Az atomszerkezet

Az atom két fő részből áll: a középen elhelyezkedő, pozitív töltésű atommagból és az azt körülvevő elektronfelhőből.

Az atommag

• Átmérője 10⁻¹⁵ m nagyságrendű — az atom méretének elenyésző töredéke, de az atom szinte teljes tömegét hordozza.
• Pozitív töltésű protonokból és semleges neutronokból épül fel. Ezeket együtt nukleonoknak nevezzük.

Az elektronfelhő

• Atompálya: az atommag körüli térrész, ahol az elektron 90%-os valószínűséggel megtalálható.
• Pályaenergia: az alapállapotú atomban egy adott atompályán lévő elektron energiája. Akkor szabadul fel, ha 1 mol atomban az elektron a magtól végtelen távolságból az adott pályára lép.
• Mértékegysége kJ/mol, értéke negatív, és függ a pálya magtól való távolságától, valamint a pálya alakjától.

A három elemi részecske

• Proton: tömegét vesszük egységnyinek; töltése +1,6·10⁻¹⁹ C, relatív töltése +1.
• Neutron: tömege közel azonos a protonéval (relatív tömege 1), töltése semleges.
• Elektron: tömege a proton tömegének 1840-ed része; töltése a protonéval azonos nagyságú, de ellentétes előjelű (relatív töltése −1).

Egy atomot három szám jellemez egyértelműen. Mindegyiknek megvan a maga helye a vegyjel körül — érdemes ezt vizuálisan rögzíteni:

A neutronok száma

• A neutronok száma vagy megegyezik a protonokéval, vagy — a nagyobb rendszámú atomoknál — általában meghaladja azt.
• Kivétel a hidrogén leggyakoribb izotópja: magja egyetlen protonból áll, neutront nem tartalmaz.

Az atom semlegessége

Minden atomban az elektronok száma megegyezik a protonok számával, ezért az atom kifelé semleges. Az elektronok száma az atommagban lévő protonok számától függ.

A rendszám megmutatja az elem helyét a periódusos rendszerben, és egyenlő a protonok számával.

Izotópok

• Kémiai tulajdonságaik azonosak (mert a rendszám és így az elektronszerkezet azonos).
• Fizikai tulajdonságaik kismértékben eltérnek (mert a tömegük különbözik).

Radioaktív izotópok

Egy izotóp lehet stabilis vagy radioaktív. A radioaktív izotóp magja sugárzás közben átalakul egy másik elem atommagjává. A radioaktív nyomjelzés úttörője a magyar Hevesy György volt.

Relatív atomtömeg

Két tudós, akit érdemes ismerni

Berzelius (1779–1848)

• Bevezette az elemek latin nevének első egy-két betűjéből álló vegyjeleket.
• Korának legpontosabb atomtömeg-táblázatát állította össze.
• Felfedezte az allotrópia fogalmát, és három elemet: a szelént, a szilíciumot és a tóriumot.
• Vegyületek összetételének meghatározásával és az elektrolízis vizsgálatával is foglalkozott.

A Curie házaspár

• A radioaktív anyagok kutatása: a polónium és a rádium felfedezése és előállítása.
• A radioaktivitás mérési lehetőségeinek, tulajdonságainak és biológiai hatásainak vizsgálata.

A radioaktív bomlás háromféle sugárzással járhat. A leglényegesebb különbség köztük az áthatolóképesség — ezt szemlélteti az alábbi ábra:

α-sugárzás

• Az atommagból 2 protonból és 2 neutronból álló héliummagok lépnek ki.
• A visszamaradó atom rendszáma 2-vel, tömegszáma 4-gyel kisebb a kiindulásinál.
• Csak néhány cm levegőrétegen hatol át, vékony szilárd anyagon (papíron) már nem.

β-sugárzás

• A magban egy neutron protonná és elektronná alakul, és az elektron lép ki a magból.
• A keletkező atom rendszáma 1-gyel nagyobb a kiindulásinál (a tömegszám nem változik).
• Negatív töltésű, ezért a pozitív elektród felé térül el. Levegőben néhány métert tesz meg, vékony fémlemezen nem hatol át.

γ-sugárzás

• Önállóan nem lép fel: mindig az α- és β-sugárzás kísérője.
• Nagy energiájú elektromágneses sugárzás (nincs tömege, nincs töltése).
• Több cm vastag nehézfémen (ólmon) is áthatol.

Alkalmazásaik

• Orvostudomány: a rákos sejtek elpusztítása (sugárterápia), gyógyító hatás.
• Nyomjelzés (Hevesy György): a technikában és az orvosi diagnosztikában.
• Régészeti kormeghatározás: a ¹⁴C-koncentráció mérésével.
• Atomerőművek: a ²³⁵U maghasadását kísérő energia hasznosítása.

Mi tartja össze az atommagot?

A magban a pozitív protonok taszítják egymást, mégsem repül szét. Ennek két oka van:

• A semleges neutronok beékelődnek a protonok közé, és „szigetelik" a taszítóerőket.
• A magerők tartják össze a nukleonokat. Ezek csak igen rövid távolságon hatnak, töltésfüggetlenek (azonos a proton–proton, proton–neutron és neutron–neutron között), és kb. százszor erősebbek a protonok közötti Coulomb-féle taszításnál.

Tömegdefektus

A nukleonokból létrejövő atommag tömege kisebb, mint az őt alkotó protonok és neutronok össztömege. Ezt a tömegkülönbséget nevezzük tömegdefektusnak (tömeghiánynak) — a hiányzó tömeg alakul át a magot összetartó energiává.

Két energiatermelő magfolyamat

Az elemek kémiai tulajdonságait elsősorban az határozza meg, hogyan helyezkednek el az elektronok az atommag körül. Az elektronszerkezet kiépülését több tényező és szabály szabályozza.

Elektronhéjak

Az elektronszerkezet kiépülését meghatározza: a mag vonzó hatása, az elektronok közti taszítás, az elektronok állandó, gyors mozgása, az energiaminimumra törekvés elve, a Pauli-elv és a Hund-szabály.

Atompályák és alhéjak

• s-pálya: gömbszimmetrikus, héjanként 1 db.
• p-pályák: „piskóta" alakúak, 3 db (p_x, p_y, p_z) — együtt a p-alhéj.
• d-pályák: 5 db — együtt a d-alhéj.
• f-pályák: 7 db — együtt az f-alhéj.

A kulcsfontosságú szabályok

Fontos fogalmak

• Alapállapotú atom: a legkisebb energiájú állapot — az elektronok a lehető legközelebb vannak a maghoz. Gerjesztett atom: energiabefektetés hatására egyes elektronok távolabbi pályára kerülnek. Szabad atom: nincs kölcsönhatásban más részecskével.
• Telített alhéj: minden pályáján 2 elektron van. Telítetlen alhéj: a maximálisnál kevesebbet tartalmaz.
• Vegyértékelektron: a külső, telítetlen héjon (a vegyértékhéjon) lévő elektron — ez határozza meg a kémiai tulajdonságokat.
• Atomtörzs: az atommag és a lezárt (telített) belső héjak együttese.
• Párosítatlan elektron: azonos spinű, pár nélküli elektron. Elektronpár: egy pályán lévő két, ellentétes spinű elektron.

A kvantumszámok

A kvantumszámok az elektronhéjak, alhéjak, pályák és elektronok jellemzésére szolgálnak:

Az első három kvantumszám együtt egyértelműen meghatároz egy atompályát; az azonos pályán lévő két elektron csak a spinkvantumszámban különbözhet (Pauli-elv).

Az első 18 elem teljes elektronszerkezete

Az elemek rendszerezésének első, mai szemléletű változatát Dmitrij Mengyelejev orosz kémikus alkotta meg 1869-ben. Az elemeket növekvő rendszám szerint sorba rendezve az elektronszerkezet — és vele a tulajdonságok — periodikusan ismétlődnek.

Periodikusan változó tulajdonságok: az atomok mérete, az elektronegativitás, az ionizációs energia, az ionok mérete és az elektronaffinitás.

Periódus és csoport

• Periódusok (vízszintes sorok): minden periódusban egy új héj s-alhéja kezd kiépülni, és minden periódus nemesgázzal zárul.
• Csoportok (függőleges oszlopok): az egy csoportba tartozó elemek vegyértékhéj-szerkezete azonos, ezért kémiai tulajdonságaik nagyon hasonlóak. Ez a magyarázata az egy főcsoportba tartozó elemek rokonságának.

Főcsoport, mellékcsoport és a mezők

8 főcsoport és 8 mellékcsoport van. Azt, hogy egy elem melyik mezőbe tartozik, az dönti el, milyen pályára épül be az új elektron:

• s-mező: az új elektron a külső héj s-pályájára épül (I–II. főcsoport).
• p-mező: az új elektron a külső héj p-pályájára épül (III–VIII. főcsoport).
• d-mező: az új elektron a d-pályára épül — nem a legkülső, hanem a kívülről 2. héjra (mellékcsoportok).
• f-mező: az új elektron az f-pályára épül — a kívülről 3. héjra (lantanoidák és aktinoidák).

Vegyértékelektronok száma a főcsoportokban

A főcsoport száma megadja a vegyértékelektronok számát. Ebből pedig a párosítatlan elektronok száma is leolvasható:

Hogyan változik a méret?

• Egy perióduson belül balról jobbra haladva csökken — a növekvő magtöltés egyre erősebben vonzza az azonos héjon lévő külső elektronokat, így „összehúzza" az atomot.
• Egy csoportban felülről lefelé haladva nő — egyre több elektronhéj épül ki, így a külső elektronokra a mag vonzása gyengül.

Az atomok a nemesgázszerkezet elérése érdekében elektront adhatnak le vagy vehetnek fel — így keletkeznek az ionok.

Az ionok jelölése és képződése

• Kationok: jobb felső indexbe tett + jel (többszörös töltésnél a + elé írt szám). Elnevezés: az elem neve + -ion. Pl. K⁺, Ca²⁺, Al³⁺ — kalciumion.
• Anionok: jobb felső indexbe tett − jel. Elnevezés: -id végződés. Pl. Cl⁻ = klorid, O²⁻ = oxid.

Ionsugár

• A kation mindig kisebb a kiindulási atomnál — megszűnik a külső héj, és a változatlan magtöltés kevesebb elektronra hat.
• Az anion mindig nagyobb a kiindulási atomnál — ugyanannyi proton több elektronra fejti ki vonzását, a héjak száma viszont nem változik.

Ionizációs energia

• Periódusban balról jobbra nő, csoportban felülről lefelé csökken.
• A második ionizációs energia mindig nagyobb az elsőnél (pozitív ionról nehezebb újabb elektront leszakítani).

Elektronaffinitás

• A halogének veszik fel a legszívesebben egy elektront — energiafelszabadulás kíséri:

• Kétszeresen negatív ion kialakulásához viszont energiát kell befektetni, mert a már negatív ion taszítja a következő elektront:

• A legnagyobb a fluor elektronegativitása (4,0), a legkisebb a franciumé (0,7). A nemesgázoké 0.
• Periódusban balról jobbra nő — nő a magtöltés, erősebb a vonzás.
• Csoportban felülről lefelé csökken — nő az elektronfelhő mérete, nő a távolság a magtól, gyengül a vonzás.

Kötéstípusok megállapítása az elektronegativitásból

Két jellemzőt érdemes nézni: az elektronegativitások összegét (ΣEN) és különbségét (ΔEN).