseerd licht.
Vervolgens passeert dit gepolariseerd licht via de
glasplaat het LC, waardoor de polarisatierichting
verandert door de gedraaide structuur van het LC.
Via de tweede glasplaat komt het licht bij een
tweede polarisatiefilter dat ook alleen licht doorlaat
met één bepaalde polarisatierichting. Wanneer dit overeenkomt met de polarisatierichting van het licht
uit de LC, dan zal er dus een hoeveelheid licht door de lcd-cel gaan en kan de waarnemer een
opgelicht punt zien. Wordt er een spanningsverschil op de LC-laag aangelegd, dan wordt de gedraaide
structuur van de LC-moleculen verstoord en zullen ze zich allemaal richten. De polarisatierichting van
het licht zal nu niet veranderen en de lichtstraal zal dus het tweede filter niet kunnen passeren: de
waarnemer ziet een zwart punt. Een combinatie van enorm veel van deze (al of niet opgelichte)
punten (pisels) levert dan het beeld.
Plasmascherm (PDP = Plasma Display Panel)
Een plasmascherm werkt zoals de
tl-buis. In een afgesloten ruimte
zorgt een elektrische spanning
ervoor dat een geïoniseerd gas
(een zogeheten plasma; in plasmaschermen meestal bestaand uit
neon of een neon-helium-mengsel)
licht geeft. In het plasmascherm
worden
evenwijdig
lopende
koperen draden aangebracht. Vlak
daarboven ligt een tweede laag
met koperen draden die loodrecht
op de daaronder liggende draden
staan. Een beeldpunt op een
plasmascherm ontstaat doordat er
een
spanningsverschil
wordt
aangebracht op één onderliggende
draad (kathode) en één draad in de
tweede laag (anode). Dat beeldpunt ontstaat op het kruispunt van de twee draden. Per beeldpunt
moeten dan, om een kleurenscherm te krijgen, nog eens drie basiskleuren kunnen weergeven
worden.
Atoommodel
4
Chemie Interactief Light
Leo Bergmans & Julien Van paemel
Men verwachtte dat de massa van het atoom recht evenredig met het aantal protonen moest
toenemen. Dit bleek niet het geval. Daardoor veronderstelde men dat er nog andere niet-geladen
massadeeltjes in het atoom moesten voorkomen. Men noemde deze deeltjes neutronen.
In 1932 kondigde Chadwick aan dat hij het bestaan van neutronen experimenteel kon aantonen.
James Chadwick
1891-1974
Experiment van Chadwick
De α-deeltjes5 stoten ongeladen deeltjes (neutronen) uit het beryllium. Die neutronen zorgen ervoor
dat er protonen vrijkomen uit de paraffine. Die protonen worden op hun beurt gedetecteerd door
flitsjes op de fluorescerende plaat.
Elektron
Proton
Neutron
Elementaire deeltjes
Symbool
Lading6
e
-1
p
+1
n
0
Massa7
0,000549 u
1,007276 u
1,008665 u
Atoommodel van Rutherford-Bohr
Atoommodel van Thomson
Volgens Thomson (±1900) bestaat een atoom uit
een massieve bol positief geladen materie
(protonenmassa), waarin negatief geladen deeltjes
zitten
(elektronen).
Vandaar
de populaire
uitdrukkingen zoals het watermeloenmodel, het
krentenbroodmodel, het plumpuddingmodel.
Joseph J. Thomson
1856-1940
Atoommodel van Thomson
Ontdekking van de atoomkern
Lord Ernest Rutherford
1871-1934
Rutherford zag in het beschieten van een dun
(0.0004 cm) goudblaadje de mogelijkheid de
kennis van het atoom uit te breiden of de
bevestiging te krijgen van het bestaande model
van Thomson.
Rutherford meende dat zijn afgeschoten
projectielen (α-deeltjes) op de massieve
metaalatomen zouden terugkaatsen. Bij de
proefnemingen bleek dat op honderdduizend
projectielen er slechts 1 tot 5 werden
teruggekaatst. De rest vloog er recht door of
werd afgebogen.
Dit leidde tot een nieuw model.
Experiment van Rutherford
5
α-deeltjes zijn positief geladen heliumkernen.
Lading t.o.v. de elementaire lading 1,6.10-19 C.
7
1 u = 1,66.10-27 kg.
6
Atoommodel
5
Chemie Interactief Light
Leo Bergmans & Julien Van paemel
Bijna alle massa is geconcentreerd in de kern (diameter slechts het 1/100000 van die van het gehele
atoom): massarijke protonen en neutronen.
De elektronenmantel is een grote ijle ruimte met daarin rond de kern bewegende elektronen. De
draaiende beweging is nodig opdat anders de elektronen op de kern zouden vallen.
Postulaten van Bohr
Niels Bohr
1885-1962
Waterstofgas, opgesloten in een glazen buis
onder zeer lage druk, zendt paars licht uit bij
(elektrische) excitatie. Dit licht blijkt te bestaan
uit 4 verschillende golflengtes (kleuren): het
(zichtbare) lijnenspectrum van waterstof.
Bohr verklaarde dit fenomeen door aan te
nemen dat het elektron in de elektronenmantel
slechts welbepaalde energieën kon bezitten.
Door opname van energie kon dat elektron
naar een hoger energieniveau verhuizen, maar
bij terugkeer naar het oorspronkelijke niveau
werd die energie terug uitgestraald onder de
vorm van licht met een welbepaalde golflengte.
Spectroscopie
Postulaten van Bohr
Hoofdenergieniveaus – Hoofdkwantumgetal
n
De elektronen kunnen zich overeenkomstig de kwantumtheorie slechts op
bepaalde hoofdenergieniveaus (schillen) bevinden waar ze geen energie
uitstralen.
Wanneer een elektron overgaat van een hogere naar een lagere schil gebeurt
dit door het uitzenden van straling met een golflengte en een frequentie
overeenkomstig de energie van de uitgestuurde straling.
Volgens Bohr waren er zeven schillen. Hij noemde ze K- , L- , M- , … , Qschil. De nummers van de schillen noemen we nu hoofdkwantumgetallen
n (1 , 2 , … , 7).
Nevenkwantumgetallen en subniveaus
Bij spectroscopisch onderzoek van andere gassen dan waterstofgas (waterstof is het eenvoudigste atoom, met slechts één
elektron) bleken de spectra véél meer lijnen te bevatten, meer dan mogelijk volgens de energie-overgangen tussen de schillen.
Het vermoeden rees dan ook dat er meer energieniveaus mogelijk waren dan Bohr oorspronkelijk dacht (7).
Nader onderzoek leverde onderstaande resultaten op.
Atoommodel
6
Chemie Interactief Light
Leo Bergmans & Julien Van paemel
Subniveaus
Nevenkwantumgetal
l
De hoofdenergieniveaus, uitgezonderd het
eerste, bevatten een aantal subniveaus
waarvan de energieën lichtjes verschillen.
Hoofdniveau
Hoofdkwantumgetal
n
Naam
Aantal
1
K
1
2
L
2
3
M
3
4
N
4
5
O
5
6
7
Atoommodel
P
Q
6
7
Subniveaus
Nevenkwantumgetal
Naam
l
1s
2s
2p
3s
3p
3d
4s
4p
4d
4f
5s
5p
5d
5f
6s
6p
6d
6f
7s
7p
7d
7f
0
0
1
0
1
2
0
1
2
3
0
1
2
3
4
0
1
2
3
4
5
0
1
2
3
4
5
6
7
Chemie Interactief Light
Leo Bergmans & Julien Van paemel
Magnetische kwantumgetallen en banen
Bij verder spectroscopisch onderzoek bleek dat er in het spectrum veel meer lijnen waar
te nemen waren als er een zeer sterk magneetveld ingeschakeld werd rond de buis met
het gas. Hieruit werd geconcludeerd dat de elektronen in een bepaald subniveau
verschillende banen konden volgen, die, als gevolg van hun oriëntatie, anders beïnvloed
werden door het magneetveld. Op sommige banen kregen de elektronen een iets hogere
energie, op andere een iets lagere. Daardoor verschenen er meer lijnen in het spectrum,
die echter verdwenen van zodra het magneetveld werd uitgeschakeld. Enkel in een
magneetveld hadden die elektronen dus een verschillende energie.
Magnetische niveaus of banen - Magnetisch kwantumgetal
ml
In elk subniveau hebben de elektronen een aantal banen ter beschikking. Elektronen die verschillende
banen volgen in een bepaald subniveau hebben alle dezelfde energie (tenzij in een sterk
magneetveld).
Subniveau
s
p
d
f
Atoommodel
Aantal banen
1
3
5
7
Magnetische kwantumgetallen
0
-1 , 0 , +1
-2 , -1 , 0 , +1 , +2
-3 , -2 , -1 , 0 , +1 , +2 , +3
8
Chemie Interactief Light
Leo Bergmans & Julien Van paemel
Zeemaneffect – Spin van het elektron – Spinkwantumgetal
Pieter Zeeman
1865-1943
Zeeman stelde vast, mede door het feit dat hij kon beschikken over een
spectroscoop met hoge resolutie, dat de lijnen in het spectrum, dat
opgenomen werd in een magneetveld, een dubbelstructuur vertoonden: het
waren twee lijntjes zéér dicht bij elkaar (tot dan toe waargenomen als één
lijn: doubletstructuur.
Hij verklaarde dit door aan te nemen dat in elke baan (magnetisch niveau)
twee elektronen konden bewegen, die een antiparallelle spin vertoonden:
ze tolden rond hun eigen as in tegengestelde zin.
Spin van het elektron - Spinkwantumgetal
ms
In elke baan (magnetisch niveau) kunnen maximaal twee elektronen. Ze
hebben een antiparallelle spin.
Golfmechanisch atoommodel – Orbitaalmodel
Dubbelspleetexperiment
Louis-Victor de Broglie
1892-1987
Op grond van het feit dat elektronenbundels eigenschappen van het licht
vertoonden, meende de Broglie dat deze uiterst kleine bewegende
deeltjes een golfkarakter moesten vertonen. Zijn vermoedens werden
bevestigd o.a. door het dubbelspleetexperiment.
Bij dit experiment wordt een elektronenbundel afgevuurd naar een
metalen plaat waarin zich twee spleten bevinden.
In locaties A verwachten we een grote elektronendichtheid. Er worden
daar echter praktisch geen elektronen waargenomen.
In locatie B, waar we de elektronen helemaal niet verwachten, is echter
de elektronendichtheid het grootst.
Elektronen gedragen zich precies als watergolven (rimpeltank) en licht. Ze
vertonen een golfkarakter.
Voor de beschrijving van dit driedimensionale golfverschijnsel heeft men
beroep gedaan op de golfmechanica. Dit heeft geleid tot de beroemde
Schrödinger-vergelijking die het verloop weergeeft van de amplitude Ψ
(psi) van de golfbeweging in functie van de energie van het atoom.
In het golfmechanisch model beschouwt men het elektron niet als een snel bewegend materiedeeltje,
maar wel als een energiegolf (vergelijk met radiogolven) die men op bepaalde plaatsen rond de kern
gewaarwordt. De ruimte rond de kern waarin men het elektron voldoende sterk gewaarwordt, noemt
men een orbitaal8.
8
Binnen een orbitaal is de gewaarwordingsintensiteit van het elektron niet overal even groot!
Atoommodel
9
Chemie Interactief Light
Leo Bergmans & Julien Van paemel
Elektronen in een s-subniveau zijn te voelen in
alle mogelijke richtingen rond de kern. Een sorbitaal heeft de vorm van een bol.
Elektronen in een p-subniveau hebben een
preferentiële richting: volgens die richting is de
gewaarwording van het elektron het grootst.
p-orbitalen hebben de vorm van een halter.
In elk p-subniveau zijn er drie halters, elk
gesitueerd volgens een as van het rechthoekige
assenkruis.
1.2. Elektronenconfiguratie
In het Periodiek Systeem van de Elementen (PSE) vinden we de symbolen van alle
elementen terug, samen met enkele belangrijke gegevens.
Atoomnummer Z
(Rangnummer , Plaatsnummer , Protonengetal)
Het atoomnummer geeft het aantal (positieve) protonen in de kern weer. Het aantal
(negatieve) elektronen in de elektronenmantel is daaraan gelijk, want een atoom is
elektrisch neutraal.
Symbool van het element
Atoomnummer Z = aantal protonen in de kern = aantal elektronen in de elektronenmantel.
De elektronen zijn volgens een bepaald stramien verdeeld over de verschillende niveaus en banen.
Hierbij moet slechts één regel in acht genomen worden: regel van de minimale energie.
Er zijn geen elektronen aanwezig in een bepaald subniveau als niet alle voorgaande subniveaus
opgevuld zijn.
In een bepaald subniveau wordt eerst één elektron in elke baan/orbitaal geplaatst (de verschillende
banen/orbitalen hebben immers dezelfde energie) alvorens elektronenparen te vormen (twee
elektronen in dezelfde baan/orbitaal plaatsen vergt energie): regel van de maximale multipliciteit.
(Regel van Hund)
De twee elektronen in een zelfde baan/orbitaal hebben een tegengestelde spin. (Pauli-verbod: In
een atoom komen geen twee elektronen voor met vier gelijke kwantumgetallen. Dat heeft voor gevolg
dat in een baan/orbitaal maximaal twee elektronen met tegengestelde spin kunnen voorkomen.)
Atoommodel
10
Chemie Interactief Light
Leo Bergmans & Julien Van paemel
Energievolgorde van de subniveaus
De subniveaus moeten dus volgens stijgende energie-inhoud opgevuld worden. Dit lijkt zeer
eenvoudig, maar de realiteit is iets meer ingewikkeld. Door het feit dat het energieverschil tussen de
hoofdniveaus afneemt hebben sommige subniveaus van een hogere schil een lagere energie-inhoud
dan sommige subniveaus van een lagere schil. Het energieschema vind je hieronder links.
Het is belangrijk om deze volgorde te kennen. Een hulpmiddel daarvoor vind je hieronder rechts.
Dit levert volgende elektronenconfiguraties op:
1H
1s
2He
1s
3Li
1s
4Be
1s
5B
1s
6C
1s
7N
1s
8O
1s
9F
1s
10Ne
1s
11Na
1s
12Mg
1s
13Al
1s
Atoommodel
1
We schrijven eerst de naam van het subniveau
(1s), gevolgd door het aantal elektronen in het
subniveau (1), geschreven als een exponent.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2s
2s
1
2
2
1
2
2
2
3
2
4
2
5
2
6
2
6
1
2
6
2
2
6
2
2s 2p
2s 2p
2s 2p
2s 2p
2s 2p
2s 2p
2s 2p 3s
2s 2p 3s
1
2s 2p 3s 3p
11
Chemie Interactief Light
14Si
1s
15P
1s
16S
1s
17Cl
1s
18Ar
1s
19K
1s
20Ca
1s
21Sc
1s
2
2
2
2
2
2
2
2
Leo Bergmans & Julien Van paemel
Na het 3p-subniveau volgt niet het 3d- maar
wel het 4s-subniveau (lagere energie-inhoud).
2
6
2
2
2
6
2
3
2
6
2
4
2
6
2
5
2
6
2
6
2
6
2
6
1
2
6
2
6
2
2
6
2
6
1
2s 2p 3s 3p
2s 2p 3s 3p
2s 2p 3s 3p
Na het 3p-subniveau volgt het 4s-subniveau
dat we eerst opvullen. Nadien volgt het 3dsubniveau.
Nochtans schrijven we (bij voorkeur) het 4sniveau achteraan, zodat de subniveaus van een
zelfde hoofdniveau gegroepeerd blijven. Dit
biedt in veel gevallen bepaalde voordelen.
2s 2p 3s 3p
2s 2p 3s 3p
2s 2p 3s 3p 4s
2s 2p 3s 3p 4s
2s 2p 3s 3p 3d 4s
2
Enkele elementen hebben een afwijkende configuratie, o.a.:
24Cr
1s
29Cu
1s
2
2
2
6
2
6
4
2
2
6
2
6
9
2
2s 2p 3s 3p 3d 4s
2s 2p 3s 3p 3d 4s
⇒
⇒
1s
1s
2
2
2
6
2
6
5
2
6
2
6
10
2s 2p 3s 3p 3d 4s
2s 2p 3s 3p 3d
1
4s
1
Deze afwijkende configuratie wordt verklaard door aan te nemen dat halfgevulde en volledig gevulde
subniveau extra stabiel zijn:
Het zijn de elektronen, of beter, de elektronenverdelingen van de buitenste schil die de chemische
eigenschappen van een atoom bepalen.
Onder buitenste schil verstaan we de verzameling van subniveaus met hoogste
hoofdkwantumgetal.
De gewaarwording van de elektronen rond de kern kunnen we met een orbitaal voorstellen. Deze
orbitalen verschillen in afmetingen naargelang de waarde van n. Hoe groter het hoofdkwantumgetal,
hoe uitgestrekter het orbitaal.
Op die manier krijgen de atomen een ruimtevormelijk karakter en krijgen we meer inzicht omtrent de
ruimtelijke structuren van atomen.
Atoommodel
12
Chemie Interactief Light
Leo Bergmans & Julien Van paemel
Voorbeeld
34Se
1s
2
2
6
2
6
10
2s 2p 3s 3p 3d
2
4
4s 4p
1.3. Elementen en isotopen
De massa die we in het PSE bij elk element terugvinden is de gemiddelde relatieve
atoommassa van alle isotopen, rekening gehouden met hun procentueel voorkomen
in de natuur.
Van het element chloor bijv. komen er in de natuur twee atoomsoorten (nucliden)
voor. Beide hebben uiteraard hetzelfde atoomnummer (Z = 17) en ze hebben beide
dus 17 protonen in de kern en 17 elektronen in de elektronenmantel. Nochtans is de
massa van het ene nuclide iets groter dan die van het andere nuclide.
Kern
17 protonen en 18 neutronen
=
35 nucleonen
17 protonen en 20 neutronen
=
37 nucleonen
Massagetal
Nucleonengetal
A
35
37
Voorstelling
35
35
Cl
17 Cl of
37
37
Cl
17 Cl of
Ongeacht waar de chloor vandaan komt of hoe we hem bereiden, steeds hebben 75,4 % van de nucliden een massagetal A =
35 en 24,6 % van de nucliden een massagetal A = 37.
De gemiddelde massa die in de tabel vermeld staat is dan ook 35,45:
35 * 75, 4 + 37 * 24, 6
100
= 35, 45
Een nuclide is een atoomsoort met een welbepaald aantal protonen en neutronen. Gaat het om
nucliden van een zelfde elementensoort dan kan men de term isotopen9 of isotope nucliden
gebruiken. Dus atomen met dezelfde plaats in het P.S. of atomen met een zelfde Z en een
verschillende A noemt men isotopen.
Van alle elementen bestaan twee of meer isotopen.
9
De term isotoop is van Griekse oorsprong en betekent gelijke plaats (isos = gelijk ; topos = plaats).
Atoommodel
13
Chemie Interactief Light
Leo Bergmans & Julien Van paemel
Element
Waterstof
Voorstelling
1
1H
Kern
1 proton
Elektronenmantel
1 elektron
Protium
2
1H
1 proton
1 neutron
1 elektron
Deuterium D
3
1H
1 proton
2 neutronen
1 elektron
Tritium T
Koolstof
12
14
6C
6C
6 protonen
6 protonen
6 neutronen
8 neutronen
6 elektronen
6 elektronen
Koolstofdatering
De isotope nucliden van koolstof ( 12 C en 14 C )
6
6
komen in een constante verhouding voor in het
koolstofdioxidegas dat in onze atmosfeer
aanwezig is. Dus ook in het koolstofdioxidegas
dat de groene planten opnemen bij de
fotosynthese en in de stoffen die zij daarbij
produceren (suikers, zetmeel, …). En dus ook in
het voedsel dat planteneters gebruiken. En dus
ook in alle levende organismen (herbivoren,
carnivoren, omnivoren).
Na afsterven en dus verbreken van de CO2uitwisseling met de atmosfeer neemt het
gehalte aan 14 C in het materiaal af door
6
radioactief verval:
14 C → 14 N + 0 e (of β)
7
-1
6
De halveringstijd van 14 C bedraagt 5736 jaar.
6
Door in het afgestorven organisme (fossiel) de verhouding tussen beide isotopen te meten en die te
vergelijken met de verhouding in de atmosfeer, kan men de ouderdom van het fossiel bepalen.
De methode heeft een bereik van zo'n 50.000 jaar10.
14
12
6 C / 6 C -verhouding in de atmosfeer in de loop der tijden onveranderd is gebleven.
Voor de laatste vijftig jaar is dit in elk geval onjuist. De verhouding is afgenomen en neemt nog steeds af ten gevolge van de
10
De methode gaat ervan uit dat de
massale vorming van CO2 door verbranding van fossiele (dus
gecompenseerd door de kunstmatige aanmaak van
14
6 C -arme) energiedragers. Deze afname wordt een beetje
14
6 C door de proeven met kernwapens en lozingen van kerntechnische
installaties.
Atoommodel
14
Chemie Interactief Light
Leo Bergmans & Julien Van paemel
Radio-isotopen
Een radio-isotoop is een isotoop die niet stabiel is, maar straling uitzendt. Daarbij ontstaat vaak een
isotoop van een ander element. (Radioactief verval)
Sommige radioactieve kernen (met een grote halfwaardetijd) komen van nature op aarde voor (235U
en 238U 40K). Andere radioactieve kernen (met een kleine halfwaardetijd) worden voortdurend
aangemaakt (isotopen van radon door verval van andere langlevende radio-isotopen , 14C door
kosmische straling).
α-verval
α-straling is een van de meest voorkomende vormen van
ioniserende straling. Een alfadeeltje bestaat uit twee protonen en
twee neutronen en is dus een heliumkern.
α-deeltjes zijn gevaarlijk als ze inwerken op weefsel: ze brengen
daarin chemische reacties teweeg. α-deeltjes zijn echter
gemakkelijk tegen te houden: een blad papier volstaat.
α-Stralers zijn daarom eigenlijk alleen
gevaarlijk als ze in het lichaam worden
opgenomen, bijvoorbeeld wanneer men
α-stralers via het voedsel of via injectie
naar binnen krijgt. Eenmaal in het
lichaam kunnen zij in hun directe
omgeving grote schade aanrichten
omdat alle energie die vrijkomt bij hun verval zich in een klein gebied om
de vervallende kern concentreert. Een andere besmettingsweg is de
blootstelling aan gasvormige α-stralers, zoals radon, dat ingeademd kan
worden en dus veel gevaarlijker is. De sterk ioniserende α-straling raakt
de binnenkant van de longen en kan daar veel
schade
aanrichten.
Bovendien
zijn
de
vervalproducten niet meer vluchtig en zetten zich
daarom af in de longen. Ook die vervalproducten
In november 2006 kwam
zijn op hun beurt weer radioactief.
210
de isotoop Po in het
Een ander voorbeeld van een α-straler die door
nieuws, nadat de
inademing gevaarlijk wordt is polonium-210, een
voormalige Russische
geheimagent Alexander
radioactieve isotoop die in sigarettenrook
voorkomt.
A X → A -4 Y + 4α
238 U → 234 Th + 4α
Z
Z -2
2
92
90
2
β -verval
β-straling is ioniserende straling, bestaande uit elektronen of
positronen (dit zijn positief geladen elektronen).
-
Bij β -straling verandert in de kern een neutron in een proton,
waarbij een elektron wordt weggeschoten.
A
A
0
−
Z X → Z +1Y + -1 e (β )
170 Tm → 170 Yb + 0 e- (β- ) (halfwaardetijd 458 y)
-1
69
70
+
Bij β -straling verandert in de kern een proton in een neutron,
waarbij een positron wordt weggeschoten.
Atoommodel
15
Chemie Interactief Light
Leo Bergmans & Julien Van paemel
A
A
0
+
Z X → Z -1Y + +1 e (β )
21Na → 21Ne + 0 e+ (β+ ) (halfwaardetijd 23 s)
11
+1
10
γ-straling
γ-straling ontstaat vaak door radioactief verval van atoomkernen. In
zuiver gammaverval verliest de atoomkern alleen energie in de
vorm van een foton. Atoomnummer en massagetal blijven gelijk.
A
A
0
Z X → Z X + 0γ
99m Tc → 99 Tc + γ (halfwaardetijd = 6 uur)
43
43
Radio-isotopen worden vaak gebruikt in de geneeskunde (radiodiagnose, radiotherapie).
Atoommodel
16