Atomaire structuur

Atomen zijn de basisbouwstenen van alles om ons heen. Ze zijn er in verschillende soorten, elementen genoemd, maar elk atoom heeft bepaalde kenmerken gemeen. Alle atomen hebben een dichte centrale kern, de atoomkern. De kern wordt gevormd door twee soorten deeltjes: protonen, die een positieve elektrische lading hebben, en neutronen, die geen lading hebben. Alle atomen hebben ten minste één proton in hun kern, en het aantal protonen bepaalt welk soort element een atoom is. Een zuurstofatoom heeft bijvoorbeeld 8 protonen. Als je op de een of andere manier het protonnummer van dit atoom zou kunnen veranderen in 7, zelfs als al het andere hetzelfde zou blijven, zou het niet langer een zuurstofatoom zijn, maar stikstof. Daarom rangschikken we de verschillende elementen naar hun protonnummer, of atoomnummer. Het periodiek systeem der elementen is een overzicht van alle elementen die tot nu toe ontdekt zijn, gerangschikt naar hun atoomnummer.

Naast protonen en neutronen hebben alle atomen elektronen, negatief geladen deeltjes die in de ruimte rond de positief geladen kern bewegen. Elektronen worden in tekeningen meestal veel kleiner afgebeeld dan protonen of neutronen, omdat hun massa zo veel kleiner is. In feite is de massa van elektronen zo klein dat deze niet wordt meegeteld in de massa van een atoom. De ladingskracht van een enkel elektron is echter gelijk aan die van een enkel proton, en ondanks hun kleine massa zijn elektronen belangrijk voor het in evenwicht brengen van de lading van een atoom. Tenzij specifiek anders vermeld, hebben atomen altijd hetzelfde aantal elektronen als protonen; daarom kun je het aantal elektronen vinden door naar het atoomnummer te kijken. Maar in tegenstelling tot protonen kan het aantal elektronen veranderen zonder dat dit invloed heeft op het soort element dat een atoom is!

We weten nu hoe we het aantal protonen en het aantal elektronen voor een bepaald atoom kunnen vinden, maar hoe zit het met neutronen? Hoeveel neutronen hebben atomen van een bepaald element? Dat is NIET altijd hetzelfde als het aantal protonen en elektronen. Bijvoorbeeld, waterstof heeft één proton en één elektron, maar het heeft helemaal geen neutronen! We bepalen dit door naar de atoommassa te kijken. Hoewel een atoom zo klein is dat je er bijna een miljoen voor nodig zou hebben om zelfs maar een klein puntje op je computerscherm te zien, heeft elk atoom wel degelijk massa en neemt het ruimte in. Deze massa komt van de kern. Elk proton en neutron heeft ongeveer evenveel massa, gemeten in daltons, of atomaire massa eenheden (amus). Omdat de meeteenheid wordt gedefinieerd door één proton, is 1 proton = 1 neutron = 1 dalton = 1 amu. Elektronen hebben wel enige massa, maar die is bijna 2000 keer kleiner dan de massa van een proton. Er zijn niet genoeg elektronen in de atomen die we kennen om de totale massa te beïnvloeden; daarom is de totale massa gelijk aan de som van de protonen en de neutronen in een atoom.

Omdat we het aantal protonen en de atoommassa van een atoom kunnen vinden door te kijken naar de elementinformatie in het periodiek systeem, kunnen we het aantal neutronen in dat atoom berekenen door het aantal protonen af te trekken van de atoommassa.

Wanneer het aantal neutronen verschillend is voor individuele atomen van hetzelfde element, wordt elk atoom een isotoop genoemd. Wanneer je een periodiek systeem leest, is de vermelde atoommassa de gemiddelde atoommassa voor alle isotopen van dat element die in de natuur voorkomen. Zo heeft koolstof in het periodiek systeem een atoommassa van 12,01. Koolstof kan geen 6,01 neutronen hebben omdat je geen deel van een neutron kunt hebben. De waarde is hoger dan 6 omdat, terwijl de meeste koolstofatomen 6 neutronen hebben, sommige koolstofatomen worden gevonden met 7 neutronen en andere met 8 neutronen. Voor onze doeleinden ronden we de atoommassa af op het dichtstbijzijnde gehele getal om het aantal neutronen te berekenen.

Atomaire structuur

Deze video laat zien hoe atomen en hun componenten samenwerken.

Valence elektronen

Nu je de kans hebt gehad om met atomen in het algemeen te werken, gaan we wat dieper. Elektronen blijven in een atoom door hun aantrekkingskracht op de positieve lading van de protonen, maar ze zijn niet zo nauw met het atoom verbonden als protonen of neutronen. Elektronen zijn ingewikkelde deeltjes omdat zij veel ruimte in een atoom kunnen innemen, en toch zijn zij ook gebonden aan een specifiek gebied binnen dat atoom. Hoewel de tekeningen waarmee we gewerkt hebben de kern laten zien als een middelgroot, zichtbaar object in het centrum van een atoom, is deze eigenlijk heel klein, en het grootste deel van een atoom bestaat uit de ruimte rond de kern waarin de elektronen bewegen.

Omwille van hun gedeelde negatieve lading, stoten elektronen elkaar af als ze te dicht bij elkaar komen. Tegelijkertijd worden elektronen aangetrokken door de positieve lading van de kern. De details van de energie en de positie van elektronen kunnen erg ingewikkeld worden, maar we zullen ons beperken tot wat we moeten begrijpen om de moleculen van het leven te bestuderen.

Elektronen zijn gerangschikt in energieschillen (ook wel elektronenschillen genoemd) rond de atoomkern. Hoewel de elektronen veel ruimte hebben, willen ze allemaal het dichtst bij de positieve kernlading zijn die hen aantrekt. Tegelijkertijd stoten de elektronen elkaar af vanwege hun negatieve lading, en slechts een paar kunnen op een gegeven moment dicht bij de kern komen. In de praktijk passen er slechts twee elektronen in de driedimensionale ruimte die het dichtst bij de kern is. Deze ruimte wordt de eerste energieschil genoemd. Als er drie elektronen in een atoom zijn, zullen de eerste twee zich in de eerste energieschil bevinden. Het derde elektron zal genoegen moeten nemen met de tweede energieschil, een driedimensionale ruimte iets verder van de atoomkern, waar het alleen zal zijn. In dit voorbeeld wordt het eenzame elektron een valentie-elektron genoemd, en de buitenste energieschil die elektronen bevat wordt de valentieschil genoemd.

De tweede energieschil is groot genoeg om maar liefst acht elektronen te bevatten, gegroepeerd in paren binnen vier elektronenbanen, of ruimten waar elektronen het grootste deel van hun tijd doorbrengen. Dit betekent dat als er maar één elektron in de tweede energieschil zit, er nog veel extra ruimte over is.

Als een energieschil niet volledig is gevuld, zijn de elektronen in die schil niet zo stabiel en is de kans op reacties groter. Daarom hebben atomen de neiging om met andere atomen te reageren op manieren die hun valentieschil vullen of legen om de stabiliteit van een volle buitenste energieschil te verkrijgen. Atomen kunnen dit doen door elektronen te winnen of te verliezen en ionen te worden, of door elektronen te delen met andere atomen en zo stabiele associaties te vormen.

Met behulp van het aantal elektronen en de energieschillen kunnen we het aantal valentie-elektronen voor een bepaald atoom bepalen en de verwachte mate van reactiviteit. Als u werkt met het onderstaande voorbeeld, moet u onthouden dat hoewel we de energieschillen tekenen als cirkels rond een atoomkern, dit niet bedoeld is om een werkelijke elektronenbaan weer te geven. De concentrische cirkels van de energieschillen zijn bedoeld om de gemiddelde afstand weer te geven tussen de elektronen in die energieschil en de atoomkern. In werkelijkheid bewegen de elektronen niet in een cirkelvormige baan zoals in de tekening, maar leggen zij veel gecompliceerdere banen af rond een atoomkern.