Biologie voor hoofdvak I

Om te begrijpen hoe elementen samenkomen, moeten we eerst het kleinste onderdeel of de bouwsteen van een element bespreken, het atoom. Een atoom is de kleinste eenheid van materie die alle chemische eigenschappen van een element behoudt. Bijvoorbeeld, één goudatoom heeft alle eigenschappen van goud in die zin dat het een vast metaal is bij kamertemperatuur. Een gouden munt is gewoon een zeer groot aantal goudatomen die in de vorm van een munt zijn gegoten en die kleine hoeveelheden andere elementen bevatten die onzuiverheden worden genoemd. Een atoom bestaat uit twee gebieden: de kern, die zich in het centrum van het atoom bevindt en protonen en neutronen bevat, en het buitenste gebied van het atoom, dat de elektronen in een baan rond de kern houdt, zoals in figuur 1 wordt geïllustreerd. Atomen bevatten protonen, elektronen en neutronen, naast andere subatomaire deeltjes. De enige uitzondering is waterstof (H), dat bestaat uit één proton en één elektron zonder neutronen.

Figuur 1. Elementen, zoals het hier afgebeelde helium, zijn opgebouwd uit atomen. Atomen bestaan uit protonen en neutronen die zich in de kern bevinden, met elektronen in banen die de kern omringen.

Protonen en neutronen hebben ongeveer dezelfde massa, ongeveer 1,67 × 10-24 gram. Wetenschappers definiëren deze hoeveelheid massa arbitrair als één atomaire massaeenheid (amu) of één Dalton, zoals weergegeven in tabel 1. Hoewel gelijk in massa, verschillen protonen en neutronen in hun elektrische lading. Een proton is positief geladen, terwijl een neutron ongeladen is. Daarom draagt het aantal neutronen in een atoom in belangrijke mate bij tot zijn massa, maar niet tot zijn lading. Elektronen zijn veel kleiner in massa dan protonen, met een gewicht van slechts 9,11 × 10-28 gram, of ongeveer 1/1800 van een atomaire massaeenheid. Daarom dragen ze niet veel bij aan de totale atoommassa van een element. Daarom is het gebruikelijk om bij het bepalen van de atoommassa de massa van elektronen te negeren en de massa van het atoom te berekenen op basis van het aantal protonen en neutronen alleen. Hoewel ze geen significante bijdrage leveren aan de massa, dragen elektronen wel in belangrijke mate bij aan de lading van het atoom, aangezien elk elektron een negatieve lading heeft die gelijk is aan de positieve lading van een proton. In ongeladen, neutrale atomen is het aantal elektronen dat om de kern draait gelijk aan het aantal protonen in de kern. In deze atomen heffen de positieve en negatieve ladingen elkaar op, zodat een atoom geen netto lading heeft.

Rekening houdend met de grootte van protonen, neutronen en elektronen, bestaat het grootste deel van het volume van een atoom – meer dan 99 procent – in feite uit lege ruimte. Met al deze lege ruimte zou men zich kunnen afvragen waarom zogenaamde vaste voorwerpen niet gewoon door elkaar heen gaan. De reden daarvoor is dat de elektronen die alle atomen omgeven negatief geladen zijn en negatieve ladingen stoten elkaar af.

Atoomnummer en -massa

Atomen van elk element bevatten een karakteristiek aantal protonen en elektronen. Het aantal protonen bepaalt het atoomnummer van een element en wordt gebruikt om het ene element van het andere te onderscheiden. Het aantal neutronen is variabel, wat leidt tot isotopen, dat zijn verschillende vormen van hetzelfde atoom die alleen verschillen in het aantal neutronen dat ze bezitten. Het aantal protonen en het aantal neutronen samen bepalen het massagetal van een element, zoals geïllustreerd in figuur 2. Merk op dat bij de berekening van het massagetal geen rekening wordt gehouden met de kleine bijdrage van elektronen aan de massa. Deze benadering van de massa kan worden gebruikt om gemakkelijk te berekenen hoeveel neutronen een element heeft door eenvoudig het aantal protonen af te trekken van het massagetal. Aangezien de isotopen van een element lichtjes verschillende massagetallen zullen hebben, bepalen wetenschappers ook de atoommassa, die het berekende gemiddelde is van het massagetal voor zijn natuurlijk voorkomende isotopen. Vaak bevat het resulterende getal een breuk. Zo is de atoommassa van chloor (Cl) 35,45 omdat chloor uit verschillende isotopen bestaat, sommige (de meerderheid) met atoommassa 35 (17 protonen en 18 neutronen) en sommige met atoommassa 37 (17 protonen en 20 neutronen).

Praktijkvraag

Koolstof heeft een atoomnummer van zes, en twee stabiele isotopen met massagetallen van twaalf en dertien, respectievelijk. Zijn atoommassa is 12,11.

Figuur 2. Koolstof-12 en koolstof-13

Hoeveel neutronen hebben respectievelijk koolstof-12 en koolstof-13?

Toon antwoord

Koolstof-12 heeft zes neutronen. Koolstof-13 heeft zeven neutronen.