BASIS
BEWEGING
KRACHT 1
KRACHT 2
ELEKTRICITEIT 1
ELEKTRICITEIT 2
ENERGIE
GELUID
WARMTE
EXPERIMENTEREN
LICHT
RADIOACTIVITEIT
ATOMEN
HET WEER
LICHT
RADIOACTIVITEIT

Hoofdstuk 13
Het periodiek systeem

§1 ...
§2 Faseovergangen
§3 Warmtetransport



§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 gecombineerd worden tot zogenaamde metaalroosters, moleculen en zouten. In dit hoofdstuk bespreken we 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).

In de 19de 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 (vertiale) kolommen worden groepen genoemd. Deze groepen en kolommen zijn hierboven genummerd. Merk op dat de eerste periode maar twee elementen heeft. De tweede heeft er acht. Etc. Je kan een soortgelijke tabel in BINAS vinden.

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
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 paragraag (en aan het eind van het hoofdstuk)
  1. Leer de elementen herkennen met het volgende programma. Ga net zolang door tot je alles goed hebt.
  2. Geef aan of de volgende stoffen metalen, metalloïden of niet-metalen zijn: Mg, S, Xe, Tc, Mn, Si V, As.
  3. In welke groep en in welke periode van het periodiek systeem staat natrium?
  4. Welk van de volgende elementen staan in dezelfde periode: goud, zilver, koper, zink.
  5. Noem we eerste drie atoomsoorten van groep 18. Gebruik de volledige naam en het symbool.
  6. 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:

Daarnaast is het ook waar dat de meeste metalen grijs zijn, maar zeker niet allemaal. De bekendste uitzonderingen zijn goud (geel) en koper (oranje, zie de afbeelding linksonder). Het metaal kwik is ook een uitzondering, omdat vloeibaar is bij kamertemperatuur (zie de afbeelding rechtsonder). Je kunt kwik tegenwoordig niet meer kopen, omdat het erg giftig is. We moeten het daarom dus even doen met het volgende filmpje:


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



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 het onderstaande filmpje kan je deze reactie zien.

De metalen in de tweede kolom reageren iets minder heftig, maar als ze worden verwarmd, reageren ze behoorlijk met zuurstof. Hieronder zien we bijvoorbeeld een foto en een filmpje van de verbranding van magnesium. Deze chemische reactie zorgt voor een fel wit licht.

Zeer onedele metalen komen we nooit in elementaire vorm tegen in de natuur. Dit is goed te begrijpen, omdat ze gemakkelijk reageren met stoffen als water en zuurstof.


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

De stoffen zilver (Ag), goud (Au) en platinum (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 zijn wel reactief, maar deze reacties verlopen meestal langzaam. Het roesten van ijzer is een voorbeeld hiervan. Het reageren van een metaal met zuurstof noemen we oxideren of corrosie. Het bekendste voorbeeld hiervan zijn we al eerder tegengekomen: de oxidatie van ijzer. We noemen dit ook wel roesten. Een nadeel van roesten is dat roest erg broos is en zuurstof daardoor gemakkelijk bij het ijzer komt onder de roestlaag, waardoor het verder blijft roesten. Dit werkt anders bij o.a. koper, alluminium, tin, chroom en zink. Deze metalen zijn meer corrosiebestendig. 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 afbeelding linksonder). 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 afbeelding rechtsonder). 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), maar je kan het ijzer natuurlijk ook gewoon verven.

Als we metaalatomen samenbrengen, 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).

Een aantal veelvoorkomende legeringen kan je in BINAS vinden. Hier zien we dat de legering brons een combinatie van koper en tin is, messing een combinatie van koper en zink en soldeer een combinatie van tin en lood.

De orde in het rooster verbreekt ook als we een metaal smelten. In dat geval gaan de atomen langs elkaar bewegen (zie de onderstaande afbeelding).



Leerdoelen:
Zorg dat je het verschil kent tussen edele, onedele en zeer onedele metalen
Zorg dat je weet dat de metalen eerste twee kolommen in het periodiek systeem zeer onedele metalen zijn en dat zilver, goud en platinum edele metalen zijn
Zorg dat je weet wat corrosie is, dat corossie van ijzer roesten heet en dat ijzer beschermd kan worden tegen roesten 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 en dat je de samenstelling van verschillende legeringen kan vinden in BINAS
  1. (2p) Maak een tekening van vast en vloeibaar aluminium op atomair niveau.
  2. (3p) Noem drie zeer onedele, drie onedele en drie edele metalen.
  3. (2p) Leg voor zowel calcium als lood uit of deze metalen sterk reageren met zuurstof als ze flink worden verwarmd.
  4. (2p) Goud komt in de natuur in zuivere vorm voor. IJzer echter niet. Leg uit hoe dit komt.
  5. (1p) Chroom is een duur metaal. Toch worden metalen voorwerpen in de badkamer omhult door een laagje chroom. Bedenk waarom dit gedaan wordt.
  6. (1p) Trouwringen bestaan meestal voor een groot deel uit goud. Zuiver goud is echter niet geschikt voor sieraden. Bedenk waarom dit zo is.
  7. Brons is een legering van 85% koper en 15% tin. Een tin-atoom is iets groter dan een koperatoom.
    1. (3p) Teken een model van brons met 20 atomen.
    2. (1p) Leg aan de hand van deze tekening uit waardoor brons stugger is dan koper.
  8. De 'bronzen medailles' van de Olympische Spelen 2020 zijn niet werkelijk gemaakt van brons. Ze zijn gemaakt van koper en zink. Geef de naam van de legering waaruit deze medailles zijn samengesteld. Maak gebruik van Binas.
  9. Vliegtuigen moeten sterk en licht zijn. Daarom worden grote delen van vliegtuigen gemaakt uit een legering met aluminium, koper en magnesium. Geef de naam van de aluminiumlegering.
  10. Staal bevat behalve ijzer en koolstof nog een andere stof. Geef de naam van deze stof.
  11. Een kraan is gemaakt van staal. Het staal is geverfd om het tegen corrosie te beschermen.
    1. Wat is corrosie?
    2. Noteer nog een manier om staal tegen roesten te beschermen.

 

§3     Moleculaire stoffen

In deze paragraaf bestuderen we een aantal eigenschappen van niet-metalen.

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.

Het soort molecuul bepaalt met welk soort stof we te maken hebben. Neem bijvoorbeeld de onderste twee moleculen. Een waterstofperoxidemolecuul (H2O2) 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)

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.

In het onderstaande periodiek systeem zijn de niet-metalen in kleur aangegeven.

De niet-metalen in de meest rechtse kolom worden de edelgassen genoemd. De bekendste voorbeelden zijn helium (He), neon (Ne) en argon (Ar). Edelgassen zijn niet reactief. Dit betekent dat ze vrijwel nooit met andere stoffen reageren. Edelgassen kunnen wel gebruikt worden voor neonverlichting. Elk van deze gassen licht namelijk op in een andere kleur wanneer er stroom doorheen loopt (zie de onderstaande afbeelding). Omdat helium een erg kleine dichtheid heeft, wordt deze stof ook gebruikt in heliumballonnen en zeppelins.


(Afbeelding: Pslawinski; CC BY-SA 2.5)

De atomen van edelgassen bewegen allemaal los van elkaar (zie de onderstaande afbeelding). Edelgassen vormen dus geen moleculen.

De niet-metalen in de tweede kolom van rechts in het periodiek systeem worden de halogenen genoemd. De halogenen zijn juist erg reactief en reageren vooral goed met metalen. De bekendste halogenen zijn fluor (F) en chloor (Cl). Dit zijn beide giftige, lichtgele gassen. Zoals je weet wordt fluor gebruikt in tandpasta en wordt chloor gebruikt voor het ontsmetten van zwembadwater. Natuurlijk wordt hier niet elementair fluor en elementair chloor bedoeld, want dat is immers giftig! In tandpasta zit de verbinding natriumfluoride (NaF) en in het zwembad de verbinding natriumhypocloriet (NaClO).

Als zuivere stof komen de halogenen in paren voor (dus in groepjes van twee). Dit is goed te zien in de onderstaande afbeelding. Een chloormolecuul heeft dus de molecuulformule Cl2 en bestaat uit twee chlooratomen. Een fluormolecuul heeft de molecuulformule F2 en bestaat uit twee fluoratomen. Etc.

Naast de halogenen komen ook stikstofmoleculen (N2), zuurstofmoleculen (O2) en waterstofmoleculen (H2) in paren voor. Het is belangrijk dat je dit uit je hoofd weet. Zuurstof (O2) en stikstof (N2) zijn beide gassen die in grote hoeveelheden in de lucht voorkomen. De lucht bestaat wel voor 78 %vol uit stikstof en voor 21 %vol uit zuurstof (er zit verder nog 0,9 %vol argon en slechts 0,04 vol% koolstofdioxide in de lucht). Waterstof is de atoomsoort met de kleinste massa en als gevolg werd het vroeger gebruikt in zeppelins. Dit bleek echter niet het beste plan, omdat waterstof ook brandbaar is. In de onderstaande beroemde foto zien we de explosie van de Hindenburg Zeppelin.


(Afbeelding: Sam Shere; PD)

De laatste niet-metalen die we zullen bespreken zijn koolstof, fosfor en zwavel. Koolstof (C) kan voorkomen als roet, maar ook als grafiet en diamant. Grafiet is zwart en voelt vettig aan en wordt gebruikt in potloden. Onder zeer hoge druk en bij zeer hoge temperatuur verandert grafiet in diamant. Diamant is een heldere vaste stof die vaak in sieraden wordt gebruikt. Het is de hardste stof die bestaat.


(Afbeelding: Y.K. Liao; CC BY-SA 4.0 / Dmgerman; CC BY 3.0 / Pixabay; PD)

Zwavel (S) is een vaste gele stof die veel voorkomt in vulkanische gebieden (zie de linker onderstaande afbeelding). Zwavel is brandbaar en wordt bijvoorbeeld gebruikt in de kop van lucifers en in vuurwerk. Van fosfor (P) bestaat zowel een witte als een rode variant (zie de rechter onderstaande afbeeldingen). De witte variant is giftig, brandbaar en erg reactief. Rode fosfor is minder brandbaar en wordt bijvoorbeeld gebruikt op het strijkvlak van luciferdoosjes.


(Afbeelding: Ben Mills; PD / W. Oelen; CC BY 3.0)

Leerdoelen:
Zorg dat je het verschil begrijpt tussen atomen en moleculen en dat je weet dat niet-metalen zich groeperen in vaste combinaties genaamd moleculen
Zorg dat je de molecuulformules kan aflezen en opschrijven inclusief de toestandsaanduidingen (s, l en g) en de coëfficiënten voor de formules
Zorg dat je de niet-metalen in de rechter kolom van het periodiek systeem de edelgassen zijn en dat de niet-metalen in de tweede kolom van rechts de halogenen zijn
Zorg dat je weet dat metalen uit metaalatomen bestaan die in vaste vorm zich ordenen in een metaalrooster
Zorg dat je weet dat de edelgassen niet reactief zijn en als losse atomen voorkomen en dat de halogenen in paren voorkomen, net als stikstof (N2), zuurstof (O2) en waterstof (H2)
  1. Leer met het onderstaande programma het verschil tussen atomen, atoomsoorten, moleculen en molecuulsoorten.

  2. (1p) Bestaan er meer atoomsoorten of meer molecuulsoorten? Leg je antwoord uit.
  3. (4p) Maak tekeningen van:
    1. 16 Sn(s)
    2. 3 O2(g)
    3. 6 Cu(s)
    4. 8 Hg(l)
  4. (2p) Noteer de molecuulformules van de onderste twee moleculen. (grijs = koolstof, blauw = waterstof, rood = zuurstof)

  5. (2p) Bereken het aantal atomen van elke atoomsoort in 15 CO2.
  6. (2p) Bereken het totaal aantal atomen in vijf suikermoleculen (C12H22O11).
  7. Als suiker (C12H22O11) ontleed wordt, ontstaan koolstof en water.
    1. (1p) Hoeveel koolstofatomen ontstaan er uit één suikermolecuul?
    2. (1p) Hoeveel watermoleculen ontstaan er uit één suikermolecuul?
  8. (2p) Leg uit wat het verschil is tussen Cl2 en 2Cl?
  9. (1p) Wat hebben edelgassen en edelmetalen met elkaar gemeen.
  10. (1p) Waarom worden gloeilampen gevuld met argon en niet met lucht?
  11. (2p) Welke twee eigenschappen maakt helium geschikt als vulling van een zeppelin?
  12. (1p) Een ballon is gevuld met helium. Teken het helium op atomair niveau
  13. (3p) Teken een stikstofmolecuul, een zuurstofmolecuul en een koolstofdioxidemolecuul op atomair niveau. Noteer ook de bijbehorende molecuulformules.
  14. (2p) Teken drie fluormoleculen. Noteer ook de bijbehorende molecuulformule.
  15. (2p) Teken tien broommoleculen op atomair niveau. Noteer ook de bijbehorende molecuulformule.
  16. (1p) In neonverlichting zit neon. Als we door neon een elektrische stroom laten lopen, dan gaat het oplichten. Teken neon op atomair niveau.
  17. Geef aan uit hoeveel atoomsoorten sucrose (C12H2O11) bestaat.
  18. De gassen waterstof en methaan hebben allebei een stofeigenschap waardoor ze in de echte wereld meestal niet worden gebruikt in luchtballonnen. Geef deze stofeigenschap.
  19. 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)
  20. 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)