A. Overzicht van elementen en atomen
Het verschil tussen elementen en atomen wordt vaak verward in informele gesprekken. Beide termen beschrijven materie, stoffen met massa. Verschillende elementen zijn verschillende soorten materie die zich onderscheiden door verschillende fysische en chemische eigenschappen. Het atoom is op zijn beurt de fundamentele eenheid van materie…, dat wil zeggen, van een element.
Het aantal positief geladen protonen en neutrale neutronen in een atoomkern zorgt voor het grootste deel van de massa van een atoom. Elk negatief geladen elektron dat in een baan om een atoomkern draait is ongeveer 1/2000ste van de massa van een proton of neutron. Zij voegen dus niet veel toe aan de massa van een atoom. Elektronen blijven in atoombanen vanwege de elektromagnetische krachten, d.w.z. hun aantrekkingskracht op de positief geladen kernen. De grootte van de kern (massa) en de wolk van elektronen rond de kern bepalen de structuur van een atoom. En die structuur dicteert de verschillende eigenschappen van de elementen.
Bedenk dat atomen chemisch het meest stabiel zijn wanneer zij elektrisch ongeladen zijn, met een gelijk aantal protonen en elektronen. Isotopen van hetzelfde element zijn atomen met hetzelfde aantal protonen en elektronen, maar een verschillend aantal neutronen. Daarom zijn isotopen ook chemisch stabiel, maar ze zijn misschien niet fysisch stabiel. Zo bevat de meest voorkomende isotoop van waterstof één proton, één elektron en geen neutronen. De kern van de deuterium-isotoop van waterstof bevat één neutron en die van tritium twee neutronen. Beide isotopen komen voor in watermoleculen. Deuterium is stabiel. Het tritiumatoom daarentegen is radioactief, en onderhevig aan nucleair verval na verloop van tijd. Of ze nu fysisch stabiel zijn of niet, alle isotopen van een element hebben dezelfde chemische en elektromagnetische eigenschappen en gedragen zich hetzelfde in chemische reacties.
De elektromagnetische krachten die elektronen in een baan om hun kern houden, maken de vorming van chemische bindingen in moleculen mogelijk. Wij modelleren atomen om de gemiddelde fysieke plaats van elektronen (het orbitale model) enerzijds, en hun potentiële energieniveaus (het Bohr- of schelpmodel) anderzijds te illustreren. Bekijk de hieronder afgebeelde modellen voor helium.
Tot twee elektronen bewegen in een ruimte die als een orbitaal wordt gedefinieerd. Elektronen nemen niet alleen verschillende gebieden rond de kern in, maar hebben ook verschillende energieniveaus en bewegen met verschillende kinetische energie. Elektronen kunnen ook energie opnemen of verliezen, van het ene energieniveau naar het andere springen of vallen.
Een uniek atoomnummer (aantal protonen) en atoommassa (gewoonlijk gemeten in Daltons, of Da) kenmerken de verschillende elementen. Elk element wordt gedefinieerd door een uniek symbool met een atoomnummer in superscript en een atoommassa in subscript. Neem bijvoorbeeld de meest voorkomende isotoop van koolstof (C). Zijn atoomnummer is 6 (het aantal protonen in zijn kern) en zijn massa is 12 Da (6 protonen en 6 neutronen van elk 1 Da!). Vergeet niet dat de massa van de elektronen in een koolstofatoom (C) te verwaarlozen is!
Zoek het C-atoom en bekijk enkele andere atomen van elementen in het partiële periodieke systeem hieronder.
Dit partiële periodieke systeem laat de elementen zien die essentieel zijn voor al het leven in meer of mindere mate, evenals enkele die ook essentieel kunnen zijn voor de mens.
122 Atomen en Elementen