Hoofdstuk 4
Atomen en Moleculen

§1 Het periodiek systeem
§2 Metalen
§3 Moleculaire stoffen

§1 Het periodiek systeem

In dit hoofdstuk gaan we kijken naar de verschillende stoffen waar de wereld uit bestaat. Het blijkt dat de wereld bestaat uit 118 verschillende atomen. Deze atomen kunnen o.a. gecombineerd worden tot metaalroosters en moleculen. In deze paragraaf beginnen we met het bestuderen van atomen.

De wereld bestaat uit miljoenen soorten stoffen, maar al deze stoffen blijken te bestaan uit een combinatie van slechts 118 soorten kleine bolvormige deeltjes die we atomen noemen. Elk van de 118 atoomsoorten heeft een naam en een symbool. Dit symbool bestaat uit een hoofdletter en in sommige gevallen ook een kleine letter (zie de onderstaande afbeelding). Een stof die uit slechts één soort atomen bestaat noemen we een element.

In de 19^de eeuw zijn door de wetenschapper Dmitri Mendelejev de atoomsoorten op rij gezet van de lichtste tot de zwaarste. Hij ontdekte toen dat de eigenschappen van de stoffen zich in een vast patroon herhaalden. Bijvoorbeeld, atoom nummer 2 is niet reactief, atoom nummer 3 juist wel en 4 iets minder. Dit herhaalde zich bij atoom 10 (niet reactief), atoom 11 (reactief) en atoom 12 (iets minder reactief). Mendelejev kwam toen op het briljante idee om de stoffen met gelijke eigenschappen onder elkaar te noteren. Het resultaat is de bovenstaande tabel, genaamd het periodiek systeem der elementen.

We lezen dit systeem van links naar rechts en dan rij voor rij naar beneden. De (horizontale) rijen worden ook we periodes genoemd en de (verticale) kolommen worden groepen genoemd. Deze groepen en kolommen zijn hierboven genummerd. Je kan een soortgelijke tabel in BINAS vinden.

De atomen kunnen in drie groepen worden verdeeld. De atoomsoorten die hieronder in grijs zijn weergegeven noemen we metalen. De atoomsoorten die blauw zijn weergegeven noemen we niet-metalen. De atomen in de witte vlakjes worden metalloïden genoemd en zitten qua eigenschappen tussen metalen en niet-metalen in.

De volgende atoomsoorten en de bijbehorende symbolen moet je uit je hoofd kennen:

Metaalatomen		Niet-metaalatomen
Natrium	Na	Waterstof	H
Kalium	K	Koolstof	C
Magnesium	Mg	Stikstof	N
Calcium	Ca	Fosfor	P
Barium	Ba	Zuurstof	O
Chroom	Cr	Zwavel	S
IJzer	Fe	Fluor	F
Nikkel	Ni	Chloor	Cl
Platinum	Pt	Broom	Br
Koper	Cu	Jood	I
Zilver	Ag	Helium	He
Goud	Au	Neon	Ne
Zink	Zn	Argon	Ar
Cadmium	Cd
Kwik	Hg
Aluminium	Al
Tin	Sn	Metalloïde
Lood	Pb	Silicium	Si

Leerdoelen:

Zorg dat je de groep en de periode van een element uit het periodiek systeem kan achterhalen met BINAS. En zorg dat je weet dat de elementen rij voor rij in volgorde staan van het lichtste tot het zwaarste element.

Zorg dat je kan achterhalen welke elementen metalen, niet-metalen en metalloïden zijn.

Zorg dat je de namen en symbolen kent van de atoomsoorten uit de tabel in de paragraaf.

Opdrachten

Leer de elementen herkennen met het volgende programma. Ga net zolang door tot je alles goed hebt.

(3p) Laat met behulp van het periodiek systeem zien of de volgende stoffen metalen, metalloïden of niet-metalen zijn: Mg, S, Xe, Tc, Mn, Si, V, As.

(1p) In welke groep en in welke periode van het periodiek systeem staat natrium?

(1p) Welk van de volgende elementen staan in dezelfde periode: goud, zilver, koper, zink.

(1p) Noem de eerste drie atoomsoorten van groep 18. Gebruik de volledige naam en het symbool.

(1p) Welke atoomsoort is zwaarder: magnesium of koolstof. Leg je antwoord uit.

§2 Metalen

In deze paragraaf bestuderen we een aantal eigenschappen van metalen.

Metalen zijn te herkennen aan de volgende stofeigenschappen:

Ze glimmen als ze gepolijst zijn
Ze zijn buigbaar
Ze zijn goede geleiders van warmte en elektriciteit
Ze zijn vast bij kamertemperatuur, met uitzondering van kwik. Dit is vloeibaar bij kamertemperatuur (zie de linker onderstaande afbeelding)
De meeste metalen zijn grijs, maar ook hier zijn een paar uitzonderingen. Goud is bijvoorbeeld geel en koper is oranje (zie de rechter afbeelding).

(Afbeelding: images-of-elements.com; CC BY-SA 3.0; Marmall4; CC BY 3.0)

Je kunt kwik tegenwoordig niet meer kopen, omdat het erg giftig is. We moeten het daarom dus even doen met het volgende filmpje:

EXPERIMENT

In deze filmpjes zien we het vloeibare metaal kwik.

DEMO-VIDEO:
Kwik I

DEMO-VIDEO:
Kwik II

In de onderstaande afbeelding zijn de metalen in het periodiek systeem in het grijs aangegeven.

De metalen in de eerste linker twee kolommen van het periodiek systeem worden de zeer onedele metalen genoemd. Deze metalen zijn extreem reactief. De stoffen in de eerste kolom reageren bijvoorbeeld heftig met water en zuurstof. Een voorbeeld is het metaal natrium. In de linker onderstaande afbeelding zien we een explosie die ontstaat als je natrium in water gooit.

De metalen in de tweede kolom reageren iets minder heftig. Deze metalen reageren heftig met zuurstof als ze eerst worden verhit. Rechtsonder zien we bijvoorbeeld een foto van de verbranding van magnesium. Deze chemische reactie zorgt voor een fel wit licht.

EXPERIMENT

In deze filmpjes zie je de heftige reactie tussen natrium en water.

DEMO-VIDEO:
Natrium en water I

DEMO-VIDEO:
Natrium en water II

EXPERIMENT

In dit filmpje zien we de verbranding van magnesium, waarbij een fel wit licht zichtbaar wordt.

DEMO-VIDEO:
Verbranding van magnesium

De stoffen zilver (Ag), goud (Au) en platina (Pt) worden edele metalen genoemd. Deze metalen reageren niet of nauwelijks met andere stoffen.

(Afbeelding: Alchemist-hp; CC BY-SA 3.0 / Alchemist-hp; CC BY-SA 3.0 / Robert Lavinsky; CC BY 3.0)

De overige metalen noemen we de onedele metalen. Deze metalen reageren ook met zuurstof, maar deze reacties verlopen erg langzaam. We noemen de reactie tussen metalen en zuurstof ook wel oxidatie of corrosie. Alleen bij het oxideren van ijzer spreken we ook wel van roesten. Dankzij oxidatie komen we zowel zeer onedele als onedele metalen zo goed als nooit in elementaire vorm tegen in de natuur. Na verloop van tijd zijn al deze metalen immers allemaal geoxideerd.

Een nadeel van de corrosie van ijzer is dat roest erg broos is en zuurstof daardoor gemakkelijk bij het ijzer komt onder de roestlaag, waardoor het verder blijft roesten (zie de linker onderstaande afbeelding). Er zijn ook metalen die meer corrosiebestendig zijn. Dit komt doordat ze een dun en hard oxidelaagje vormen dat het metaal eronder beschermd tegen verdere corrosie. Bij het oxideren van koper ontstaat koperoxide, ook wel patina genoemd. Patina is lichtgroen. Het Vrijheidsbeeld is hier bijvoorbeeld van gemaakt (zie de middelste afbeelding). Bij chroom ontstaat een dun doorzichtig laagje chroomoxide. Doordat dit laagje doorzichtig is, blijft het glimmende metaal eronder goed zichtbaar. Dit is de reden dat bijvoorbeeld ijzeren kranen vaak met een laagje chroom worden bedekt (zie de rechter afbeelding). Dit wordt verchromen genoemd. Een andere manier om ijzer te beschermen tegen corrosie is door het te bedekken met een laagje zink. Dit wordt galvaniseren genoemd. Je kan het ijzer natuurlijk ook gewoon verven.

(Afbeelding: Dudva; CC BY-SA 4.0 / Matthew Bowden; www.digitallyrefreshing.com; PD )

Als we metaalatomen samenbrengen in vaste vorm, dan ordenen ze zich meestal in een regelmatig patroon dat een metaalrooster wordt genoemd (zie de onderstaande afbeelding).

Een zuiver metaal bestaat slechts uit één atoomsoort en als gevolg passen de atomen netjes naast elkaar in het metaalrooster. Het gevolg hiervan is dat de atomen in deze roosters gemakkelijk langs elkaar kunnen worden geschoven (zie de linker onderstaande afbeelding). Zuivere metalen zijn hierdoor buigbaar. Een mengsel van een metaal en een andere stof noemen we een legering. Doordat verschillende soorten atomen verschillende groottes hebben, verbreekt de legering de perfecte ordening van het rooster (zie de middelste twee afbeeldingen). Als gevolg hiervan zijn legeringen een stuk sterker. Een bekend voorbeeld van een legering is staal. Dit bestaat uit ijzer gemengd met een beetje koolstof. Staal wordt bijvoorbeeld gebruikt voor de kabels die een brug omhoog houden (zie de rechter afbeelding).

Leerdoelen:

Zorg dat je de verschillen in reactiviteit kent tussen edele, onedele en zeer onedele metalen.

Zorg dat je weet dat de metalen in de eerste twee kolommen in het periodiek systeem zeer onedele metalen zijn en dat zilver, goud en platina edele metalen zijn.

Zorg dat je weet wat corrosie en oxidatie is. De corrosie van ijzer heet ook wel roesten. .

Zorg dat je weet dat je onedele metalen als ijzer kan beschermen tegen oxidatie door het te bedekken met bijvoorbeeld een laagje chroom, zink of verf. .

Zorg dat je weet dat metalen uit metaalatomen bestaan die in vaste vorm zich ordenen in een metaalrooster.

Zorg dat je kan uitleggen waarom legeringen sterker zijn dan zuivere metalen.

Opdrachten

(1p) Noem drie eigenschappen van metalen.

(3p) Noem drie zeer onedele, drie onedele en drie edele metalen.

(1p) Maak een tekening van vast aluminium op atomair niveau.

(2p) Leg met het periodiek systeem uit of calcium sterk reageert met zuurstof als de stof flink wordt verwarmd. Doe hetzelfde voor de stof lood.

(2p) Goud komt in de natuur in zuivere vorm voor. IJzer echter niet. Leg uit hoe dit komt.

Een kraan is gemaakt van staal. Het staal is geverfd om het tegen corrosie te beschermen.

(1p) Wat is corrosie?

(1p) Noteer nog een manier om staal tegen roesten te beschermen.

(1p) Chroom is een duur metaal. Toch worden metalen voorwerpen in de badkamer omhult door een laagje chroom. Waarom wordt dit gedaan?

(1p) Trouwringen bestaan meestal voor een groot deel uit goud. Zuiver goud is echter niet geschikt voor sieraden. Bedenk waarom dit zo is.

(2p) Koper is een zuivere stof / mengsel en zit daarom in een geordend rooster / vervormd rooster. De atomen zijn hierdoor gemakkelijk / lastig langs elkaar te schuiven. Brons is een legering van 85% koper en 15% tin. Het is een zuivere stof / mengsel en zit daarom in een geordend rooster / vervormd rooster. De atomen zijn hierdoor gemakkelijk / lastig langs elkaar te schuiven.

§3 Moleculaire stoffen

In deze paragraaf bestuderen we een aantal eigenschappen van niet-metalen. Ook gaan we leren dat niet-metalen combineren tot moleculen.

Als we niet-metaalatomen samenbrengen, dan groeperen ze zich meestal in vaste combinaties die we moleculen noemen. In de middelste onderstaande afbeelding zien we bijvoorbeeld twee watermoleculen. Moleculen beschrijven we met behulp van een molecuulformule. De molecuulformule van een watermolecuul is H₂O, omdat het uit twee waterstofatomen (H₂) en één zuurstofatoom (O) bestaat. De "2" in H₂O noemen we een index (meervoud indices).

Het soort molecuul bepaalt met welk soort stof we te maken hebben. Neem bijvoorbeeld de onderste twee moleculen. Links zien we water (H₂O) en rechts zien we waterstofperoxide (H₂O₂). Waterstofperoxide bevat slechts één zuurstofatoom meer dan water, maar toch is het een geheel andere stof. Waterstofperoxide wordt bijvoorbeeld gebruikt voor het blonderen van haar!

Bron: S. Nova (glas water)

Hieronder zien we een aantal moleculen die we kunnen maken met alleen de atomen waterstof (H), zuurstof (O) en koolstof (C):

Ook de fase van een stof kunnen we weergeven met een molecuulformule. We gebruiken hiervoor de eerste letter van de Engelse woorden "solid" (vaste stof), "liquid" (vloeistof) en "gas" (gas). We schrijven deze letter tussen haakjes achter de molecuulformule (zie de onderstaande afbeelding). We noemen dit ook wel toestandsaanduidingen.

Ook het aantal moleculen kunnen we in de molecuulformule weergeven. Dit doen we door een getal voor de molecuulformule te schrijven. We noemen dit getal de coëfficiënt. In de onderstaande afbeelding zijn bijvoorbeeld 10 watermoleculen in gasfase afgebeeld. Onder de afbeelding zien we de bijbehorende molecuulformule.

Leerdoelen:

Zorg dat je het verschil begrijpt tussen atomen en moleculen. Niet-metaalatomen groeperen zich in vaste combinaties genaamd moleculen.

Zorg dat je de molecuulformules kan aflezen en opschrijven inclusief de indices, de coëfficiënten en de toestandsaanduidingen (s, l en g).

Opdrachten

Leer met het onderstaande programma het verschil tussen atomen, atoomsoorten, moleculen en molecuulsoorten.

(1p) Geef de molecuulformule van water.

(4p) Uit hoeveel atomen bestaat water (H₂O), zuurstof (O₂), koolstofdioxide (CO₂) en methaan (CH₄).

(5p) Maak tekeningen van:

2 H₂O

4 He (g)

3 O₂(g)

16 Cu (s)

9 Sn (s)

(2p) Bereken het aantal atomen van elke atoomsoort in 15 CO₂.

(1p) Geef aan uit hoeveel atoomsoorten sucrose (C₁₂H₂₂O₁₁) bestaat.

(2p) Bereken het totaal aantal atomen in vijf suikermoleculen (C₁₂H₂₂O₁₁).

Als suiker (C₁₂H₂₂O₁₁) ontleed wordt, ontstaan koolstof en water.

(1p) Hoeveel koolstofatomen ontstaan er uit één suikermolecuul?

(1p) Hoeveel watermoleculen ontstaan er uit één suikermolecuul?

(2p) Noteer de molecuulformules van de onderste twee moleculen. (grijs = koolstof, blauw = waterstof, rood = zuurstof)

(1p) Welke notatie geeft het verdampen van water weer? Kies uit:
H₂O (g) → H₂O (l)
H₂O (l) → H₂O (g)
2 H₂O (g) → 2 H₂ (l) + O₂ (l)
2 H₂O (l) → 2 H₂ (g) + O₂ (g)

(2p) Bestaat 1 mg vitamine B6 (C₈H₁₁NO₃) uit evenveel moleculen als 1 mg vitamine B12 (C₆₃H₈₈N₁₄O₁₄PCo)? En zo niet, welke stof bevat meer moleculen? Leg je antwoord uit.
(Bron: Examen VMBO-T, 2022-1)

Stoffen die je uit je hoofd moet kennen:

Atomen
Metalen		Niet-metalen
Natrium	Na	Waterstof	H
Kalium	K	Koolstof	C
Magnesium	Mg	Stikstof	N
Calcium	Ca	Fosfor	P
Barium	Ba	Zuurstof	O
Chroom	Cr	Zwavel	S
IJzer	Fe	Fluor	F
Nikkel	Ni	Chloor	Cl
Platinum	Pt	Broom	Br
Koper	Cu	Jood	I
Zilver	Ag	Helium	He
Goud	Au	Neon	Ne
Zink	Zn	Argon	Ar
Cadmium	Cd
Kwik	Hg
Aluminium	Al
Tin	Sn	Metalloïde
Lood	Pb	Silicium	Si

Moleculen
Water	H₂O
Waterstofperoxide	H₂O₂
Koolstofdioxide	CO₂
Koolstofmonoxide	CO
Methaan	CH₄
Ammoniak	NH₃
Ethanol (alcohol)	C₆H₁₂O
Glucose	C₆H₁₂O₆
Edelgassen	X
Halogenen	X₂
Stikstof	N₂
Waterstof	H₂
Zuurstof	O₂
Ozon	O₃

BINAS:
99	Periodiek systeem

Hoofdstuk 4 Atomen en Moleculen

§1 Het periodiek systeem

§2 Metalen

§3 Moleculaire stoffen

Hoofdstuk 4
Atomen en Moleculen