4.4.1 Inleiding en gebruik
Het Periodiek Systeem der Elementen (zie figuur 1) is een opsomming en ordening van alle bekende elementen of atomen. Linksboven staat waterstof, het element met atoomnummer 1 en symbool de letter H, afkomstig van het Engelse hydrogen. Het molgewicht van waterstof is 1 [g/mol]. Het tweede element, rechtsboven is Helium, met atoomnummer 2 en symbool He. Het molgewicht van Helium is 4 [g/mol]. Dat komt omdat de kern van Helium naast 2 protonen ook 2 neutronen bevat.
Van links naar rechts en van boven naar beneden neemt het atoomnummer toe, en daarmee ook het atoomgewicht ([amu] of [g/mol]. Onderin het Periodiek Systeem staan een aantal zware, en
radio-4.4. Periodiek systeem
actieve elementen. Het zwaarste, natuurlijk voorkomend en stabiele element is Uranium-238 met atoomnummer 92 en molgewicht van 238 [g/mol].
Aan deze kort opsomming zien we dat naarmate het atoomnummer toeneemt, ook de verhouding neutronen/protonen in de atoomkern toeneemt. Het Periodiek Systeem is daarom bijna onmisbaar als we correcte massabalansen willen opstellen voor processen waar chemische reacties plaatsvinden.
4.4.2 Informatie in het Periodiek Systeem
Welke informatie staat er in het Periodiek Systeem? Ten eerste bevat het Periodiek Systeem een overzicht van de afkortingen van alle elementen. Voor elk element is in het systeem opgenomen:
• Het symbool voor weergave van de elementnaam in reacties en verhoudingsformulies. De element-naam wordt weergegeven met 1, 2 of 3 letters.
• Het nummer dat staat boven dit symbool is het atoomnummer. Het atoomnummer, waarop de atomen in het Periodiek Systeem zijn gerangschikt. Dit is gelijk aan het aantal protonen (positief geladen subatomaire deeltjes) aanwezig in de kern van het atoom; dit is tevens gelijk aan het aantal elektronen (negatief geladen subatomaire deeltjes) aanwezig rond de kern.
• Het getal onder het atoomsymbool is de atoommassa van het element in de eenheid [amu] of [g/mol]. Omdat de atoomkern naast protonen ook neutronen bevat, is de atoommassa niet gelijk aan het atoomnummer (met uitzondering van waterstof). Zoals hierboven uitgelegd is de eenheid [amu] gelijk aan het gewicht in gram van een mol atomen, het molgewicht [g/mol].
Figuur 4.7: Legenda informatie in Periodiek Systeem
4.4.3 Opbouw Periodiek Systeem
Het Periodiek Systeem is een geordende weergave van alle bekende elementen. Uit die ordening kun-nen we dus ook informatie halen.
In het periodiek systeem zijn de atomen gerangschikt in kolommen. Deze worden groepen genoemd. De atomen binnen ´e´en groep hebben veel overeenkomstige eigenschappen (zie hiervoor bijvoorbeeld hoofdstuk 20, (Zumdahl and Zumdahl, 2010)). De groepen zijn genummerd van 1 tot en met 18. De belangrijkste groepen zijn ook genummerd van 1A tot en met 8A.
In de chemie heeft een aantal groepen een triviale naam gekregen. Zo behoren de atomen uit groep 1 of 1A (behalve waterstof) bij de alkalimetalen, de atomen uit groep 2 of 2A bij de alkaline aardmetalen, de atomen uit groep 17 of 7A bij de halogenen en de atomen uit groep 18 of 8A bij de edelgassen. De atomen in de groepen 3 tot en met 8 zijn de overgangsmetalen.
De metalen staan links van de getrapte, dikke zwarte streep; rechts staan niet-metalen. Waterstof is een niet-metaal!
4.4.4 Elektronenverdeling en Periodiek Systeem
In hoofdstuk 7 van (Zumdahl and Zumdahl, 2010) wordt uitgelegd waarom het Periodiek Systeem een systematische ordeningen is. Voor de volledigheid wordt deze achterliggende basis van het Periodiek Systeem hier kort gegeven.
De belangrijkste indeling te herkennen in het Periodiek Systeem is die naar elektronenverdeling. Het totaal aantal elektronen dat zich om een atoom bevindt, is gelijk aan het atoomnummer. Deze elektronen bevinden zich in orbitalen rondom het atoom.
Een orbitaal is een ruimtelijke waarschijnlijkheidsverdeling voor de plaats van elektronen rond een atoomkern. In elk orbitaal passen maximaal 2 elektronen.
Elk element bezit een hele reeks van orbitalen; slechts een klein deel daarvan is daadwerkelijk gevuld met elektronen, en wel zo dat elk elektron een plek heeft en de elektronenconfiguratie de laagst te bereiken energietoestand vertegenwoordigd. De meeste orbitalen zijn leeg!
Orbitalen zijn gegroepeerd per hoofdquantumgetal dat loopt van 1 tot en met 7. Binnen een hoofd-quantum kunnen zich verschillende typen orbitalen bevinden, respectievelijk s, p, d en f orbitalen.
In het Periodiek Systeem (zie figuur 4.2) zijn nu de atomen zo weergegeven dat van boven naar beneden het hoofdquantumgetal toeneemt van 1 naar 7, terwijl van links naar rechts de s-,p- en d-orbitalen worden opgevuld. Daarbij staan de s- en p- d-orbitalen respectielijk geheel links en geheel rechts. De d-orbitalen staan in het midden. De f -orbitalen zijn rechts onder apart weergegeven.
Of er voor een bepaald hoofdquantumgetal p, d en f bestaan is afhankelijk van het hoofdquantum-getal. Voor hoofdquantumgetal 1 bestaat slechts ´e´en orbitaal, het 1s-orbitaal. Waterstof (H) en Helium (He) zijn atomen met respectievelijk 1 en 2 elektronen, die allebei een plek vinden in het 1s-orbitaal.
Voor hoofdquantumgetal 2 bestaan naast het 2s-orbitaal 3 afzonderlijke 2p-orbitalen (deze duiden we vaak aan met px, py en pz). We zien dus op de tweede rij van boven Li en Be met respectievelijk 1 en 2 elektronen in de 2s-orbitaal (en de 1s orbitaal is ook gevuld met 2 elektronen). Verder naar rechts zien we B, C, N, O, F en Ne met respectievelijk 1, 2, 3, 4, 5 en 6 elektronen in 2p-orbitalen. Neon (Ne) heeft edelgasconfiguratie, omdat zowel het buitenste s-orbitaal als alle buitenste p-orbitalen bezet zijn met elk 2 elektronen. We zeggen dat het edelgas Neon (en de edelgassen Argon, Krypton, Xenon en Radon) 8 valentie-elektronen hebben, en daarmee edelgasconfiguratie. Deze elektronenconfiguratie vertegenwoordigd een stabiele (verlaagde) energietoestand (zie §5.3).
Vanaf hoofdquantumgetal 3 bestaan er naast de 3s- en 3 3p-orbitalen ook 5d-orbitalen, en vanaf hoofdquantumgetal 4 bestaan naast de 4s- en 3 4p- en 54d-orbitalen ook 7 f orbitalen. Omdat het ener-gieniveau van de 3p- en 4s-orbitalen lager is dan dat van de 3d-orbitalen, worden deze pas na Kalium (K) en Calcium (Ca) ”gevuld“. Een zelfde situatie treedt op bij het vullen van de f -orbitalen. Dit gebeurt vanaf element 58. De elementen waar de f -orbitalen worden opgevuld zijn de lanthaniden en actiniden, en staan ook bekend als zeldzame aard- en aardalkali-metalen.
De elektronenconfiguratie van een atoom geeft weer welke orbitalen van welk hoofquantumgetal (deels) met elektronen zijn gevuld. De orbitalen wordt altijd in dezelfde volgorde opgevuld en als volgt genoteerd:
1s22s22p63s23p64s24p63d105s25p64d10.
Daarbij worden zoveel orbitalen opgevuld als elektronen bij een bepaald atoom voorradig zijn. De hoe-veelheid elektronen in een bepaald orbitaal wordt aangegeven met het getal rechtsboven. Zuurstof (met 8 elektronen) krijgt bijvoorbeeld het schema: 1s22s22p4.
Omdat in de chemische eigenschappen (chemische reacties) van een atoom alleen elektronen in de buitenste orbitalen mee doen, is vooral de elektronenconfiguratie bij het hoogtste hoofdquantumgetal van belang. Voor koolwaterstoffen zijn het slechts de valentie-elektronen (s en p) die mee doen bij het vormen van de organisch chemische bindingen.
4.4.5 Gebruik van het Periodiek Systeem
Voor het opstellen van massa- en energiebalansen, het uitvoeren van een systeemanalyse is het Periodiek Systeem eigenlijk onmisbaar. Immers, als bekend is of geschat kan worden uit welke atomen een stof bestaat, een stroom die in een proces wordt gebruikt als grondstof of ontstaat als produkt, dan kan met de verhoudingsformule van de stoffen (inputs, outputs) van een proces een massabalans worden opgesteld en ontbrekende gegevens worden aangevuld.
Dit is bijvoorbeeld bruikbaar voor het berekenen van CO2-uitstoot van verbrandingsreacties. Een modern Volkswagen Polo BlueMotion Diesel, bijvoorbeeld is vrijgesteld van BPM en motorrijtuigenbe-lasting omdat de CO2-uitstoot van deze auto (volgens meetprotocol) lager is dan 93 [g/km]. Als we aannemen dat diesel (gemiddeld) bestaat uit C15H30, en we weten dat voor de dichtheid ρ van diesel geldt dat ρ = 0.85 [kg/l], dan kunnen we met de verbrandingsreactie en de informatie uit het Periodiek Systeem uitrekenen hoeveel diesel deze Polo ongeveer gebruikt per kilometer.