Atomen - Chemie - Theorie - Toelatingsexamens arts en tandarts

Atomen

Atomen

Voorwoord

Deze theoriehoofdstukken werden in eerste instantie samengesteld om in de theorie te voorzien die vereist is voor het afleggen van de toelatingsexamens arts en tandarts, maar heeft mettertijd een bredere bestemming gekregen, waardoor meer theorie voorzien is dan gekend moet zijn voor het toelatingsexamen. Toch is de theorie relatief beknopt gehouden: ze is vooral bedoeld voor wie het allemaal al eens gezien heeft en wil herhalen en daardoor zijn basis verstevigen. Ik denk dat ze daardoor nuttig kan zijn bij de voorbereiding van die toelatingsexamens, voor olympiades of voor een herhaling van leerstof voor het aanvangen van hogere studies. Maar als je besluit dit document te gebruiken voor welke test dan ook, check dan zelf welke leerstof gekend moet zijn op de officiële sites.
De auteur van dit document kan in geen enkel geval aansprakelijk gesteld worden voor eventuele gevolgen van of schade die kan ontstaan uit het gebruik van dit document.

Wat is chemie?

Chemie is de leer van de elementen en de verbindingen waaruit stoffen bestaan.
Een chemisch proces is een proces waarbij chemische verbindingen omgezet worden in andere chemische verbindingen.
Bijvoorbeeld, roesten van ijzer is de omzetting van ijzer in ijzeroxide, dus een chemisch proces.
Het bevriezen van water (H2O) is dan weer een fysisch proces: water komt in een andere aggregatietoestand (ijs) maar het blijft wel uit dezelfde chemische verbinding (H2O) bestaan.

Atomen en moleculen

De bouwstenen van stoffen zijn atomen, bvb. het waterstofatoom (H), het zuurstofatoom (O),…
Atomen vormen verbindingen die we moleculen noemen.
Zo is waterstofgas (H2) een verbinding tussen twee waterstofatomen.
Zo is water (H2O) een verbinding tussen twee waterstofatomen en één zuurstofatoom.
John Dalton gebruikte het atoomconcept in de vroege jaren 1800 om de verhoudingen bij chemische reacties te verklaren.

Zuivere stoffen

In een zuivere stof vinden we moleculen van één soort, bijvoorbeeld water (H2O).
Bij de zuivere stoffen onderscheiden we dan nog:
de enkelvoudige stoffen: hier zijn alle moleculen van dezelfde atoomsoort, bvb. waterstofgas (H2).
de samengestelde stoffen: hier zijn de moleculen opgebouwd uit meer dan één atoomsoort, bvb. water (H2O).
Twee of meer onderling verbonden atomen noemen we een verbinding, bvb. H2, H2O, ...
Er zijn slechts weinig voorbeelden van zuivere stoffen in ons dagelijkse leven: kristalsuiker, zout, gedestilleerd water…

Mengsels

In een mengsel vinden we moleculen van verschillende soorten, bijvoorbeeld een mengsel van zwavelzuur (H2SO4) en water (H2O).
De meeste stoffen die we om ons heen hebben zijn mengsels.
Kraantjeswater is bijvoorbeeld ook een mengsel, naast zuiver water zitten er nog een heleboel andere stoffen bij.
Image Wikimedia Commons / Matthew Bowden www.digitallyrefreshing.com, Source

Mengsels scheiden

Mengsels kunnen gescheiden worden met scheidingstechnieken, die berusten op het verschil in de fysische eigenschappen van de te scheiden stoffen.
Zo kan men bijvoorbeeld ethanol (alcohol) uit een uit een mengsel van ethanol en water halen doordat ethanol al bij lagere temperatuur kookt. Opwarmen van het mengsel doet dan ethanoldamp ontstaan, die dan weer afgekoeld (in 5) wordt en opgevangen (in 8).
Dit proces noemt men destillatie.

Atoomtheorie van Rutherford

Een atoom bestaat uit: een kern, waarin positief geladen protonen en neutraal geladen neutronen zitten, en negatief geladen elektronen die rond de kern cirkelen.
Er zijn evenveel protonen als elektronen in een atoom.
Bijvoorbeeld een C-atoom (koolstofatoom):
Kern: 6 protonen en 6 neutronen
Proton
Neutron
Elektron

Massa’s van deeltjes

De massa's van proton en neutron zijn bijna gelijk.
Ongeveer 1,67.10-27 kg
Een elektron is veel lichter (ongeveer 2000x).
Ongeveer 9,1.10-31 kg

Element

Een element is een atoomsoort, voorgesteld door een chemisch symbool, bijvoorbeeld het element waterstof met als chemisch symbool H, het element zuurstof (O),…
De lijst van symbolen van chemische elementen vinden we in het periodiek systeem van elementen (PSE, zie verder).

Voorstelling van een atoom

Een atoom wordt voorgesteld als volgt:
waarbij A het massagetal is, dit is de som van het aantal protonen en neutronen, en Z het atoomnummer, dit is het aantal protonen in de kern.
Bijvoorbeeld het atoom natrium:
Het aantal protonen is 11, het aantal elektronen is 11.
Het aantal neutronen is 23 - 11 = 12.
Men schrijft soms ook enkel het massagetal, bvb. 23Na.
X noemen we het element of de atoomsoort: bvb. Na (natrium). Een element wordt gekarakteriseerd door Z. Voor Na is Z = 11.

Atoomtheorie van Bohr

Volgens Bohr bevinden de elektronen zich in welbepaalde schillen, waarbij alle elektronen in één schil dezelfde energie-inhoud hebben.
Het maximale aantal elektronen op een schil is 2n2, waarbij n=1,2,3, ...
De schillen worden gevuld te beginnen vanaf schil 1 (dichtst bij de kern).
Schil 1 (K-schil): maximaal 2 elektronen
Schil 2 (L-schil): maximaal 8 elektronen
Schil 3 (M-schil): maximaal 18 elektronen
Schil 4 (N-schil): maximaal 32 elektronen
De volgende schillen bevatten voor de bekende elementen telkens maximaal 32 elektronen.

Voorbeeld

Voor natrium ziet dat er als volgt uit (Z = 11):

PSE

De elementen met hun elektronenconfiguratie zijn opgelijst in het periodiek systeem van elementen (PSE).
De verticale kolommen zijn de zogenaamde groepen (1 tot 18): dit zijn elementen met dezelfde chemische eigenschappen (groep = zelfde aantal elektronen op de buitenste schil).
De horizontale rijen zijn de perioden (1 tot 7). De periode komt overeen met het aantal schillen.

PSE

De uiterst rechtse groep zijn de edelgassen, dit zijn stabiele elementen, met 8 elektronen op de buitenste schil, die niet gemakkelijk verbindingen aangaan.
Links vinden we de metalen, bvb. Na (natrium) en Mg (magnesium); deze hebben de neiging elektronen af te staan, om zo tot de stabiele halogeenstructuur te komen (octetstructuur).
Rechts de niet-metalen, deze hebben de neiging elektronen op te nemen, om zo tot de octetstructuur te komen.
Naast het atoomnummer staan op gedetailleerde PSE’s ook atoommassa en andere gegevens vermeld bij elk element.

Valentie-elektronen

De elektronen op de buitenste schil, die de chemische eigenschappen van het element bepalen, noemen we de valentie-elektronen.
Bijvoorbeeld, natrium heeft 1 valentie-elektron.
Bijvoorbeeld, zuurstof heeft 6 valentie-elektronen.
Het aantal valentie-elektronen was duidelijk te zien in de vroegere Romeinse nummering van de groepen:
Image MODIFIED FROM http://toelatingsexamenartstandarts.be

Isotopen

Van bepaalde elementen zijn er verschillende isotopen.
Tot welk element een atoom behoort, wordt bepaald door het aantal protonen (= aantal elektronen). Maar het aantal neutronen kan wel verschillen.
Zo zijn 12C en 14C twee isotopen, die verschillen doordat 12C 6 neutronen heeft en 14C 8 neutronen.
Isotopen hebben dezelfde chemische eigenschappen (deze worden bepaald door het aantal elektronen op de buitenste schil), maar verschillende fysische eigenschappen.
Zo zal bijvoorbeeld het kookpunt van verschillende isotopen van een stof verschillen, ...
Men spreekt soms ook van de verschillende nucliden van een element, waarbij men dan de isotopen bedoelt.
Een nuclide verwijst naar de atoomkern, gekarakteriseerd door A en Z.

Atoommassa

De (absolute) atoommassa is de absolute massa van één atoom, bijvoorbeeld voor het waterstofatoom is dit 1,7.10-27 kg.
De relatieve atoommassa Ar wordt in de eenheid u (unit) uitgedrukt.
1u = 1/12e van de massa van een 12C atoom
1u =1,66.10-27 kg
Bijvoorbeeld, Ar(N) = 14,0 (zie PSE).

Massagetal in PSE

Er is ook een verband tussen isotopen en het massagetal aangeduid op het PSE.
Dit getal is namelijk de gemiddelde relatieve atoommassa rekening houdend met de natuurlijke samenstelling aan isotopen.
Bijvoorbeeld: chloor (Cl) komt in de natuur voor:
75,5% als 35Cl (Ar = 34,96)
24,5% als 37Cl (Ar = 36,96).
De gemiddelde relatieve atoommassa, die we ook op het PSE vinden, werd als volgt berekend:
 Ar(Cl) = 75,5 / 100 * 34,96 + 24,5 / 100 * 36,96 = 35,45.
Dit is dan ook het massagetal dat men op het PSE vindt.

Overzicht

Image DETAIL FROM https://en.wikipedia.org/wiki/Relative_atomic_mass

Atoomstraal

De grootte van een atoom wordt weergegeven door de atoomstraal.
In het PSE neemt binnen een groep (dus van boven naar beneden) de atoomstraal toe, er komt immers telkens een elektronenschil bij.
Binnen een periode (dus van links naar rechts) neemt de atoomstraal enigszins af.
Doordat er steeds meer elektronen zijn en protonen in de kern is er meer elektrische aantrekking (Coulomb) en komen de elektronen enigszins dichter tegen de kern te zitten
De straal van atomen varieert van ongeveer 30 tot 300 pm (10-12 m).
De straal van het atoom is meer dan 10.000 keer de straal van de kern.

Ionen

Wanneer atomen elektronen opnemen (metalen) of afgeven (niet-metalen), worden ionen, geladen deeltjes, gevormd.
Opnemen van elektronen vormt een negatief ion.
Er zijn dan immers meer negatieve dan positieve ladingen.
Voorbeelden van negatieve ionen zijn Cl-, O2-,…
Negatieve ionen noemen we anionen.
Afgeven van elektronen vormt een positief ion.
Er zijn dan immers minder negatieve dan positieve ladingen
Voorbeelden van positieve ionen zijn Na+, Mg2+,…
Positieve ionen noemen we kationen.
Hoe deze ionen gevormd worden zien we in het volgend hoofdstuk
Opmerking: KNAP: Kathode Negatief, Anode Positief. Kationen gaan naar de kathode, anionen gaan naar de anode (maar opgelet: zie bij Redoxreacties).