Wat is een atoomnummer?
Het atoomnummer is het aantal protonen - positief geladen deeltjes - in de kern een atoom van een chemisch element. Elementen onderscheiden zich van elkaar door het aantal deeltjes dat ze hebben, en dus heeft elk element zijn eigen unieke atoomnummer. De chemische eigenschappen van een element worden bepaald door het aantal elektronen, maar in een neutraal atoom is dit hetzelfde als het aantal protonen. Atomen kunnen echter elektronen winnen of verliezen om negatief of positief geladen ionen te vormen, dus het atoomnummer wordt gedefinieerd als het aantal protonen, omdat dit altijd hetzelfde is voor een bepaald element.
Atoomnummer, massagetal en atoomgewicht
Het is mogelijk om deze waarden te verwarren, maar ze verschillen nogal van elkaar. Atomen bestaan uit een kern met positief geladen protonen en elektrisch neutrale neutronen, met elektronen die op enige afstand in een baan om elkaar heen draaien. Protonen en neutronen zijn relatief zwaar en hebben een vergelijkbaar gewicht, maar elektronen zijn veel lichter en dragen zeer weinig bij aan het gewicht van een atoom. Het massagetal van een atoom is het aantal protonen plus het aantal neutronen en is bijna gelijk aan het gewicht van het atoom.
Het aantal neutronen in een element kan variëren. Vormen van een element met verschillende aantallen neutronen staan bekend als isotopen . De meest voorkomende vorm van waterstof heeft bijvoorbeeld één proton en geen neutronen, maar er bestaan twee andere isotopen van waterstof, deuterium en tritium, met respectievelijk één en twee neutronen. In de natuur voorkomende elementen zijn vaak mengsels van verschillende isotopen. Koolstof is een ander voorbeeld, bestaande uit isotopen met massagetallen 12, 13 en 14. Deze hebben allemaal zes protonen, maar hebben respectievelijk zes, zeven en acht neutronen.
Hoewel chemici uit de 19e eeuw goede benaderingen van de atoomgewichten van de bekende elementen hadden vastgesteld, zijn de precieze berekeningen niet altijd eenvoudig, vanwege het voorkomen van verschillende isotopen in verschillende verhoudingen. Vaak wordt het atoomgewicht bepaald als een gemiddelde, gebaseerd op de relatieve overvloed aan isotopen. Omdat sommige isotopen onstabiel zijn en in de loop van de tijd veranderen in andere elementen, kunnen atomaire gewichten variëren en kunnen worden weergegeven als een bereik in plaats van een enkele waarde. Isotopen worden meestal weergegeven met het atoomnummer linksonder van het chemische symbool en het massagetal of het geschatte atoomgewicht rechtsboven. Koolstof 13 wordt bijvoorbeeld weergegeven als 6C13 .
Het periodiek systeem
In de jaren 1860 werkte de Russische chemicus Dimitri Mendeleev aan een tabel met de elementen die op dat moment bekend waren, door ze aanvankelijk in volgorde van atoomgewicht op te sommen en ze in rijen te rangschikken die elementen met vergelijkbare chemische eigenschappen bij elkaar groepeerden. Andere chemici hadden eerder opgemerkt dat de eigenschappen van de elementen, op volgorde van gewicht, de neiging hadden zich met min of meer regelmatige intervallen te herhalen. Lithium, natrium en kalium zijn bijvoorbeeld allemaal reactieve metalen die op vergelijkbare manieren combineren met niet-metalen, terwijl helium, neon en argon allemaal volledig niet-reactieve gassen zijn. Om deze reden werd de lijst van Mendelejev bekend als het periodiek systeem.
Het eerste ontwerp van Mendelejev werkte goed, maar er waren enkele inconsistenties. Bijvoorbeeld, op volgorde van gewicht, kwam jodium vóór tellurium. Het probleem was dat dit jodium groepeerde met zuurstof, zwavel en selenium en tellurium met fluor, chloor en broom. Volgens hun chemische eigenschappen had het omgekeerde het geval moeten zijn, dus voordat hij zijn tafel in 1869 publiceerde, verwisselde Mendeleev deze elementen eenvoudig. Pas in het begin van de 20e eeuw werd de reden voor deze inconsistenties onthuld.
In 1913 legde de natuurkundige HGJ Moseley een verband tussen de golflengten van röntgenstralen geproduceerd door verschillende elementen en hun volgorde in het periodiek systeem. Toen de structuur van het atoom rond die tijd werd onthuld door andere experimenten, werd het duidelijk dat deze relatie afhankelijk was van het aantal protonen in de kern van een element, met andere woorden, het atoomnummer. Het periodiek systeem kan dan worden gerangschikt op basis van dit nummer, waarbij de waargenomen chemische eigenschappen van de elementen op een degelijke theoretische basis worden geplaatst. De incidentele inconsistenties in de oorspronkelijke tabel waren te wijten aan het feit dat variaties in het aantal neutronen soms konden resulteren in een element met een hoger atoomgewicht dan een ander element met een hoger atoomnummer.
Het moderne periodiek systeem toont de elementen in vakken gerangschikt in rijen en kolommen, met atoomnummer oplopend langs elke rij. Elke kolom groepeert elementen met vergelijkbare chemische eigenschappen. De kolommen worden bepaald door het aantal en de rangschikking van elektronen in de atomen, die op hun beurt worden bepaald door het aantal protonen. Normaal bevat elk vak het chemische symbool voor het element, met het atoomnummer hierboven.