by: adminPosted on:

Inleidende Scheikunde – Hoorcollege & Lab

Leerdoelen

Aan het eind van dit deel zul je in staat zijn om:

  • De periodieke wet verklaren en de organisatie van elementen in het periodiek systeem uitleggen
  • De algemene eigenschappen van elementen voorspellen op basis van hun plaats in het periodiek systeem
  • Metalen, niet-metalen en metalloïden identificeren op basis van hun eigenschappen en/of plaats in het periodiek systeem

Toen vroege scheikundigen werkten aan het zuiveren van ertsen en meer elementen ontdekten, realiseerden ze zich dat verschillende elementen konden worden gegroepeerd op basis van hun vergelijkbare chemische gedrag. Een van die groepen is lithium (Li), natrium (Na) en kalium (K): Deze elementen glanzen allemaal, geleiden warmte en elektriciteit goed, en hebben vergelijkbare chemische eigenschappen. Een tweede groep omvat calcium (Ca), strontium (Sr) en barium (Ba), die ook glanzen, warmte en elektriciteit goed geleiden, en chemische eigenschappen gemeen hebben. De specifieke eigenschappen van deze twee groepen verschillen echter aanzienlijk van elkaar. Bijvoorbeeld: Li, Na, en K zijn veel reactiever dan Ca, Sr, en Ba; Li, Na, en K vormen verbindingen met zuurstof in een verhouding van twee van hun atomen op één zuurstofatoom, terwijl Ca, Sr, en Ba verbindingen vormen met één van hun atomen op één zuurstofatoom. Fluor (F), chloor (Cl), broom (Br) en jodium (I) vertonen ook soortgelijke eigenschappen, maar deze eigenschappen zijn drastisch verschillend van die van elk van de bovenstaande elementen.

Dimitri Mendeleev in Rusland (1869) en Lothar Meyer in Duitsland (1870) erkenden onafhankelijk van elkaar dat er een periodiek verband bestond tussen de eigenschappen van de elementen die op dat moment bekend waren. Beiden publiceerden tabellen met de elementen gerangschikt volgens toenemende atomaire massa. Maar Mendelejev ging een stap verder dan Meyer: hij gebruikte zijn tabel om het bestaan te voorspellen van elementen die de eigenschappen zouden hebben van aluminium en silicium, maar die nog onbekend waren. De ontdekkingen van gallium (1875) en germanium (1886) vormden een grote steun voor het werk van Mendelejev. Hoewel Mendelejev en Meyer het lang oneens waren over de voorrang, worden Mendelejevs bijdragen aan de ontwikkeling van het periodiek systeem nu meer algemeen erkend (figuur 1).

Figuur 1. (a) Dimitri Mendelejev wordt algemeen gecrediteerd voor het b) opstellen van het eerste periodiek systeem der elementen. (credit a: bewerking van werk van Serge Lachinov; credit b: bewerking van werk van “Den fjättrade ankan”/Wikimedia Commons)

Tegen de twintigste eeuw werd het duidelijk dat de periodieke relatie betrekking had op atoomnummers in plaats van op atoommassa’s. De moderne verklaring van deze relatie, de periodieke wet, is als volgt: de eigenschappen van de elementen zijn periodieke functies van hun atoomnummers. Een modern periodiek systeem rangschikt de elementen in stijgende volgorde van hun atoomnummer en groepeert atomen met gelijkaardige eigenschappen in dezelfde verticale kolom (figuur 2). Elk vakje stelt een element voor en bevat zijn atoomnummer, symbool, gemiddelde atoommassa, en (soms) naam. De elementen zijn gerangschikt in zeven horizontale rijen, perioden of series genoemd, en 18 verticale kolommen, groepen genoemd. Groepen worden bovenaan elke kolom van een etiket voorzien. In de Verenigde Staten waren de etiketten van oudsher cijfers met hoofdletters. De IUPAC beveelt echter aan de cijfers 1 tot en met 18 te gebruiken, en deze etiketten zijn gangbaarder. Om de tabel op een enkele pagina te laten passen, worden delen van twee van de rijen, in totaal 14 kolommen, gewoonlijk onder het hoofdgedeelte van de tabel geschreven.

Figuur 2. De elementen in het periodiek systeem zijn gerangschikt volgens hun eigenschappen.

Vele elementen verschillen sterk in hun chemische en fysische eigenschappen, maar sommige elementen zijn vergelijkbaar in hun gedrag. Zo zien veel elementen er glanzend uit, zijn ze kneedbaar (kunnen worden vervormd zonder te breken) en buigzaam (kunnen tot draden worden getrokken), en geleiden ze warmte en elektriciteit goed. Andere elementen zijn niet glanzend, kneedbaar of buigzaam, en geleiden warmte en elektriciteit slecht. We kunnen de elementen sorteren in grote klassen met gemeenschappelijke eigenschappen: metalen (elementen die glanzend zijn, kneedbaar, goede geleiders van warmte en elektriciteit – geel gearceerd); niet-metalen (elementen die dof lijken, slechte geleiders van warmte en elektriciteit – groen gearceerd); en metalloïden (elementen die warmte en elektriciteit matig geleiden, en enkele eigenschappen van metalen bezitten en enkele eigenschappen van niet-metalen – paars gearceerd).

De elementen kunnen ook worden ingedeeld in de elementen van de hoofdgroep (of representatieve elementen) in de kolommen met de aanduidingen 1, 2, en 13-18; de overgangsmetalen in de kolommen met de aanduidingen 3-12; en de binnenste overgangsmetalen in de twee rijen onderaan de tabel (de elementen van de bovenste rij worden lanthaniden genoemd en de elementen van de onderste rij actiniden; figuur 3). De elementen kunnen verder worden onderverdeeld volgens meer specifieke eigenschappen, zoals de samenstelling van de verbindingen die zij vormen. Zo vormen de elementen van groep 1 (de eerste kolom) verbindingen die bestaan uit één atoom van het element en één atoom van waterstof. Deze elementen (behalve waterstof) staan bekend als alkalimetalen, en ze hebben allemaal vergelijkbare chemische eigenschappen. De elementen van groep 2 (de tweede kolom) vormen verbindingen die bestaan uit één atoom van het element en twee atomen waterstof: Deze worden alkalische aardmetalen genoemd, met vergelijkbare eigenschappen onder de leden van die groep. Andere groepen met specifieke namen zijn de pnictogenen (groep 15), chalcogenen (groep 16), halogenen (groep 17), en de edelgassen (groep 18, ook wel inerte gassen genoemd). De groepen kunnen ook worden aangeduid met het eerste element van de groep: Zo kunnen de chalcogenen de zuurstofgroep of de zuurstoffamilie worden genoemd. Waterstof is een uniek, niet-metaalhoudend element met eigenschappen die lijken op die van elementen van zowel groep 1A als groep 7A. Om die reden kan waterstof bovenaan beide groepen worden weergegeven, of alleen.

Figuur 3. Het periodiek systeem ordent elementen met gelijkaardige eigenschappen in groepen.

Klik op deze link naar de Royal Society of Chemistry voor een interactief periodiek systeem, dat je kan gebruiken om de eigenschappen van de elementen te ontdekken (bevat podcasts en video’s van elk element). You may also want to try this one from PeriodicTable.com that shows photos of all the elements.

Example 1: Naming Groups of Elements

Atoms of each of the following elements are essential for life. Give the group name for the following elements:

  1. chlorine
  2. calcium
  3. sodium
  4. sulfur
Show Answer

The family names are as follows:

  1. halogen
  2. alkaline earth metal
  3. alkali metal
  4. chalcogen

Check Your Learning

Give the group name for each of the following elements:

  1. krypton
  2. selenium
  3. barium
  4. lithium
Show Answer

  1. noble gas
  2. chalcogen
  3. alkaline earth metal
  4. alkali metal

In studying the periodic table, heb je misschien iets opgemerkt over de atoommassa’s van sommige elementen. Bij element 43 (technetium), element 61 (promethium) en de meeste elementen met atoomnummer 84 (polonium) en hoger wordt de atoommassa tussen vierkante haken vermeld. Dit wordt gedaan voor elementen die volledig bestaan uit onstabiele, radioactieve isotopen (je leert meer over radioactiviteit in het hoofdstuk kernchemie). Een gemiddeld atoomgewicht kan voor deze elementen niet worden bepaald, omdat hun radio-isotopen, afhankelijk van de bron, sterk in relatieve overvloed kunnen verschillen, of misschien niet eens in de natuur voorkomen. Het getal tussen vierkante haakjes is het atoommassa-getal (en de geschatte atoommassa) van de meest stabiele isotoop van dat element.

Kernbegrippen en samenvatting

De ontdekking van de periodieke herhaling van soortgelijke eigenschappen tussen de elementen leidde tot de formulering van het periodiek systeem, waarin de elementen zijn gerangschikt in volgorde van toenemend atoomnummer in rijen die perioden worden genoemd en kolommen die groepen worden genoemd. Elementen in dezelfde groep van het periodiek systeem hebben vergelijkbare chemische eigenschappen. Elementen kunnen worden ingedeeld als metalen, metalloïden en niet-metalen, of als elementen van de hoofdgroep, overgangsmetalen en binnenste overgangsmetalen. De groepen zijn van links naar rechts genummerd van 1 tot 18. De elementen van groep 1 worden de alkalimetalen genoemd; die van groep 2 zijn de aardalkalimetalen; die van groep 15 zijn de pnictogenen; die van groep 16 zijn de chalcogenen; die van groep 17 zijn de halogenen; en die van groep 18 zijn de edelgassen.

Oefeningen

Metaal of Niet-Metaal?

  1. Using the periodic table, classify each of the following elements as a metal or a nonmetal, and then further classify each as a main-group (representative) element, transition metal, or inner transition metal:
    1. uranium
    2. bromine
    3. strontium
    4. neon
    5. gold
    6. americium
    7. rhodium
    8. sulfur
    9. carbon
    10. potassium
  2. Using the periodic table, classify each of the following elements as a metal or a nonmetal, and then further classify each as a main-group (representative) element, transition metal, or inner transition metal:
    1. cobalt
    2. europium
    3. iodine
    4. indium
    5. lithium
    6. oxygen
    7. cadmium
    8. terbium
    9. rhenium
Show Answer

1. (a) metal, inner transition metal; (b) nonmetal, representative element; (c) metal, representative element; (d) nonmetal, representative element; (e) metal, transition metal; (f) metal, inner transition metal; (g) metal, transition metal; (h) nonmetal, representative element; (i) nonmetal, representative element; (j) metal, representative element

Identifying Elements

  1. Using the periodic table, identify the lightest member of each of the following groups:
    1. noble gases
    2. alkaline earth metals
    3. alkali metals
    4. chalcogens
  2. Using the periodic table, identify the heaviest member of each of the following groups:
    1. alkali metals
    2. chalcogens
    3. noble gases
    4. alkaline earth metals
  3. Use the periodic table to give the name and symbol for each of the following elements:
    1. the noble gas in the same period as germanium
    2. the alkaline earth metal in the same period as selenium
    3. the halogen in the same period as lithium
    4. the chalcogen in the same period as cadmium
  4. Use the periodic table to give the name and symbol for each of the following elements:
    1. the halogen in the same period as the alkali metal with 11 protons
    2. the alkaline earth metal in the same period with the neutral noble gas with 18 electrons
    3. the noble gas in the same row as an isotope with 30 neutrons and 25 protons
    4. the noble gas in the same period as gold
  5. Write a symbol for each of the following neutral isotopes. Include the atomic number and mass number for each.
    1. the alkali metal with 11 protons and a mass number of 23
    2. the noble gas element with and 75 neutrons in its nucleus and 54 electrons in the neutral atom
    3. the isotope with 33 protons and 40 neutrons in its nucleus
    4. the alkaline earth metal with 88 electrons and 138 neutrons
  6. Write a symbol for each of the following neutral isotopes. Include the atomic number and mass number for each.
    1. the chalcogen with a mass number of 125
    2. the halogen whose longest-lived isotope is radioactive
    3. the noble gas, used in lighting, with 10 electrons and 10 neutrons
    4. the lightest alkali metal with three neutrons
Show Selected Answers

1. (a) He; (b) Be; (c) Li; (d) O

3. (a) krypton, Kr; (b) calcium, Ca; (c) fluorine, F; (d) tellurium, Te

5. (a) {}_{11}^{23}\text{Na} ; (b) {}_{54}^{129}\text{Xe} ; (c) {}_{33}^{73}\text{As} ; (d) {}_{88}^{226}\text{Ra}

Glossary

actinide: inner transition metal in the bottom of the bottom two rows of the periodic table

alkali metal: element in groep 1

alkalimetaal: element in groep 2

chalcogeen: element in groep 16

groep: verticale kolom van het periodiek systeem

halogeen: element in groep 17

inert gas: (ook edelgas) element in groep 18

binnentransitiemetaal: (ook, lanthanide of actinide) element in de onderste twee rijen; indien in de eerste rij, ook lanthanide genoemd, of indien in de tweede rij, ook actinide genoemd

lanthanide: binnenste overgangsmetaal in de top van de onderste twee rijen van het periodiek systeem

hoofdgroep-element: (ook, representatief element) element in de kolommen 1, 2, en 12-18

metaal: element dat glanzend is, kneedbaar, goede geleider van warmte en elektriciteit

metalloïde: element dat warmte en elektriciteit matig goed geleidt, en enkele eigenschappen van metalen en enkele eigenschappen van niet-metalen bezit

nobel gas: (ook, inert gas) element uit groep 18

nonmetaal: element dat dof lijkt, slechte geleider van warmte en elektriciteit

period: (ook, reeks) horizontale rij van de periodentabel

periodieke wet: eigenschappen van de elementen zijn periodieke functie van hun atoomnummers.

periodentabel: tabel van de elementen die elementen met vergelijkbare chemische eigenschappen dicht bij elkaar plaatst

pnictogeen: element uit groep 15

representatief element: (ook, hoofdgroep-element) element in de kolommen 1, 2, en 12-18

serie: (ook, periode) horizontale rij van de periodentabel

overgangsmetaal: element in de kolommen 3-11

Geef een antwoord

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *