HET PERIODIEK SYSTEEM

periodiek systeem

HET PERIODIEK SYSTEEM

Wetenschapsgeschiedenis is in deze les de invalshoek om leerlingen inzicht te geven in het belang en de werking van de tabel van Mendelejev. Er wordt in groepjes gewerkt waarbij elk lid van de groep een periode uit de ontstaangeschiedenis van het periodiek systeem bestudeert. Door onderling gegevens uit te wisselen, titels aan de verschillende periodes toe te kennen en de juiste illustraties daarbij uit te zoeken wordt het verhaal van de zoektocht naar de bouwstenen van het universum gereconstrueerd. Al doende verwerven de leerlingen de nodige kennis over de opbouw en het gebruik van het periodiek systeem.

Doelstellingen De leerlingen kunnen: onderzoekend leren •

een fysisch verschijnsel of proces met behulp van een model voorstellen of uitleggen

wetenschap en samenleving •

voorbeelden geven van mijlpalen in de historische en conceptuele ontwikkeling van de natuurwetenschappen en ze in een tijdskader plaatsen

vakgebonden • • •

• •

het historisch belang van het periodiek systeem toelichten op het periodieke systeem aanwijzen dat de elementen gerangschikt zijn volgens stijgende massa van de atomen op het periodieke systeem aanwijzen dat elementen waarvan de enkelvoudige stoffen overeenkomstige chemische eigenschappen hebben, onder elkaar staan en dus behoren tot dezelfde groep op het periodiek systeem afleiden dat de metalen links staan en de niet-metalen rechts in het periodiek sytseem de groep van edelgassen aanwijzen

1

periodiek systeem • werkbladen ♦ Wat vind jij persoonlijk de meest indrukwekkende prestatie van de wetenschap? Voor wetenschappers zelf, en meer bepaald voor natuur- en scheikundigen is dat de ontdekking van het atoom. Stel je maar eens voor: atomen zijn zo onbegrijpelijk klein dat er wel tien miljoen naast en boven elkaar liggen op het punt dat aan het eind van deze zin staat. Dit kleine stipje drukinkt bevat veel meer atomen dan er sterren in de Melkweg zijn… En dat zijn er 100 miljard. Zelfs de allersterkste microscopen zijn nog een miljoen maal te zwak om een atoom direct te kunnen zien. Hoe komt het dan dat onderzoekers toch hebben kunnen raden dat het heelal uit atomen is samengesteld? Wel, in de allereerste plaats gebruikten ze het belangrijkste instrument dat ze hadden, namelijk hun hersens. Door slim te gissen en hypothesen te bedenken bouwden ze langzaam maar zeker een theorie op hoe atomen eruitzien en wat hun kenmerken zijn. Dat gebeurde echter niet van de ene dag op de andere. In de tekst hieronder vind je een stuk van de eeuwendurende ‘ontdekkingsreis’ terug. De drie andere leden van je groep krijgen elk hun eigen stuk tekst te lezen en dat beschrijft telkens een ander deel van de ontdekkingsreis. Lees je eigen stuk aandachtig, zodat je straks de informatie die jij hebt gelezen, kan vertellen aan de drie anderen en jullie alle vier samen de hele reis kunnen reconstrueren. Kijk ook goed naar de afbeeldingen die bij de tekst staan.

2

periodiek systeem • werkbladen

In de achttiende eeuw heerste nog altijd de opvatting dat alle materie was samengesteld uit de vier oerelementen vuur, aarde, lucht en water, zoals de Griekse filosoof Empedokles eeuwen voordien had beweerd (en hierin navolging kreeg van de grote filosofen Plato en Aristoteles). In de jaren zeventienhonderd van onze tijd waren er nog maar weinig wetenschappers die zich met het onderzoek van stoffen bezighielden. En als ze dat al deden, dan was het om te achterhalen hoe ze lood in zilver en zilver in goud zouden kunnen veranderen. De wetenschap van de stoffen heette toen nog ‘alchemie’. Tot in1669, het jaar waarin fosfor werd ontdekt, waren slechts dertien elementen als enkelvoudige stoffen bekend: in de Oudheid, meer dan 1000 jaar voor onze tijdrekening, kende men er negen (goud, zilver, koper, ijzer, lood, kwik, tin, zwavel en koolstof); in de middeleeuwen werd de reeks, dank zij de alchemisten, uitgebreid met zink, arseen, antimoon en bismut.

Maar al waren er niet zoveel scheikundigen, ze slaagden erin om aan te tonen dat de oude Griekse theorie van de vier grondstoffen niet klopte. Eén van de grootste onderzoekers van die tijd was de Fransman Antoine Lavoisier. Hij hield zich bezig met het verbrandingsproces van stoffen en ontdekte na enige tijd dat verbranding mogelijk wordt gemaakt door een gas, dat hij nadien zuurstof noemde. Zonder de aanwezigheid van dit gas wilden stoffen niet branden. En omdat het mogelijk was een vuur aan te steken in de lucht, moest er volgens Lavoisier ook zuurstof in de lucht zitten. Hij slaagde er verder in te bewijzen dat er niet alleen zuurstof, maar ook nog een ander gas in de lucht zit, namelijk stikstof. Lucht is dus geen grondstof, zoals de Grieken beweerden, maar een samenstelling van twee andere stoffen, zo besloot Lavoisier. Bij zijn onderzoek paste hij heel strikt een wet toe die toen al bekend was en die later zijn naam heeft gekregen: als stoffen bij elkaar worden gebracht en met elkaar reageren (zoals dat bijvoorbeeld het geval was in Lavoisiers verbrandingsexperimenten), dan is de totale massa van deze stoffen even groot na de reactie als daarvoor. Er gaat, met andere woorden, geen grammetje verloren…

3

periodiek systeem • werkbladen De Engelsman Henry Cavendish experimenteerde met een ander gas, waterstof, dat intussen in 1766 was ontdekt. Hij liet het waterstofgas in lucht branden en ontdekte dat er water ontstond. Daaruit leidde hij af dat zuurstof en waterstof samen water vormen en dat water dus al evenmin een grondstof is. In heel Europa begonnen ook andere chemici in hun laboratorium stoffen te splitsen, zoals Lavoisier en Cavendish dit hadden voorgedaan. Ze verwarmden stoffen in speciale ketels, vermaalden en vermengden deze met sterke zuren of losten ze op in water en stuurden er dan elektrische stroom doorheen. Zo kwamen ze erachter dat heel veel stoffen in de natuur zijn samengesteld uit weer andere stoffen. Maar ze troffen ook stoffen aan, zoals zuurstof, stikstof en waterstof en de metalen ijzer en koper, die niet verder kunnen worden opgesplitst. De onderzoekers besloten hieruit dat dit de grondvormen van de stoffen in de natuur waren en dat er in de natuur dus twee typen stoffen voorkomen, namelijk die pure grondvormen en de mengsels van die grondvormen, die ze chemische verbindingen noemden. Water is dus een chemische verbinding die uit de grondstoffen waterstof en zuurstof bestaat; en lucht is een chemische verbinding die uit zuurstof en stikstof is samengesteld. In de achttiende en negentiende eeuw vond er in de hele wereld een intensieve jacht naar grondstoffen plaats. Op de gekste plekken werden nieuwe grondstoffen gevonden, en meestal mocht de vinder de nieuwe stof zelf een naam geven. Zo werd in 1794 een merkwaardige steen gevonden bij het Zweedse dorpje Ytterby. Scheikundigen onderzochten de steen en kwamen tot de vaststelling dat hij uit veertien verschillende grondstoffen bestond. Drie daarvan (terbium, erbium en ytterbium) werden naar Ytterby genoemd.

Na een kleine eeuw zoeken hadden chemici al ruim vijftig grondstoffen ontdekt, maar ze hadden nog steeds geen flauw idee van wat een grondstof nu eigenlijk was. Was het een soort gelijkmatige brei of bestond het uit piepkleine deeltjes die zich bewegen in de lege ruimte, zoals de Griek Democritos in de oudheid en vele Indische en Arabische geleerden ook al hadden beweerd?

4

periodiek systeem • werkbladen ♥ Wat vind jij persoonlijk de meest indrukwekkende prestatie van de wetenschap? Voor wetenschappers zelf, en meer bepaald voor natuur- en scheikundigen is dat de ontdekking van het atoom. Stel je maar eens voor: atomen zijn zo onbegrijpelijk klein dat er wel tien miljoen naast en boven elkaar liggen op het punt dat aan het eind van deze zin staat. Dit kleine stipje drukinkt bevat veel meer atomen dan er sterren in de Melkweg zijn…En dat zijn er 100 miljard. Zelfs de allersterkste microscopen zijn nog een miljoen maal te zwak om een atoom direct te kunnen zien. Hoe komt het dan dat onderzoekers toch hebben kunnen raden dat het heelal uit atomen is samengesteld? Wel, in de allereerste plaats gebruikten ze het belangrijkste instrument dat ze hadden, namelijk hun hersens. Door slim te gissen en hypothesen te bedenken bouwden ze langzaam maar zeker een theorie op hoe atomen eruitzien en wat hun kenmerken zijn. Dat gebeurde echter niet van de ene dag op de andere. In de tekst hieronder vind je een stuk van de eeuwendurende ‘ontdekkingsreis’ terug. De drie andere leden van je groep krijgen elk hun eigen stuk tekst te lezen en dat beschrijft telkens een ander deel van de ontdekkingsreis. Lees je eigen stuk aandachtig, zodat je straks de informatie die jij hebt gelezen, kan vertellen aan de drie anderen en jullie alle vier samen de hele reis kunnen reconstrueren. Kijk ook goed naar de afbeeldingen die bij de tekst staan.

5


Na een kleine eeuw zoeken hadden chemici al ruim vijftig grondstoffen ontdekt, maar ze hadden nog steeds geen flauw idee van wat een grondstof nu eigenlijk was. Was een grondstof een soort gelijkmatige brei of bestond het uit piepkleine deeltjes die zich bewegen in de lege ruimte, zoals de Griek Democritos in de oudheid en vele Indische en Arabische geleerden ook al hadden beweerd?

Dankzij de proeven van de Franse scheikundige Joseph Louis Proust (1754-1826) met de stof die kopercarbonaat wordt genoemd, was men al geruime tijd tot de volgende bevinding gekomen: telkens een chemische verbinding wordt opgesplitst in haar grondstoffen, krijg je voor iedere grondstof hetzelfde aantal delen. In het geval van kopercarbonaat kreeg Proust steeds 5 delen koper, 4 delen koolstof en 1 deel zuurstof. Anders gezegd: splitste hij 10 gram kopercarbonaat, dan ver-kreeg hij 5 gram koper, 4 gram koolstof en 1 gram zuurstof; splitste hij 20 gram, dan verkreeg hij 10 gram koper, 8 gram koolstof en 2 gram zuurstof. De verhoudingen van de verschillende grondstoffen bleven dus constant. Bij andere chemische verbindingen was dit net zo, stelde Proust vast. Het leek wel, zo besloot hij, of ergens in een wet is vastgelegd wat de verhouding tussen de grondstoffen van een chemische verbinding is. In 1803 schreef de Engelse scheikundige John Dalton een boek waarin hij stelde dat de waarnemingen van Proust de hypothese onder-steunden dat de grond-stoffen zijn opgebouwd uit piepkleine deeltjes, die op één of andere manier aan elkaar zijn gekoppeld. In navolging van Democritus noemde Dalton zo’n deeltje een atoom (’atomos’ betekent ‘niet te snijden’, ‘ondeelbaar’, in het oude Grieks), en werd zijn theorie de atoomtheorie genoemd.

6

periodiek systeem • werkbladen Volgens Dalton zijn atomen massieve bollen. Atomen van eenzelfde element zijn gelijk in massa, omvang en chemische eigenschappen en verschillen, wat massa, omvang en eigenschappen betreft, van de atomen van elk ander element. John Dalton hield zich bezig met het vastleggen van de massa (toen sprak men nog van ‘gewicht’) van de gekende grondstoffen in verhouding tot het lichtste element, namelijk waterstof. Zo is de grondstof lithium, een zacht metaal, zeven maal zwaarder dan waterstof, stelde hij vast. In 1810 publiceerde Dalton een tabel met de atoommassa’s van 20 elementen, waarbij de plaats van elk element werd bepaald door zijn massa in verhouding tot de massa van waterstof.

De atoomtheorie werd al heel snel populair, omdat ze een uitstekende en eenvoudige verklaring leverde voor chemische bindingen. De atomen van de grondstoffen koppelen zich op een bepaalde manier aan elkaar in wat vandaag de dag moleculen worden genoemd. In een chemische verbinding zijn alle moleculen aan elkaar gelijk. En dat verklaart meteen de vaste verhouding van de verschillende grondstoffen. Het grootste probleem van de atoomtheorie was echter dat men de atomen niet kon zien. Er bestonden geen instrumenten die dat mogelijk maakten, en er waren dus geen rechtstreekse bewijzen voor het bestaan van atomen.

Zoals vaak gebeurt, stak op een gegeven moment het toeval een handje toe. In 1828 bestudeerde een Schotse plantenkundige Robert Brown stuifmeelkorrels van een bepaalde plant, de Clarkia. Toen hij stuifmeelkorrels observeerde die in het water van een beek dreven, stelde hij vast dat ze de hele tijd bewogen. Ze dreven alle kanten op, totaal willekeurig en met kleine schokjes. Eerst dacht hij dat deze beweging werd veroorzaakt door het feit dat de korrels leefden en dat ze echt zwommen. Maar toen hij hetzelfde zag bij gewone stofkorrels, begreep hij dat er hier natuurkundige wetten aan het werk waren. Voor de aanhangers van de atoomtheorie was de ontdekking een belangrijke aanwijzing in het voordeel van de atoomtheorie: de beweging van de korrels ontstond, zo stelden ze, doordat ze gebombardeerd

7

periodiek systeem • werkbladen werden met watermoleculen. De moleculen zijn de hele tijd in beweging en botsen met de stuifmeelkorrels. Zo nu en dan wordt een korrel aan één kant door meerdere moleculen tegelijk getroffen en drijft daardoor de andere kant op. Daarna wordt de korrel door enkele andere deeltjes geraakt en verandert hij van richting. Dit herhaalt zich de hele tijd en heeft tot gevolg dat de korrel nooit stilligt. De ontdekking van de plantkundige werd door de aanhangers van de atoomtheorie dankbaar aangegrepen als een onrechtstreeks bewijs voor het bestaan van atomen, gebaseerd op de waarneming van het effect dat ze hebben op de omgeving waarin ze zich bevinden.

8


♣ Wat vind jij persoonlijk de meest indrukwekkende prestatie van de wetenschap? Voor wetenschappers zelf, en meer bepaald voor natuur- en scheikundigen is dat de ontdekking van het atoom. Stel je maar eens voor: atomen zijn zo onbegrijpelijk klein dat er wel tien miljoen naast en boven elkaar liggen op het punt dat aan het eind van deze zin staat. Dit kleine stipje drukinkt bevat veel meer atomen dan er sterren in de Melkweg zijn…En dat zijn er 100 miljard. Zelfs de allersterkste microscopen zijn nog een miljoen maal te zwak om een atoom direct te kunnen zien. Hoe komt het dan dat onderzoekers toch hebben kunnen raden dat het heelal uit atomen is samengesteld? Wel, in de allereerste plaats gebruikten ze het belangrijkste instrument dat ze hadden, namelijk hun hersens. Door slim te gissen en hypothesen te bedenken bouwden ze langzaam maar zeker een theorie op hoe atomen eruitzien en wat hun kenmerken zijn. Dat gebeurde echter niet van de ene dag op de andere. In de tekst hieronder vind je een stuk van de eeuwendurende ‘ontdekkingsreis’ terug. De drie andere leden van je groep krijgen elk hun eigen stuk tekst te lezen en dat beschrijft telkens een ander deel van de ontdekkingsreis. Lees je eigen stuk aandachtig, zodat je straks de informatie die jij hebt gelezen, kan vertellen aan de drie anderen en jullie alle vier samen de hele reis kunnen reconstrueren. Kijk ook goed naar de afbeeldingen die bij de tekst staan.

9

periodiek systeem • werkbladen Steeds meer onderzoekers raakten overtuigd van de juistheid van de atoom-theorie. Maar als atomen inderdaad bestonden, wat kon dan de verklaring zijn voor het grote verschil tussen de grondstoffen? Had het verschil uitsluitend iets te maken met de massa (toen sprak men nog van ‘gewicht’) van de grondstoffen? De grondlegger van de atoomtheorie, John Dalton, had vooral in die richting onderzoek gedaan en in 1810 een tabel gepubliceerd met de atoommassa van 20 elementen, waarbij de plaats van elk element werd bepaald door zijn massa in verhouding tot de massa van waterstof.

Of waren er andere factoren die het verschil tussen de grondstoffen bepaalden? De ontdekking van steeds meer nieuwe elementen leidde de wetenschappers tot de vaststelling dat elementen dezelfde eigenschappen bezaten die dan bij andere elementen niet terug te vinden waren. Zo vond men dat goud, zilver en platina, in tegenstelling tot andere metalen niet roesten; dat de metalen kalium en natrium brandbaar zijn; dat gassen als waterstof en zuurstof, in tegenstelling tot andere gassen, kleur- en reukloos zijn. Met andere woorden: elementen konden, op basis van een bepaalde eigenschap, gegroepeerd worden. Zou het mogelijk zijn een ordening te verzinnen voor alle bestaande elementen op basis van hun eigenschappen en zo misschien een verklaring te vinden voor deze eigenschappen?

Verschillende onderzoekers deden een poging om de gekende grondstoffen op een of andere manier te ordenen. De Russische chemicus Dmitri Ivanovich Mendelejev stelde een klassificatie voor die gebaseerd was op stijgende atoommassa, waarbij de elementen met gelijkaardige eigenschappen onder elkaar

10

periodiek systeem • werkbladen kwamen

te

staan.

Met

eigen-

schappen wordt hier bijvoorbeeld bedoeld of de stof een goede geleider is voor warmte of elektrische stroom, of ze zich gemakkelijk verbindt met een andere stof, of ze glanzend is dan wel dof.

Hiernaast is het ontwerp afgedrukt van de eerste versie van het periodiek systeem dat Mendelejev publiceerde in zijn historisch artikel ‘Een voorstel voor een systeem der elementen’ (1869). Gelezen vanaf de bovenkant links geven de verticale kolommen de elementen in volgorde van opklimmende atoommassa. De horizontale rijen geven de elementen weer in groepen met gelijksoortige, maar gradueel verschillende eigenschap-pen. Het omvatte alle tot dan toe gekende elementen. Ook Mendelejev moest toegeven dat er op het eerste gezicht een aantal afwijkingen schenen voor te komen. Om te beginnen, als alle elementen horizontaal werden gegroepeerd op grond van hun eigenschappen, had dit tot gevolg dat sommige atoommassa’s niet precies pasten in de opklimmende reeks: bijvoorbeeld thorium (Th = 118), onderaan in de vierde verticale kolom, en tellurium (Te = 128), in de vijfde kolom. In dergelijke gevallen had Mendelejev de atoommassa voorzien van een vraagteken, suggererend dat de massa verkeerd berekend was. Hier, zo beweerde hij, had de wetenschap ongelijk en hij gelijk! Nog brutaler was zijn suggestie dat hij andere afwijkingen in zijn systeem perfect kon verklaren. Op plaatsen waar geen enkel element in het patroon paste, liet hij gewoonweg ruimte open. Hij voorspelde dat deze plekken ooit zouden worden opgevuld door elementen die op dat moment nog niet waren ontdekt. Zo voorspelde hij dat er in de negende horizontale rij (de groep die met B = 11 begint) een element tussen aluminium (Al = 27,1) en uranium (Ur = 116) moest zitten. Hij stelde dat wanneer het zou worden ontdekt, het een atoommassa van 68 zou hebben (? = 68) en voorspelde de eigenschappen ervan. Ook in de volgende horizontale rij (die met C = 12 begint)

voorspelde hij de komst van een element tussen silicium (Si = 28) en tin (Sn = 118), dat hij aangaf met ? = 70.

11


Ondanks deze schijnbare tekortkomingen van zijn systeem was Mendelejev er zeker van dat hij het bij het rechte eind had. Er was nog iets dat hem in die overtuiging steunde. Het patroon dat uit zijn systeem naar voor kwam werd op een geheimzinnige manier herhaald door een patroon in de opeenvolging van de valenties van de elementen, d.w.z. de mate waarin de atomen zich konden binden met andere atomen. Het metaal lithium (Li = 7) heeft een valentie van 1. Dat betekent dat, als het atoom een bol is, het één ‘arm’ heeft waarmee het zich kan koppelen aan een ander atoom. Het volgende element in de volgorde van opklimmende atoommassa is beryllium (Be = 9,4) dat een valentie van 2 heeft, waardoor het zich met twee andere atomen kan verbinden. De valentie van het daaropvolgende element, borium (B = 11) is 3, en daarna komt koolstof (C = 12) met een valentie 4. Bij het volgende element werd de mooie reeks echter verstoord: van 4 sprong ze terug naar 3, dan naar 2 en tenslotte naar 1. Een gelijkaardige stijging en daling van de valentie kwam min of meer terug over de hele tabel. In de tweede versie van zijn periodiek systeem (1870) is het probleem van de terug dalende valenties opgelost. De elementen zijn nu geplaatst in 12 horizontale rijen, zo dat de elementen met gelijkaardige eigenschappen onder elkaar komen te staan.

Nu blijken dezelfde groepen dezelfde valentie te hebben. De elementen in de stikstofgroep (van bovenaf de elfde rij, te beginnen met N = 14) hebben allemaal een valentie van 3. De groep daaronder (de zuurstofgroep, beginnend met O = 16) heeft een valentie van 2 en de groep daar weer onder heeft een valentie van 1. Ook hier 12

periodiek systeem • werkbladen pasten in een aantal gevallen de valenties niet geheel in het patroon of moesten elementen niet in overeenstemming met de volgorde geplaatst worden, maar Mendelejev wist zeker dat ook deze afwijkingen ooit verklaard zouden worden.

De wetenschappelijke wereld was niet overtuigd. De weerstand tegen de ideeën van Mendelejev was groot. Vier jaar na de publicatie van de ‘horizontale’ versie van het periodiek systeem, gebeurde het ongelooflijke: een Franse chemicus ontdekte een nieuw element (hij noemde het gallium), dat een atoommassa van 69 en de eigenschappen van de boriumgroep bleek te hebben, waardoor het in het systeem inderdaad terechtkwam tussen aluminium en uranium, zoals Mendelejev had voorspeld. Vijf jaar later ontdekte een Duitse chemicus een stof die hij germanium noemde en die wat atoommassa en eigenschappen betreft perfect paste op de door Mendelejev voorziene plaats tussen silicium en tin. Niemand kon nu nog langer twijfelen aan het periodiek systeem van Mendelejev …

Een belangrijke stap was nu gezet: in de grote hoeveelheid elementen waaruit het universum is opgebouwd is een ordening aangebracht waaruit blijkt dat er een samenhang is tussen de chemische eigenschappen van atomen en hun massa. Maar de vraag wat de oorzaak is van die samenhang: die moest nog beantwoord worden.

13


♠ Wat vind jij persoonlijk de meest indrukwekkende prestatie van de wetenschap? Voor wetenschappers zelf, en meer bepaald voor natuur- en scheikundigen is dat de ontdekking van het atoom. Stel je maar eens voor: atomen zijn zo onbegrijpelijk klein dat er wel tien miljoen naast en boven elkaar liggen op het punt dat aan het eind van deze zin staat. Dit kleine stipje drukinkt bevat veel meer atomen dan er sterren in de Melkweg zijn…En dat zijn er 100 miljard. Zelfs de allersterkste microscopen zijn nog een miljoen maal te zwak om een atoom direct te kunnen zien. Hoe komt het dan dat onderzoekers toch hebben kunnen raden dat het heelal uit atomen is samengesteld? Wel, in de allereerste plaats gebruikten ze het belangrijkste instrument dat ze hadden, namelijk hun hersens. Door slim te gissen en hypothesen te bedenken bouwden ze langzaam maar zeker een theorie op hoe atomen eruitzien en wat hun kenmerken zijn. Dat gebeurde echter niet van de ene dag op de andere. In de tekst hieronder vind je een stuk van de eeuwendurende ‘ontdekkingsreis’ terug. De drie andere leden van je groep krijgen elk hun eigen stuk tekst te lezen en dat beschrijft telkens een ander deel van de ontdekkingsreis. Lees je eigen stuk aandachtig, zodat je straks de informatie die jij hebt gelezen, kan vertellen aan de drie anderen en jullie alle vier samen de hele reis kunnen reconstrueren. Kijk ook goed naar de afbeeldingen die bij de tekst staan.

14


Voor de ontwikkeling van het inzicht in de atomen was in 1869 een belangrijke stap gezet: in de grote hoeveelheid elementen waaruit het universum is opgebouwd werd door de Russische chemicus Mendelejev een ordening aangebracht waaruit blijkt dat er een samenhang is tussen de chemische eigenschappen van atomen en hun massa. Maar de vraag wat de oorzaak is van die samenhang: die moest nog beantwoord worden.

Een tipje van de sluier kon worden opgelicht dankzij onderzoek naar het verschijnsel elektriciteit. Tijdens de negentiende eeuw werden er telkens weer nieuwe elektrische uitvindingen gedaan, zonder dat men eigenlijk goed wist wat deze uitvindingen mogelijk maakte, met andere woorden wat elektrische stroom eigenlijk was. Heel wat experimenten werden opgezet, maar elektrische stroom kon als zodanig niet los van de koperen leiding waardoor hij stroomde worden waargenomen. En dat bemoeilijkte het onderzoek natuurlijk in grote mate. Er kwam verandering toen een Duitse glasblazer erin slaagde om een glazen buis te vervaardigen die luchtledig was. Toen aan beide uiteinden van deze buis een koperstaafje werd geplaatst en de staafjes werden verbonden met een batterij, ontstond een groot spanningsverschil tussen de twee staafjes en begon de buis te gloeien. Het leek of er zich iets van de ene kant van de buis naar de andere kant bewoog. Na veel discussie in de wetenschappelijke wereld en na verdere experimenten, kwam de Engelse natuurkundige Joseph Thomson tot het besluit dat de gloed ontstond doordat kleine deeltjes koper zich van het negatief geladen staafje losmaakten onder invloed van de elektromagnetische kracht van de batterij. Omdat de deeltjes ontstonden aan het negatief geladen staafje en aangetrokken werden door het positief geladen staafje, kon het niet anders dan dat die deeltjes negatief geladen waren. Thomson noemde de negatief geladen deeltjes elektronen. Door wiskundige formules toe te passen slaagde Thomson er ook in uit te rekenen hoeveel een elektron woog in verhouding 15

periodiek systeem • werkbladen tot een atoom. De verrassing was groot: een elektron is 2000 keer lichter dan een waterstofatoom en 120 000 keer lichter dan een koperatoom! Tot op dat ogenblik hadden wetenschappers altijd gedacht dat atomen de kleinste delen van het heelal waren, maar nu bleken diezelfde atomen in vergelijking met elektronen giganten te zijn…

Het atoommodel dat Thomson in 1804 voorstelde zag er als volgt uit: het atoom is als een massieve bol waarin de positieve lading homogeen verdeeld is en de deeltjes negatieve lading (de elektronen) gelijkmatig verdeeld zitten aan de buitenkant van de bol.

Ondertussen waren nog andere onderzoekers in hun laboratorium tot de bevinding gekomen dat bepaalde grondstoffen een vorm van straling uitzenden. Dat was bijvoorbeeld het geval bij uranium en bij de twee grondstoffen die door de Poolse scheikundige Marie Curie werden ontdekt, polonium en radium. Zij was het ook die de term ‘radioactief’ bedacht, om te verwijzen naar alle stoffen die straling uitzenden.

Toen de Engelse natuurkundige Ernest Rutherford deze straling nader onderzocht stelde hij vast dat de straling bestond uit een stroom van deeltjes die als het ware werden uitgespuwd door de atomen van de radioactieve stof. In bepaalde gevallen ging het om positief geladen deeltjes die heliumatomen bleken te zijn (dan sprak Rutherford van alfa-deeltjes en alfastraling), in andere gevallen om negatief geladen deeltjes (hiervoor gebruikte hij de termen betadeeltjes en beta-straling). In 1909 deed Rutherford een experiment waarbij hij een radioactieve stof voor een uiterst dunne goudfolie plaatste en deze liet bestralen met alfa-deeltjes vanuit de radioactieve stof. Goudatomen zijn groot en zwaar en laten zich

16

periodiek systeem • werkbladen niet zo gemakkelijk in beweging brengen door kleine, lichte heliumatomen en ze zouden de alfa-deeltjes tegenhouden en wegkaatsen naar de punten A en B van de fotografische plaat. Wat bleek bij de uitvoering van de proef? Dat slechts 1% van de alfa-deeltjes die op de folie worden gestraald worden weg gekaatst en 99% dwars door de goudfolie heen gaan.

De conclusie die volgens Rutherford uit het experiment moest worden getrokken was de volgende: atomen zijn geen massieve massa (zoals Dalton en Thomson steeds hadden beweerd), maar bestaan uit een harde centrale kern; en de elektronen zitten niet vastgebakken in de kern, maar cirkelen eromheen, in een soort van wolk. Om je een betere voorstelling te kunnen maken van de verhouding kern-elektronenwolk, neem je een ruimte zo groot als een sporthal: dat is de atoom; de kern heeft een grootte van een zandkorrel en bevindt zich in het midden van de ruimte; in de hele ruimte van de hal suizen de elektronen met een enorme vaart rond de zandkorrel. De reden dat de meeste alfadeeltjes door de goudfolie raakten, was omdat ze niet tegen de kern waren opgebotst, maar zonder moeite doorheen de wolk gesuisd. Dat een kern en zijn wolk negatief geladen deeltjes bij elkaar blijven komt doordat de kern positief geladen is. Bij verder onderzoek naar mogelijke bouwstenen van de atoomkern kwam Rutherford tot de vaststelling dat de kern kon bestaan uit meerdere deeltjes. Hij noemde ze protonen. Met de ontdekking van de protonen was meteen ook de verklaring gevonden van het verschil tussen grondstoffen. Want wat bleek? Elke grondstof heeft een ander aantal protonen. Wat waterstof waterstof maakt is het feit dat de kern uit 1 proton bestaat, en helium is helium doordat de kern uit 2 protonen bestaat. En dat geldt voor alle grondstoffen:

17

periodiek systeem • werkbladen alle atomen met 6 protonen zijn koolstofatomen, die met 8 protonen zijn zuurstofatomen, enz. Uit het feit dat de protonen, die toch allemaal een positieve lading hebben, elkaar niet afstoten leidde Rutherford het bestaan van een tweede soort deeltje in de atoomkern af: de neutronen. Ze zouden zich tussen de protonen bevinden en geen lading hebben, waardoor ze werken als een soort lijm die de protonen in de kern samenhoudt, zo was de hypothesis van Rutherford. In 1931, toen de Engelsman Chadwick het bestaan van neutronen via allerlei experimenten aantoonde, werd de hypothese van Rutherford bevestigd. Het atoommodel van Rutherford had echter één zwakke plek: omdat positieve en negatieve ladingen elkaar aantrekken, zouden de kleine en lichte elektronen uiteindelijk toch worden aangetrokken door de veel sterkere protonen en bovenop de kern belanden. De Deense natuurkundige Niels Bohr kwam in 1913 met een voorstel dat de atoomtheorie redde.Volgens hem konden elektronen niet zomaar willekeurig rond de atoomkern cirkelen, maar volgden ze vaste banen en verzamelden ze zich in een soort ‘schil’. Zolang de elektron zich in zo’n schil bevond, zou hij niet op de atoomkern terechtkomen, maar bleef hij rondjes draaien.

Volgens Bohr konden er verschillende elektronen in dezelfde schil aanwezig zijn. En ieder atoom had een beperkt aantal schillen. Bohr ontdekte vaste regels voor het aantal elektronen in iedere schil en voor het aantal schillen dat een atoom kan hebben.

18


OPDRACHT 1 De geschiedenis van de atoom werd in deze opdracht opgedeeld in vier fasen. 1.1 Elk van jullie heeft de beschrijving van één fase doorgenomen en moet nu een geschikte titel voor zijn/haar fase kiezen. Je kunt kiezen tussen de volgende mogelijkheden: De eerste stappen naar een theorie De ontdekking van radioactieve stoffen De zoektocht naar ‘grondstoffen’ Netjes op rijen Van model naar model, en het wordt steeds beter… Vier oerelementen Een onrechtstreeks bewijs voor de atoomtheorie Welke keuze maak je? Of verzin je liever zelf een titel voor je deel? 1.2 Maak je keuze kenbaar aan de andere leden van je groep en verantwoord ze door hen te vertellen wat er in jouw stuk tekst precies wordt verteld. Maak daarbij gebruik van de afbeeldingen hieronder die je herkent omdat ze bij jouw stuk tekst voorkwamen. Elke titel kan slechts één keer worden gebruikt … 2 Beslis samen in welke volgorde de afbeeldingen moeten gelegd worden om de hele ontdekkingsreis visueel weer te geven. 3 Beslis samen wat de volgorde is van de vier stukken tekst en nummer de bladen of niet ze samen tot één geheel. Neem de tekst mee naar huis en herlees het hele verhaal.

19


20


21


22

HET PERIODIEK SYSTEEM

Recommend Documents