Atoomstructuur: waaruit een atoom bestaat

Alle materie om je heen, van lucht tot je eigen lichaam, is opgebouwd uit ongeveer negentig soorten atomen. Een atoom is ongeveer 10⁻¹⁰ m groot (0,1 nanometer): tien miljoen atomen naast elkaar is een millimeter. Toch heeft het een duidelijke inwendige bouw, en die bouw verklaart waarom het periodiek systeem eruitziet zoals het eruitziet en waarom stoffen reageren zoals ze doen.

Protonen, neutronen en elektronen

De atomaire massa-eenheid u is 1,66 · 10⁻²⁷ kg, ongeveer de massa van één proton of neutron. Drie dingen om te onthouden:

• Weegt een neutron meer dan een elektron? Ja, ruim 1800 keer zoveel: 1,6749 · 10⁻²⁷ / 9,109 · 10⁻³¹ ≈ 1839. Een neutron is zelfs iets zwaarder dan een proton (ongeveer 0,14%).
• De lading van een proton en een elektron is precies even groot, maar tegengesteld. Een atoom met evenveel protonen als elektronen is dus neutraal.
• Protonen en neutronen zijn zelf weer opgebouwd uit drie quarks; elektronen zijn, voor zover bekend, niet opgebouwd uit kleinere deeltjes.

Omdat elektronen zo licht zijn, zit meer dan 99,9% van de massa van een atoom in de kern. Die kern is ongeveer 100 000 keer kleiner dan het hele atoom. Als de kern een knikker van 1 cm was, zou het atoom een bol met een doorsnede van een kilometer zijn. De rest is lege ruimte waarin de elektronen zich bewegen.

Atoomnummer en massagetal

Een atoomsoort wordt beschreven met twee getallen:

De notatie is ᴬ_ZX, bijvoorbeeld ²³₁₁Na voor natrium-23. Het atoomnummer vind je in het periodiek systeem; het massagetal staat erbij of in de naam (koolstof-14). Het aantal elektronen in een neutraal atoom is gelijk aan Z.

Voorbeeld 1 — ijzer-56. IJzer heeft Z = 26. Dus: 26 protonen, 56 − 26 = 30 neutronen en (neutraal) 26 elektronen.

Voorbeeld 2 — de massa van één atoom. Een koolstof-12-atoom heeft per definitie een massa van precies 12 u = 12 × 1,66 · 10⁻²⁷ kg ≈ 1,99 · 10⁻²⁶ kg. Van die massa komt maar 6 × 0,00055 u ≈ 0,003 u van de zes elektronen.

Isotopen

Isotopen zijn atomen van hetzelfde element (gelijk aantal protonen) met een verschillend aantal neutronen. Ze hebben dus een ander massagetal, maar dezelfde elektronenbouw en daardoor vrijwel hetzelfde chemische gedrag.

Voorbeeld 3 — waarom chloor 35,45 u weegt. De atoommassa in het periodiek systeem is het gewogen gemiddelde van de isotopen: 0,758 × 34,97 u + 0,242 × 36,97 u = 26,51 + 8,95 ≈ 35,45 u. Daarom is de atoommassa van chloor geen heel getal.

Sommige isotopen zijn instabiel: hun kern valt na verloop van tijd uiteen onder uitzending van straling. Koolstof-14 wordt gebruikt om de ouderdom van hout, bot en textiel te bepalen. Hoe dat werkt, staat in radioactief verval.

Elektronenschillen

De elektronen bewegen in bepaalde energieniveaus rond de kern: de schillen. Ze heten K, L, M, N enzovoort (of 1, 2, 3, 4). Schil n kan maximaal 2n² elektronen bevatten: 2, 8, 18, 32. De schillen worden van binnen naar buiten gevuld, met één afwijking die je op school tegenkomt: de M-schil wordt bij kalium en calcium eerst ‘gepauzeerd’ bij 8 elektronen, waarna de N-schil begint.

De buitenste schil heet de valentieschil; de elektronen daarin bepalen het chemische gedrag. Het aantal schillen geeft de periode (rij) in het periodiek systeem, het aantal valentie-elektronen de groep (kolom). Zie groepen en perioden. Atomen met een volle buitenschil zijn de edelgassen. Het schillenmodel komt van Niels Bohr (zie het atoommodel van Bohr); in het moderne quantummodel zijn schillen opgedeeld in orbitalen, waarschijnlijkheidswolken waarin een elektron zich bevindt.

Ionen: atomen met een lading

Een ion is een atoom (of groep atomen) dat elektronen heeft afgestaan of opgenomen. Het aantal protonen verandert nooit bij een chemische reactie; alleen het aantal elektronen.

• Positief ion (kation): elektronen afgestaan. Na → Na⁺ + e⁻. Na⁺ heeft 11 protonen en 10 elektronen.
• Negatief ion (anion): elektronen opgenomen. Cl + e⁻ → Cl⁻. Cl⁻ heeft 17 protonen en 18 elektronen.

Voorbeeld 4. Hoeveel elektronen heeft Fe³⁺? IJzer heeft 26 protonen; de lading 3+ betekent 3 elektronen minder, dus 23. En O²⁻? Zuurstof heeft 8 protonen; 2− betekent 2 elektronen extra, dus 10 — evenveel als het edelgas neon. Hoe ionen samen zouten vormen, lees je in chemische bindingen.

Waarom valt de kern niet uit elkaar?

In de kern zitten positief geladen protonen dicht op elkaar. Gelijke ladingen stoten elkaar af, en op zo’n kleine afstand is die afstoting enorm. Toch blijft de kern bij elkaar door de sterke kernkracht: een aantrekkende kracht tussen protonen en neutronen die op heel korte afstand (ongeveer de grootte van een kern) veel sterker is dan de elektrische afstoting, maar daarbuiten vrijwel nul. Neutronen spelen daarbij een belangrijke rol: ze dragen bij aan de kernkracht zonder de afstoting te vergroten. Lichte kernen hebben ongeveer evenveel neutronen als protonen (koolstof-12: 6 en 6); zware kernen hebben er meer nodig (lood-208: 82 protonen en 126 neutronen). Kernen met een ongunstige verhouding zijn instabiel en radioactief.

Van Dalton tot quantummodel

Het beeld van het atoom groeide in stappen. John Dalton beschreef atomen rond 1803 als ondeelbare bolletjes. J.J. Thomson ontdekte in 1897 het elektron en stelde zich het atoom voor als positieve massa met elektronen erin: het krentenbolmodel. Ernest Rutherford schoot in 1911 alfadeeltjes op dun goudfolie; de meeste gingen er recht doorheen, een enkele kaatste terug. Conclusie: een atoom is grotendeels leeg met een kleine, zware, positieve kern. Niels Bohr voegde in 1913 de schillen toe, en James Chadwick ontdekte in 1932 het neutron. Sindsdien beschrijft de quantummechanica elektronen niet meer als balletjes in banen maar als golven (zie golf-deeltjedualiteit).

Veelgestelde vragen

Verder lezen