Gecombineerde lessen: Atoommodel, kernmodel, atoomnummer, massagetal, ladingsgetal, isotopen & Historische ontwikkeling (Dalton en Rutherford)

Blok 1: Historische ontwikkeling van het atoommodel (Dalton tot Rutherford)

Dalton's atoomtheorie

Definitie

Dalton's atoomtheorie vormt het eerste samenhangende wetenschappelijke model van materie op atomair niveau. Volgens Dalton is materie opgebouwd uit ondeelbare, massieve deeltjes: atomen. Elk element bestaat uit identieke atomen met een karakteristieke massa en chemische eigenschappen. Atomair gezien bezit elk element zijn eigen atoomsoort, die zich onderscheidt van andere elementen door specifieke massa en eigenschappen. Tijdens chemische reacties behouden atomen hun identiteit; ze worden niet vernietigd of getransformeerd in andere atomen. Verbindingen ontstaan door vaste, constante verhoudingen tussen verschillende atoomsoorten.

Belangrijke concepten

• Atoom: Fundamenteel, massief en ondeelbaar deeltje waaruit materie is opgebouwd.

• Atoomsoort: Atomen van hetzelfde element, met gelijke massa en chemische eigenschappen.

• Massa: Eigenschap die verschilt per atoomsoort; bepalend voor fysische verschillen tussen elementen.

• Chemische verbinding: Ontstaat door het samenvoegen van atomen van verschillende elementen in vaste, onveranderlijke verhoudingen.

• Constante verhoudingen: In elke verbinding komt een bepaald element steeds met hetzelfde aantal atomen voor, onafhankelijk van de hoeveelheid van die verbinding.

• Typen verbindingen: - Enkelvoudig (slechts één atoomsoort, bijvoorbeeld O₂) - Samengesteld (meer dan één atoomsoort, chemisch gecombineerd in een vaste verhouding, bijvoorbeeld H₂O) - Complex (grotere structuren of verbindingen met meerdere verschillende atoomsoorten)

Formules en berekeningen

Hoewel Dalton zelf nog geen exacte notaties gebruikte zoals de huidige AXC-notatie, introduceerde hij het concept van fixe atoomverhoudingen, bijvoorbeeld in water (H₂O): water bestaat altijd uit twee waterstofatomen en één zuurstofatoom, ongeacht de hoeveelheid water.

Voorbeeld van stoichiometrie volgens Dalton:

• H₂ + ½O₂ → H₂O (In verhoudingen: 2 atomen H combineren met 1 atoom O)

Praktijkvoorbeelden

Voorbeeld 1: Vergelijking van samenstellingen

• Koper(II)oxide (CuO): uit analyse blijkt dat elke molecuul altijd één koperatoom en één zuurstofatoom bevat. Dit bevestigt Dalton's idee van vaste atoomverhoudingen.

Voorbeeld 2: Wet van behoud van massa

• Wanneer waterstof en zuurstof tot water reageren, is de totale massa na de reactie gelijk aan de som van de massa’s van beginstoffen. Dalton verklaart dit door de onvernietigbaarheid van atomen: atomen herschikken zich, maar verdwijnen niet.

Veel gemaakte fouten

• Verwarring tussen massa en atoomsoort: Massa is afhankelijk van atoomsoort, maar atomen van eenzelfde element kunnen verschillende isotopen zijn (kwam pas later, Dalton ging uit van gelijke massa).

• Aannemen dat atomen splijtbaar zijn: Dalton stelde dat atomen ondeelbaar zijn; latere experimenten (o.a. Rutherford) weerleggen dit door ontdekking van subatomaire deeltjes.

• Foutieve berekening van massa’s bij verbindingen: Niet rekening houden met het feit dat bindingen altijd via vaste verhoudingen ontstaan.

---

Rutherford's atoommodel & goudfolie-experiment

Definitie

Rutherford introduceerde het eerste kernmodel van het atoom naar aanleiding van zijn beroemde goudfolie-experiment. Hieruit blijkt dat atomen een zeer kleine, massieve, positief geladen kern bezitten, waarin vrijwel alle massa is geconcentreerd. De rest van het atoomvolume wordt grotendeels ingenomen door een elektronenwolk.

Belangrijke concepten

• α-deeltje (heliumkern, He²⁺): Deeltje bestaande uit 2 protonen en 2 neutronen; heeft lading +2e.

• Atoomkern: Kleine, massieve, positief geladen kern waar protonen en neutronen geconcentreerd zijn.

• Elektronenwolk: Region buiten de kern, bevat de elektronen die verantwoordelijk zijn voor chemische gedrag.

• Leegte: Overgrote deel van het atoom is lege ruimte (vrij van massa).

• Observatie-conclusiestructuur: Resultaten uit experimenten direct gekoppeld aan het theoretisch model.

Formules en berekeningen

• Geen directe formules in experiment, maar verhouding afgebogen:doorgelaten α-deeltjes geeft inzicht in kerngrootte t.o.v. atoomgrootte.

• Vergelijking kerngrootte tot atoomgrootte: de kern heeft een diameter van ongeveer 10⁻¹⁵ m, terwijl het atoom als geheel circa 10⁻¹⁰ m groot is. De kern neemt dus ~10⁻⁵ van de totale diameter in, wat betekent dat het volume van de kern verwaarloosbaar is vergeleken met het atoomvolume.

Praktijkvoorbeelden

Voorbeeld 1: Goudfolie-experiment (kwalitatieve analyse)

• Een bundel α-deeltjes (He²⁺) wordt op een dunne goudfolie afgevuurd.

• Resultaten:

• - De meeste α-deeltjes gaan ongehinderd door (doorgelaten) → bewijs voor grotendeels lege atoomruimte.

• - Een klein percentage wordt onder grote hoeken afgebogen → stoten op de compacte, positief geladen kern.

Voorbeeld 2: Op basis van Rutherford’s resultaten beschrijven van het natrium-atoom

• Nu men weet dat de kern uiterst klein is, maar positief geladen, verklaart dit waarom het grootste deel van een elektrisch neutraal atoom eigenlijk uit leegte bestaat.

• Voor natrium: 11 protonen en 12 neutronen in de kern, omgeven door 11 elektronen in de elektronenwolk.

Veel gemaakte fouten

• Veronderstellen dat elektronenbumps verantwoordelijk zijn voor het terugkaatsen van α-deeltjes: De massa en lading van elektronen zijn onvoldoende om een massief α-deeltje te weerkaatsen; enkel de massieve, positief geladen kern kan dit verklaren.

• Denken dat de kern een groot deel van het atoomvolume inneemt: Realistisch is de kern extreem klein t.o.v. totale atoomgrootte.

• Niet herkennen van het onderscheid tussen massa- en volumeconcentratie: Massa zit bijna volledig in de kern, niet in de elektronenwolk ondanks het grote volume daarvan.

---

Blok 2: Opbouw van het atoom volgens het moderne kernmodel

Fysieke opbouw en ladingen van elementaire deeltjes

Definitie

Volgens het huidige kernmodel is een atoom opgebouwd uit een klein, massief, positief geladen centrum – de atoomkern – die bestaat uit protonen en neutronen. De kern is omgeven door een veel ruimere elektronenwolk. De verdeling van massa en lading binnen het atoom wordt volledig door deze structuur bepaald.

Belangrijke concepten

• Proton (p⁺): Positief geladen deeltje, bepaalt het atoomnummer Z, draagt bij aan de massa.

• Neutron (n⁰): Ongeladen deeltje, bepaalt mee het massagetal (A), bewerkstelligt kernstabiliteit.

• Elektron (e⁻): Negatief geladen deeltje, bevindt zich in schillen rond de kern, bepaalt chemisch gedrag.

• Elektrische neutraliteit: In een neutraal atoom is het aantal elektronen gelijk aan het aantal protonen.

• Kernmassa en ladingsverdeling: Vrijwel de volledige massa is geconcentreerd in de kern, terwijl de positieve kern door de negatieve elektronenwolk wordt omgeven.

• Leegtekarakter: De ruimte tussen kern en elektronen is volumineus, maar bevat geen materie van betekenis.

Formules en berekeningen

• Samenstelling kern: - $A = Z + N$ (A: massagetal; Z: atoomnummer = aantal protonen; N: aantal neutronen) - $Lading~atoomkern = +Ze$ (Z keer elementaire lading e) - $Totale~atoomlading~(neutraal~atoom):~0~(aantal~p^+~ = ~aantal~e^-)$

• Berekening verhouding massa kern versus elektronenwolk: - $Massa~proton~\approx~1,007~u$, $massa~neutron~\approx~1,009~u$, $massa~elektron~\approx~0,00055~u$ - Massa elektronenwolk is verwaarloosbaar vergeleken met kern (voor H-atoom, verwaarloosbare impact van elektronenmassa op totale atoommassa).

Praktijkvoorbeelden

Voorbeeld 1: Berekenen van massaverhouding tussen kern en elektronenschil voor koolstof-12

• Koolstof-12: 6 protonen, 6 neutronen, 6 elektronen.

• Totaal massa kern: $6~\times~1,007~u~+~6~\times~1,009~u~\approx~12,096~u$

• Massa elektronen: $6~\times~0,00055~u~\approx~0,0033~u$

• Massa kern > 12,09 u, elektronenwolk slechts 0,0033 u, dus >99,9% van de massa zit in de kern.

Voorbeeld 2: Ladingsneutraliteit bij een magnesiumatoom

• Magnesium: $Z~=~12$, dus 12 protonen in de kern en, indien neutraal, 12 elektronen.

• Totaal lading kern: $+12e$; totaal lading elektronenwolk: $–12e$; totale atoomlading = 0.

Veel gemaakte fouten

• Aannemen dat massa vooral in elektronenwolk zit: Massa is geconcentreerd in kern, elektronen dragen nauwelijks bij.

• Negeren van neutronen in massaberekening: Neutronen zijn essentieel voor massagetal en kernstabiliteit.

• Aannemen van significante kernvolume: Kern is extreem klein in vergelijking met het atoom als geheel.

---

Blok 3: Notatie van een atoom (AXC-notatie) en betekenis van symbolen

Beschrijving van de AXC-notatie

Definitie

De AXC-notatie is een formele schematische weergave van de samenstelling en ladingstoestand van een atoom of ion. Hiermee worden het massagetal (A), atoomnummer (Z), het element (X) en de elektrische lading (C) van het deeltje eenduidig vastgelegd.

Belangrijke concepten

• Atoomnummer (Z): Geeft het aantal protonen in de kern aan. In een neutraal atoom is dit ook het aantal elektronen.

• Massagetal (A): Geeft het totale aantal nucleonen in de kern (dus protonen plus neutronen).

• Symbool (X): Het elementensymbool zoals vastgelegd in het periodiek systeem der elementen.

• Ladingsgetal (C): Geeft de elektrische lading van het deeltje aan; positieve waarde bij elektronenverlies (kation), negatieve waarde bij elektronenoverschot (anion).

• Periodiek systeem: X en Z zijn rechtstreeks terug te vinden, A en C kunnen per isotoop/ion variëren.

Formules en berekeningen

De notatie is als volgt:

``` ^A_ZX^C ```

waarbij:

• A: massagetal ($Z + N$, met N aantal neutronen)

• Z: atoomnummer (aantal protonen)

• X: elementaar symbool

• C: ladingsgetal (bijgeladen deeltjes, bijvoorbeeld 2+ voor He²⁺, 1– voor Cl⁻, enz.)

Voorbeeld α-deeltje:

• α-deeltje is een heliumkern: twee protonen, twee neutronen, geen elektronen.

• Notatie: ⁴₂He²⁺

Praktijkvoorbeelden

Voorbeeld 1: Notatie van ijzer-56 en het ijzer(II)-ion

• IJzer-56 (neutraal): Z = 26, A = 56, X = Fe, C = 0 ⁵⁶₂₆Fe

• IJzer(II)-ion: verlies van 2 elektronen, Z = 26, A = 56, C = 2+ ⁵⁶₂₆Fe²⁺

Voorbeeld 2: Notatie van een chloorion en interpretatie

• Chloorion (anion): Z = 17, meestal A = 35 (of 37), X = Cl, C = 1–

• ³⁵₁₇Cl⁻ of ³⁷₁₇Cl⁻

• C = –1 betekent: 18 elektronen (1 meer dan aantal protonen)

Veel gemaakte fouten

• Verwarren van massagetal en atoomnummer: Studenten vullen soms Z in plaats van A of omgekeerd (massagetal = aantal protonen + aantal neutronen).

• Niet aanpassen van C bij lading: Bij een ion moet C gelijk zijn aan het verschil tussen protonen en elektronen.

• Verkeerd elementensymbool kiezen (X): Soms wordt het symbool verward met afkortingen of Engelse benamingen – altijd het officiële PSE-symbool gebruiken.

---

Blok 4: Isotopen – definitie, kenmerken en relatie tot samenstelling

Isotopen van eenzelfde element

Definitie

Isotopen zijn atomen van hetzelfde element (dus met hetzelfde atoomnummer Z), die verschillen in massagetal A door een verschillend aantal neutronen. Het chemische gedrag van isotopen is vrijwel identiek aangezien ze een identieke elektronenconfiguratie hebben, maar hun fysische eigenschappen zoals massa en kernstabiliteit kunnen uiteenlopen.

Belangrijke concepten

• Isotoop: Variant van een bepaald element met gelijke Z (aantal protonen) maar afwijkende N (aantal neutronen), dus ander A.

• Identieke chemie: Door gelijke elektronenstructuur gedragen isotopen zich chemisch hetzelfde, ondanks variatie in massa.

• Fysische/chemische verschillen: Verschillen komen tot uiting in kernreacties, massa’s, radioactiviteit (stabiele vs. onstabiele isotopen).

• AXC-notatie: Verschillende isotopen van een element worden onderscheiden door verschillend massagetal A.

Formules en berekeningen

• Bepaling neutronen in een isotoop: - $N = A - Z$

• Notatie van isotopen: - ¹²₆C, ¹³₆C, ¹⁴₆C zijn alle drie isotopen van koolstof, met 6 protonen maar respectievelijk 6, 7 of 8 neutronen.

Praktijkvoorbeelden

Voorbeeld 1: Waterstofisotopen

• Protium: ¹₁H (1 proton, 0 neutronen)

• Deuterium: ²₁H (1 proton, 1 neutron)

• Tritium: ³₁H (1 proton, 2 neutronen)

• Chemisch gedrag (bijv. binding met zuurstof tot H₂O) is nagenoeg gelijk, massa/instabiliteit varieert sterk.

Voorbeeld 2: Chloorisotopen in natuurlijk chloor

• Natuurlijke chloor bestaat uit twee isotopen:

• - ³⁵₁₇Cl (17 protonen, 18 neutronen)

• - ³⁷₁₇Cl (17 protonen, 20 neutronen)

• Verschillen resulteren in een gemiddeld atoomgewicht van chloor (35,45 u).

Veel gemaakte fouten

• Veronderstellen dat isotopen verschillende chemische eigenschappen hebben: Ondanks het verschil in massa, verlopen chemische reacties voor isotopen van hetzelfde element identiek.

• Overslaan van neutronenberekening: Studenten vergeten soms dat het massagetal alle nucleonen omvat.

• Gemengde aanduiding van isotopen en ionen: Verwar nooit ladingstoestand (ion) met isotopenverschillen (aantal neutronen).

---

Samenvatting

• Het atoommodel is geëvolueerd van Dalton’s ondeelbare massieve deeltjes naar Rutherford’s kernmodel met een compacte, positief geladen kern en een elektronenwolk.

• De massa van het atoom is vrijwel volledig geconcentreerd in de kleine kern, met protonen (positief) en neutronen (neutraal); de elektronen (negatief) vormen de uitgestrekte wolk, essentieel voor chemisch gedrag.

• In de AXC-notatie wordt elk atoom/ion precies beschreven: massagetal (A), atoomnummer (Z), elementsymbool (X), ladingsgetal (C).

• Isotopen zijn atomen van hetzelfde element met een verschillend aantal neutronen (ander massagetal), wat resulteert in gelijke chemie maar afwijkende fysische eigenschappen.

• Fouten situeren zich typisch in het onjuist hanteren van notatie (verhaspelde A/Z/C), onderscheid tussen massa’s, en het veronderstellen van onterecht verschillende chemische eigenschappen van isotopen.

---

Oefenvragen

1. Er wordt een atoom beschreven met een atoomnummer van 17, een massagetal van 37 en een lading van –1. Geef de volledige AXC-notatie en geef het aantal protonen, neutronen en elektronen. - Antwoord: AXC-notatie: ³⁷₁₇Cl⁻ Protonen: 17 Neutronen: $37 - 17 = 20$ Elektronen: $17 + 1 = 18$

2. Beschrijf in detail welke conclusies Rutherford trok uit zijn goudfolie-experiment en waarom de observatie dat sommige α-deeltjes werden teruggekaatst essentieel was. - Antwoord: Rutherford concludeerde dat het atoom grotendeels uit lege ruimte bestaat, met een zeer kleine, massieve, positief geladen kern. De afbuiging en het terugkaatsen van een klein percentage α-deeltjes bewijst het bestaan van de atoomkern, aangezien alleen een massief en positief geladen centrum een voldoende grote kracht uitoefent om een krachtig α-deeltje af te buigen of terug te kaatsen.

3. Geef de AXC-notatie voor een α-deeltje. Waarom verschilt deze notatie van een gewoon helium-atoom? - Antwoord: α-deeltje: ⁴₂He²⁺ Dit deeltje bevat 2 protonen en 2 neutronen, geen elektronen (lading +2). Een neutraal heliumatoom heeft 2 elektronen en dus geen lading (C = 0).

4. Leg uit waarom isotopen van hetzelfde element een verschillend massagetal maar nagenoeg identieke chemische eigenschappen hebben. Geef een concreet voorbeeld met koolstof. - Antwoord: Isotopen hebben hetzelfde atoomnummer (protonen), dus dezelfde elektronenstructuur, en gedragen zich daarom chemisch identiek. Massagetal verschilt door het aantal neutronen. Voorbeeld: ¹²₆C en ¹⁴₆C. Beide koolstofatomen binden in organische verbindingen identiek aan andere elementen, maar ¹⁴₆C is radioactief en zwaarder.

5. Een onbekend atoom heeft 15 protonen en 16 neutronen en vormt een 3– ion. Wat is de volledige AXC-notatie, en hoeveel elektronen bevat dit ion? - Antwoord: $Z = 15$, $A = 31$, X = P (fosfor), C = 3– AXC-notatie: ³¹₁₅P³⁻ Elektronen: $15 + 3 = 18$