Biomoleculen - Chemische
bouwstenen
Hoofdstuk 1: Atoommodel en periodiek
systeem
Atoombouw – element – atoomnummer
Atoom = kleinste deeltje waarin materie met scheikundige methoden opgedeeld
kan worden
Voordien: Krentenbolmodel van Thomson negatief geladen deeltjes in een soep
van positieve lading (zoals krenten in bol deeg) - is het kleinste deeltje
1909: Geiger-Mardsen experiment
Een goudfilm wordt bestraald met alfadeeltjes grootste deel van de
straling gaat erdoor krentenbolmodel (Thomson) klopt niet nieuw
atoommodel
1911: Nieuw atoommodel (Rutherford)
- Centrale, zware kern (nucleus, protonen en neutronen)
- Elektronenwolk met zeer lichte deeltjes (elektronen)
Nu: atoom bestaat uit 35 subatomaire deeltjes (vele onstabiel)
Fundamentele deeltjes:
- Protonen (positief geladen, kern)
o Lading: 1,6022 * 10-19 C (= positieve elementaire
lading) of +1
o Massa: 1,6726 * 10-27 kg
- Neutronen (neutraal, kern)
o Lading: /
o Massa: 1.6749 x 10-27 kg
o Functie: protonen bij elkaar houden (onderlinge afstoting protonen)
- Elektronen (negatief geladen, elektronen wolk)
o Lading: - 1,6022 * 10-19 C of -1
o Massa: 9.1094 x 10-31 kg (verwaarloosbaar ten opzicht van de massa
van een proton)
o Beweegt op relatief grote afstand van de kern (atoomstraal ~10 -10
m)
1 atoomstraal = 1 Angström = 0.0000001 mm
Massa van het atoom = aantal protonen + aantal neutronen
Atoomnummer (Z) = aantal protonen in de kern (en elektronen op de schillen
want atoom is neutraal)
Massagetal (A) = som van het aantal protonen en neutronen
Isotopen = atomen met hetzelfde aantal protonen, maar met verschillend aantal
neutronen (#neutronen niet kenmerkend voor een element)
- Zelfde chemische eigenschappen (gelijke #elektronen), verschillende
fysische eigenschappen (verschillende massa)
Vb. waterstof + 1 neutron = deutrium (D) ; waterstof + 2 neutronen =
tritium (T)
,Symbolen
Voorstelling atoom:
Voorstelling ion: voorstelling atoom met rechtsboven de lading
Voorstelling molecule: rechts onder het aantal atomen in dat molecule
Atomaire massa-eenheid (u)
Waarom? Gram en kilogram zijn te groot
= 1/12-de van de massa van een 12C atoom (en bedraagt dus 1.66 x 10-27 kg)
In PSE kommagetallen:
relatieve atoommassa (AG) = het gemiddelde van de massagetallen
van alle isotopen in verhouding van hun voorkomen
Massadefecten = bij versmelting van protonen en neutronen tot
atoomlernen wordt ook een klein deeltje omgezet in energie
Bepaling van de molecuulmassa en het begrip mol
Relatieve molecuulmassa (MG) = de som van de atoomgewichten van de
verschillende elementen vermenigvuldigd met het aantal maal dat ze voorkomen
1 mol = een eenheid om op een eenvoudige wijze reacties juist te interpreteren
Een mol bevat steeds hetzelfde aantal deeltjes, N A = 6,022 * 1023 (getal
van Avogadro)
1 mol van een stof bevat evenveel deeltjes als 12 gram van een C12-
isotoop
n = m/M
Chemische en fysische reacties, chemische formules,
%-samenstelling
Chemische reacties = omzetting waarbij atomen of atoomgroepen zich
groeperen tot grotere of kleinere gehelen, uitgaande van één of meerdere
stoffen, één of meerdere andere stoffen worden gevormd
Reagentia/uitgangsstoffen reactieproducten
Minimale formule = geeft aan in welke verhouding de verschillende atomen
voorkomen in het gevormde product
Brutoformule of empirische formule: naast juiste verhouding ook juiste
aantallen van de deelnemende atomen in de kleinst bestaande combinatie
De elektronenmantel
De elektromagnetische straling
Verhitten van een stof elektronen in aangeslagen toestand
terugvallen van het elektron straling (in de vorm van kleur, voor elk
energieniveau anders)
straling door een prisma ontstaan emissiespectrum
ontstaan atoommodel van Bohr (elektronen zitten op
verschillende energieniveaus
Stralingsenergie = veranderende elektrische en magnetische velden die zich
als een golfbeweging in de ruimte voortplanten
- Golflengte λ: de afstand tussen twee opeenvolgende maxima/minima
- Amplitude a: de maximale uitwijking van de golf, die in verband staat met
de intensiteit van de straling
, - Voortplantingssnelheid c: lichtsnelheid (3,0 * 10 8 m/s)
- Frequentie v = c/λ = aantal golven dat per seconde op een bepaalde
plaats voorbij gaat
Golftheorie = de intensiteit van de elektromagnetische straling recht evenredig
met het kwadraat van de amplitude van de golf en niet afhankelijk van de
golflengte
Max Planck Quantumtheorie = stralingsenergie kan alleen afgegeven of
opgenomen worden in discrete of ondeelbare hoeveelheden (= quanta)
h∗c
E= met h = 6,6261 * 10-34 J*s (constante van Planck)
λ
Elektromagnetische straling heeft een golf – en corpusculair (deeltjes) karakter
dus
h∗c h h
E = m*c² =m∗c ² of λ= = (m*c = het
λ m∗c m∗v
foton)
Model
Bohr (1913): Door opname van energie kan een elektron overgaan naar een
hoger energieniveau (absorptie), waarna het opnieuw kan terugvallen naar een
lager energieniveau (emissie), hetgeen gepaard gaat met het uitzenden van
straling (zichtbaar licht of UV/IR-straling).
Hoofdquantumgetal
Atoommodel van Bohr verder uitgebouwd
Sommerfeld (1915): ontdekte een verdere verdeling van de spectraallijnen
Nevenquantumgetal
Zeeman: Spectraallijnen splitsen nog verder op in aanwezigheid van een
magneetveld
Magnetisch quantumgetal + spinquantumgetal
Heisenberg onzekerheidsprincipe: het is onmogelijk tegelijkertijd de juiste
plaats en de juiste snelheid voor een deeltje zo klein als een elektron te kennen
Schrödinger-vergelijking golfmechanisch beschrijving van een elektron:
stelt een golf voor met een welbepaalde amplitude
Orbitaal = een gebied waarbinnen het elektron met een zeer grote
waarschijnlijkheid kan aangetroffen worden (max. 2 elektronen)
Elektronenpaar = de twee elektronen in een orbitaal
Uitsluitingsbeginsel van Pauli: rond één atoomkern kunnen nooit 2 elektronen
voorkomen die op energetisch gebied volledig identiek zijn (waarbij alle 4 de
quantumgetallen dezelfde zijn)
- Energie van een elektron bepaald door zijn afstand tot de kern
- Hoe dichter bij de kern, hoe minder energie
De quantumgetallen
Def. Om de energetische toestand van een elektron te beschrijven
- Hoofdquantumgetal n
o Hoofdenergieniveaus: 1 tot 7 (1 is dichtste bij de kern)
o Schillen: K, L, M, N, O, P, Q (K=1, L=2, …)
o Maat voor het volume van een orbitaal
- Nevenquantumgetal l
o Waarde van 0 tot 3
, o Maat voor de vorm van het orbitaal
l = 0 : s-orbitaal (sferisch orbitaal) (max. 2 elektronen)
l = 1 : p-orbitaal (haltervormig) (max. 6 elektronen)
l = 2 : d-orbitaal (max. 10 elektronen)
l = 3 : f-orbitaal (max. 14 elektronen)
- Magnetisch quantumgetal m
o Waarde van -l tot +l (vb. l=2; -2, -1, 0, +1, +2 5 orbitalen)
o Oriëntering van het orbitaal in de ruimte (volgens de x-, y- en z-as)
- Spinquantumgetal s
+1 −1
o 2 waarde: (wijzerzin) of (tegenwijzerzin)
2 2
o De rotatiebeweging van het elektron om de eigen as
Twee elektronen met eenzelfde n, l en m maar een verschillende s eenzelfde
orbitaal en zijn een elektronenpaar (bij elkaar gehouden door
tegengestelde magnetisch moment)
Regel van Hund: in een atoom dat meerdere elektronen met
gelijke n en l quantumgetallen heeft, moet elk orbitaal reeds 1
elektron bezitten vooraleer een tweede elektron in dat orbitaal
gevonden zal worden
De elektronenverdeling van een atoom
Meest stabiele elektronenconfiguratie in de
grondtoestand
Systeem streeft naar een zo laag mogelijke energie
Opvulling van de energieniveaus via volgende volgorde (Aufbau-
Ga (31 e-): 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2
3d10 4p1
principe):
Andere manier van noteren volgens een orbitaal diagrammen
- Voor elk elektron ook noteren in welke richting het draait
- Voor elk subniveau tekenen hoeveel orbitalen er zijn
Het periodiek systeem
Het ontstaan
Tweede helft van de 19de eeuw: rangschikken van elementen volgens
toenemende atoommassa
om de 8 elementen atoomsoorten die analoge eigenschappen vertonen
worden onder elkaar gezet
Eerste tabel ontstaan door Mendeleev (1871)
Bespreking van het periodiek systeem
- Perioden (horizontaal)
Def. Rangschikking naar opvulling van energieniveaus van elektronen
o Atomen met gelijk aantal elektronenschillen staan in éénzelfde
periode
o Nummer van de periode = aantal schillen
o Atoomstraal neemt toe van boven naar onder
o Atoomstraal neemt af van links naar rechts
bouwstenen
Hoofdstuk 1: Atoommodel en periodiek
systeem
Atoombouw – element – atoomnummer
Atoom = kleinste deeltje waarin materie met scheikundige methoden opgedeeld
kan worden
Voordien: Krentenbolmodel van Thomson negatief geladen deeltjes in een soep
van positieve lading (zoals krenten in bol deeg) - is het kleinste deeltje
1909: Geiger-Mardsen experiment
Een goudfilm wordt bestraald met alfadeeltjes grootste deel van de
straling gaat erdoor krentenbolmodel (Thomson) klopt niet nieuw
atoommodel
1911: Nieuw atoommodel (Rutherford)
- Centrale, zware kern (nucleus, protonen en neutronen)
- Elektronenwolk met zeer lichte deeltjes (elektronen)
Nu: atoom bestaat uit 35 subatomaire deeltjes (vele onstabiel)
Fundamentele deeltjes:
- Protonen (positief geladen, kern)
o Lading: 1,6022 * 10-19 C (= positieve elementaire
lading) of +1
o Massa: 1,6726 * 10-27 kg
- Neutronen (neutraal, kern)
o Lading: /
o Massa: 1.6749 x 10-27 kg
o Functie: protonen bij elkaar houden (onderlinge afstoting protonen)
- Elektronen (negatief geladen, elektronen wolk)
o Lading: - 1,6022 * 10-19 C of -1
o Massa: 9.1094 x 10-31 kg (verwaarloosbaar ten opzicht van de massa
van een proton)
o Beweegt op relatief grote afstand van de kern (atoomstraal ~10 -10
m)
1 atoomstraal = 1 Angström = 0.0000001 mm
Massa van het atoom = aantal protonen + aantal neutronen
Atoomnummer (Z) = aantal protonen in de kern (en elektronen op de schillen
want atoom is neutraal)
Massagetal (A) = som van het aantal protonen en neutronen
Isotopen = atomen met hetzelfde aantal protonen, maar met verschillend aantal
neutronen (#neutronen niet kenmerkend voor een element)
- Zelfde chemische eigenschappen (gelijke #elektronen), verschillende
fysische eigenschappen (verschillende massa)
Vb. waterstof + 1 neutron = deutrium (D) ; waterstof + 2 neutronen =
tritium (T)
,Symbolen
Voorstelling atoom:
Voorstelling ion: voorstelling atoom met rechtsboven de lading
Voorstelling molecule: rechts onder het aantal atomen in dat molecule
Atomaire massa-eenheid (u)
Waarom? Gram en kilogram zijn te groot
= 1/12-de van de massa van een 12C atoom (en bedraagt dus 1.66 x 10-27 kg)
In PSE kommagetallen:
relatieve atoommassa (AG) = het gemiddelde van de massagetallen
van alle isotopen in verhouding van hun voorkomen
Massadefecten = bij versmelting van protonen en neutronen tot
atoomlernen wordt ook een klein deeltje omgezet in energie
Bepaling van de molecuulmassa en het begrip mol
Relatieve molecuulmassa (MG) = de som van de atoomgewichten van de
verschillende elementen vermenigvuldigd met het aantal maal dat ze voorkomen
1 mol = een eenheid om op een eenvoudige wijze reacties juist te interpreteren
Een mol bevat steeds hetzelfde aantal deeltjes, N A = 6,022 * 1023 (getal
van Avogadro)
1 mol van een stof bevat evenveel deeltjes als 12 gram van een C12-
isotoop
n = m/M
Chemische en fysische reacties, chemische formules,
%-samenstelling
Chemische reacties = omzetting waarbij atomen of atoomgroepen zich
groeperen tot grotere of kleinere gehelen, uitgaande van één of meerdere
stoffen, één of meerdere andere stoffen worden gevormd
Reagentia/uitgangsstoffen reactieproducten
Minimale formule = geeft aan in welke verhouding de verschillende atomen
voorkomen in het gevormde product
Brutoformule of empirische formule: naast juiste verhouding ook juiste
aantallen van de deelnemende atomen in de kleinst bestaande combinatie
De elektronenmantel
De elektromagnetische straling
Verhitten van een stof elektronen in aangeslagen toestand
terugvallen van het elektron straling (in de vorm van kleur, voor elk
energieniveau anders)
straling door een prisma ontstaan emissiespectrum
ontstaan atoommodel van Bohr (elektronen zitten op
verschillende energieniveaus
Stralingsenergie = veranderende elektrische en magnetische velden die zich
als een golfbeweging in de ruimte voortplanten
- Golflengte λ: de afstand tussen twee opeenvolgende maxima/minima
- Amplitude a: de maximale uitwijking van de golf, die in verband staat met
de intensiteit van de straling
, - Voortplantingssnelheid c: lichtsnelheid (3,0 * 10 8 m/s)
- Frequentie v = c/λ = aantal golven dat per seconde op een bepaalde
plaats voorbij gaat
Golftheorie = de intensiteit van de elektromagnetische straling recht evenredig
met het kwadraat van de amplitude van de golf en niet afhankelijk van de
golflengte
Max Planck Quantumtheorie = stralingsenergie kan alleen afgegeven of
opgenomen worden in discrete of ondeelbare hoeveelheden (= quanta)
h∗c
E= met h = 6,6261 * 10-34 J*s (constante van Planck)
λ
Elektromagnetische straling heeft een golf – en corpusculair (deeltjes) karakter
dus
h∗c h h
E = m*c² =m∗c ² of λ= = (m*c = het
λ m∗c m∗v
foton)
Model
Bohr (1913): Door opname van energie kan een elektron overgaan naar een
hoger energieniveau (absorptie), waarna het opnieuw kan terugvallen naar een
lager energieniveau (emissie), hetgeen gepaard gaat met het uitzenden van
straling (zichtbaar licht of UV/IR-straling).
Hoofdquantumgetal
Atoommodel van Bohr verder uitgebouwd
Sommerfeld (1915): ontdekte een verdere verdeling van de spectraallijnen
Nevenquantumgetal
Zeeman: Spectraallijnen splitsen nog verder op in aanwezigheid van een
magneetveld
Magnetisch quantumgetal + spinquantumgetal
Heisenberg onzekerheidsprincipe: het is onmogelijk tegelijkertijd de juiste
plaats en de juiste snelheid voor een deeltje zo klein als een elektron te kennen
Schrödinger-vergelijking golfmechanisch beschrijving van een elektron:
stelt een golf voor met een welbepaalde amplitude
Orbitaal = een gebied waarbinnen het elektron met een zeer grote
waarschijnlijkheid kan aangetroffen worden (max. 2 elektronen)
Elektronenpaar = de twee elektronen in een orbitaal
Uitsluitingsbeginsel van Pauli: rond één atoomkern kunnen nooit 2 elektronen
voorkomen die op energetisch gebied volledig identiek zijn (waarbij alle 4 de
quantumgetallen dezelfde zijn)
- Energie van een elektron bepaald door zijn afstand tot de kern
- Hoe dichter bij de kern, hoe minder energie
De quantumgetallen
Def. Om de energetische toestand van een elektron te beschrijven
- Hoofdquantumgetal n
o Hoofdenergieniveaus: 1 tot 7 (1 is dichtste bij de kern)
o Schillen: K, L, M, N, O, P, Q (K=1, L=2, …)
o Maat voor het volume van een orbitaal
- Nevenquantumgetal l
o Waarde van 0 tot 3
, o Maat voor de vorm van het orbitaal
l = 0 : s-orbitaal (sferisch orbitaal) (max. 2 elektronen)
l = 1 : p-orbitaal (haltervormig) (max. 6 elektronen)
l = 2 : d-orbitaal (max. 10 elektronen)
l = 3 : f-orbitaal (max. 14 elektronen)
- Magnetisch quantumgetal m
o Waarde van -l tot +l (vb. l=2; -2, -1, 0, +1, +2 5 orbitalen)
o Oriëntering van het orbitaal in de ruimte (volgens de x-, y- en z-as)
- Spinquantumgetal s
+1 −1
o 2 waarde: (wijzerzin) of (tegenwijzerzin)
2 2
o De rotatiebeweging van het elektron om de eigen as
Twee elektronen met eenzelfde n, l en m maar een verschillende s eenzelfde
orbitaal en zijn een elektronenpaar (bij elkaar gehouden door
tegengestelde magnetisch moment)
Regel van Hund: in een atoom dat meerdere elektronen met
gelijke n en l quantumgetallen heeft, moet elk orbitaal reeds 1
elektron bezitten vooraleer een tweede elektron in dat orbitaal
gevonden zal worden
De elektronenverdeling van een atoom
Meest stabiele elektronenconfiguratie in de
grondtoestand
Systeem streeft naar een zo laag mogelijke energie
Opvulling van de energieniveaus via volgende volgorde (Aufbau-
Ga (31 e-): 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2
3d10 4p1
principe):
Andere manier van noteren volgens een orbitaal diagrammen
- Voor elk elektron ook noteren in welke richting het draait
- Voor elk subniveau tekenen hoeveel orbitalen er zijn
Het periodiek systeem
Het ontstaan
Tweede helft van de 19de eeuw: rangschikken van elementen volgens
toenemende atoommassa
om de 8 elementen atoomsoorten die analoge eigenschappen vertonen
worden onder elkaar gezet
Eerste tabel ontstaan door Mendeleev (1871)
Bespreking van het periodiek systeem
- Perioden (horizontaal)
Def. Rangschikking naar opvulling van energieniveaus van elektronen
o Atomen met gelijk aantal elektronenschillen staan in éénzelfde
periode
o Nummer van de periode = aantal schillen
o Atoomstraal neemt toe van boven naar onder
o Atoomstraal neemt af van links naar rechts
