Voorbeelden van atomen, elementen en isotopen

Atomen kunnen het best worden gezien als de kleinste ondeelbare stukjes gewone materie. In feite is hun naam afgeleid van het Grieks voor "kan niet worden gesneden". Atomen bestaan ​​uit protonen, neutronen en elektronen, hoewel de kleinste en eenvoudigste soort, het waterstofatoom, geen neutronen bevat.

Een element is materie die bestaat uit een enkel soort atoom. Als je naar het periodiek systeem van de elementen kijkt, wordt elke doos die je ziet ingenomen door een stof met een unieke rangschikking van protonen en neutronen. In het speciale geval dat er slechts een enkel atoom van een element aanwezig is, zijn de definities van "atoom" en "element" identiek. Als alternatief zou je 10 of 100 of 1.000.000 ton materie kunnen hebben die uit slechts één enkel element bestaat, zolang elk atoom in die gigantische massa identiek is. Iets anders gezegd, als je een atoom en een element voorgeschoteld krijgt en je krijgt te horen dat er maar één microscopisch klein is, weet je wat een voorbeeld is van een element (hoewel natuurlijk niet alle aggregaties van een enkel element groot genoeg zijn om met het blote oog of zelfs een conventionele microscoop).

Voorbeelden van atomen waarvan je vrijwel zeker hebt gehoord - tenzij, dat wil zeggen, je bent hier net geland vanaf een andere planeet, of misschien in een parallel universum waarin atomen zelf ongehoord zijn - inclusief waterstof, zuurstof en koolstof, op een absoluut minimum. Waterstof en zuurstof zijn de twee atomen in water, waarbij de chemische formule van water H. is₂O omdat een molecuul water bevat twee waterstofatomen en één zuurstofatoom. Merk op dat water, hoewel het geen van zijn samenstellende atomen kan verliezen en toch water kan zijn, geen element is, omdat niet alle atomen identiek zijn. In plaats daarvan is het een verbinding. (Binnenkort meer over deze nomenclatuur.)

Elk atoom kan drie verschillende componenten bevatten: protonen, neutronen en elektronen. In feite bevat elk atoom behalve het waterstofatoom minstens één van elk; waterstof bestaat uit één proton en één elektron, maar heeft geen neutronen. Protonen en neutronen hebben bijna dezelfde massa, die van een proton is 1.6726231 x 10^-27 kg en die van een elektron is 1.6749286 x 10^-27 kg. Elektronen zijn nog kleiner, zozeer zelfs dat hun gecombineerde massa voor praktische doeleinden kan worden verwaarloosd bij het berekenen van de massa van een bepaald atoom. Eén elektron heeft een massa van 9.1093897 x 10^-31 kg.

Atomen in hun elementaire vorm bevatten een gelijk aantal protonen en elektronen. Een proton draagt ​​een kleine positieve elektrische lading, aangeduid met +1, terwijl een elektron een lading van -1 draagt. Neutronen dragen geen lading, dus een gewoon atoom heeft geen netto lading omdat de positieve lading van het proton en de negatieve lading van het elektron elkaar opheffen. Sommige atomen hebben echter een ongelijk aantal protonen en elektronen en dragen dus een netto lading (bijvoorbeeld -2 of +3); deze atomen heten ionen.

Fysiek zijn atomen ongeveer net zo gerangschikt als het zonnestelsel, met kleinere stukjes materie die rond het veel massievere centrum draaien. In de astronomie is het echter de zwaartekracht die ervoor zorgt dat de planeten rond de zon blijven draaien; in atomen is het een elektrostatische kracht. De protonen en neutronen van een atoom klonteren samen om het centrum te vormen, de kern genaamd. Omdat de kern alleen positieve en niet-ladingdragende componenten bevat, is deze positief geladen. De elektronen bevinden zich ondertussen in een wolk rond de kern, ernaartoe aangetrokken door zijn positieve lading. De positie van een elektron op elk moment kan niet precies bekend zijn, maar de kans dat het zich op een bepaalde locatie in de ruimte bevindt, kan met hoge nauwkeurigheid worden berekend. Deze onzekerheid vormt de basis van de kwantumfysica, een ontluikend veld dat is overgegaan van de theoretische naar een aantal belangrijke toepassingen in engineering en computertechnologie.

Het periodiek systeem der elementen is een universeel middel voor zowel wetenschappers als beginnende studenten om vertrouwd raken met de namen van alle verschillende atomen, samen met een samenvatting van hun kritische eigendommen. Deze zijn te vinden in elk scheikundeboek en op onbeperkte plaatsen online. U zou er een bij de hand moeten hebben als referentie bij het raadplegen van deze sectie.

Het periodiek systeem bevat de namen en afkortingen van één of twee letters van alle 103 elementen, of, als u dat liever heeft, atoomtypen. 92 hiervan komen van nature voor, terwijl de zwaarste 11, genummerd 93 tot en met 103, alleen onder laboratoriumomstandigheden zijn geproduceerd. Het nummer van elk element in het periodiek systeem komt overeen met het atoomnummer en daarmee het aantal protonen dat het bevat. Het vak in de tabel dat overeenkomt met een element toont meestal zijn atomaire massa - dat wil zeggen de totale massa van zijn protonen, neutronen en elektronen - op de bodem van het vak, onder de naam van het atoom. Aangezien dit voor praktische doeleinden neerkomt op de massa van de protonen en neutronen alleen, en omdat protonen en neutronen zeer dicht bij de dezelfde massa, kun je afleiden hoeveel neutronen een atoom heeft door het atoomnummer (het aantal protonen) af te trekken van de atoommassa en af ​​te ronden uit. Natrium (Na) is bijvoorbeeld nummer 11 in het periodiek systeem en heeft een massa van 22,99 atomaire massa-eenheden (amu). Als je dit afrondt op 23, kun je berekenen dat natrium 23 - 11 = 12 neutronen moet hebben.

Uit al het voorgaande kun je opmaken dat atomen zwaarder worden naarmate men van links naar rechts en van boven naar onderaan in de tabel, zoals het lezen van een pagina in een boek waarop elk nieuw woord net iets groter is dan het vorige woord.

Elementen kunnen in hun oorspronkelijke staat bestaan ​​als vaste stoffen, vloeistoffen of gassen. Koolstof (C) is een voorbeeld van een vaste stof; kwik (Hg), gevonden in "old-school" thermometers, is een vloeistof; en waterstof (H) bestaat als een gas. Ze kunnen, met behulp van het periodiek systeem, worden gegroepeerd in categorieën op basis van hun fysieke eigenschappen. Een handige manier om ze te verdelen is in metalen en niet-metalen. Metalen omvatten zes subtypen, terwijl niet-metalen er slechts twee hebben. (Boor, arseen, silicium, germanium, antimoon, tellurium en astatine worden als metalloïden beschouwd.)

Het periodiek systeem omvat 18 kolommen, hoewel niet elke mogelijke ruimte in elke kolom bezet is. De eerste volledige rij - dat wil zeggen, de eerste instantie van alle 18 kolommen die een element bevatten - begint met element nummer 19 (K of kalium) en eindigt met nummer 36 (Kr of krypton). Dit lijkt op het eerste gezicht onhandig, maar het zorgt ervoor dat atomen met vergelijkbare eigenschappen qua bindingsgedrag en andere variabelen blijven in gemakkelijk te herkennen rijen, kolommen of andere groepen binnen de tafel.

Isotopen zijn verschillende atomen met hetzelfde atoomnummer en dus hetzelfde element, maar met een verschillend aantal neutronen. Ze variëren daarom in hun atomaire massa. Meer informatie over isotopen vindt u in een volgende paragraaf.

Bindingsgedrag is een van de verschillende criteria waarmee atomen kunnen worden gescheiden. De zes natuurlijk voorkomende elementen in kolom 18 (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn) worden bijvoorbeeld de edelgassen omdat ze in wezen niet-reactief zijn met andere elementen; dit doet denken aan hoe de leden van de adelstand zich vroeger niet met het gewone volk begaven.

Metalen kunnen worden onderverdeeld in zes soorten (alkali, aardalkali, transitie, post-transitie en de actinoïden en lanthanoïden). Deze vallen allemaal in verschillende regio's in het periodiek systeem. De meeste elementen zijn een soort metalen, maar de 17 niet-metalen bevatten enkele van de bekendere atomen, waaronder zuurstof, stikstof, zwavel en fosfor, die allemaal essentieel zijn voor het leven.

Een verbinding is gemaakt van een of meer elementen. Water is bijvoorbeeld een verbinding. Maar je kunt ook een of meer elementen of verbindingen laten oplossen in een andere, vloeibare verbinding (meestal water), zoals suiker opgelost in water. Dit is een voorbeeld van een oplossing omdat de moleculen in de opgeloste stof (de opgeloste vaste stof) niet binden aan de moleculen van de opgeloste stof (zoals water, ethanol of wat dan ook).

De kleinste eenheid van een verbinding wordt een molecuul genoemd. De relatie van atomen tot elementen weerspiegelt de relatie tussen moleculen en verbindingen. Als je een stuk puur natrium, een element, hebt en het tot de kleinst mogelijke grootte reduceert, blijft er een natriumatoom over. Als u een verzameling zuiver natriumchloride (keukenzout; NaCl) en het tot de kleinste hoeveelheid reduceert die nodig is met behoud van al zijn fysische en chemische eigenschappen, blijft er een natriumchloridemolecuul over.

De 10 meest voorkomende elementen op aarde vormen ongeveer 99 procent van de massa van alle elementen die overal op de planeet te vinden zijn, ook in de atmosfeer. Zuurstof (O) alleen is goed voor 46,6 procent van de massa van de aarde. Silicium (Si) is goed voor 27,7 procent, terwijl aluminium (Al) incheckt op 8,1 procent en ijzer (Fe) op 5,0 procent. De volgende vier meest voorkomende bestaan ​​​​allemaal als elektrolyten in het menselijk lichaam: calcium (Ca) met 3,6 procent, natrium (Na) met 2,8 procent, kalium (K) met 2,6 procent en magnesium (Mg) met 2,1 procent.

Elementen die in grote hoeveelheden in zichtbare vorm worden gevonden, of elementen die slechts berucht zijn, kunnen in zekere zin als belangrijke elementen worden beschouwd. Als je naar puur goud kijkt, of het nu een kleine vlok of een grote steen is (dat laatste is onwaarschijnlijk!), kijk je naar een enkel element. Dat stuk goud zou nog steeds als goud worden beschouwd, zelfs als alles behalve een enkel atoom zou blijven. Aan de andere kant, zoals NASA opmerkt, kan een gouden munt ongeveer 20.000.000.000.000.000.000.000 (20 septiljoen) goudatomen bevatten, afhankelijk van de grootte van de munt.

Een isotoop is een variant van een atoom, op ongeveer dezelfde manier als een Dobermann Pinscher een variant van een hond is. Een belangrijke eigenschap van een bepaald type atoom, zult u zich herinneren, is dat het atoomnummer, en dus het aantal protonen dat het bevat, niet kan veranderen. Daarom, als atomen in varianten moeten komen, moet deze variatie het resultaat zijn van verschillen in het aantal neutronen.

De meeste elementen hebben een enkele stabiele isotoop, de vorm waarin het element het meest wordt aangetroffen. Sommige elementen komen echter van nature voor als een mengsel van isotopen. IJzer (Fe) bestaat bijvoorbeeld voor ongeveer 5,845% uit ⁵⁴Fe, 91,754 procent van ⁵⁶Fe, 2,119 procent van ⁵⁷Fe en 0,282 procent van ⁵⁸Fe. De superscripts aan de linkerkant van de elementafkortingen geven het aantal protonen plus neutronen aan. Aangezien het atoomnummer van ijzer 26 is, hebben de hierboven vermelde isotopen in volgorde 28, 30, 31 en 32 neutronen.

Alle isotopen van een bepaald atoom hebben dezelfde chemische eigenschappen, wat betekent dat hun bindingsgedrag hetzelfde is. Hun fysieke eigenschappen, zoals hun massa, kookpunt en smeltpunt, zijn verschillend en zijn het middel dat wordt gebruikt om ze van elkaar te onderscheiden.