Elmélet · Általános kémia · Atomszerkezet

Az atomszerkezet

Minden kémia itt kezdődik: az atom felépítésénél. Ebben a fejezetben felépítjük a részecskéktől az atommagon és az elektronfelhőn át a periódusos rendszerig azt a modellt, amellyel az elemek viselkedése megjósolhatóvá válik.

elemi részecskék izotópok radioaktivitás elektronszerkezet periódusos rendszer ionok elektronegativitás
01

Az atom felépítése

Atom

Kémiai szempontból a legkisebb, önálló, semleges részecske, amely kémiai módszerekkel tovább nem osztható. Az atomokat felépítő részecskéket elemi részecskéknek nevezzük.

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

Az atommag

Az elektronfelhő

A három elemi részecske

RészecskeJeleTömeg (kg)Relatív tömegRelatív töltésFelfedezés
protonp+1,673·10−271+1Rutherford, 1919
neutronn01,675·10−2710Chadwick, 1932
elektrone−9,109·10−311/1840−1Thomson, 1897
⚛️
Kvarkok. Az 1960-as években kiderült (amerikai kutatások), hogy a proton és a neutron sem oszthatatlan: mindkettő három még parányibb részecskéből, ún. kvarkból épül fel.

02

Rendszám, tömegszám, vegyjel

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

A jelölés leolvasása — példa: oxigén
O 16 8 Tömegszám (A) protonok + neutronok száma a vegyjel bal felső sarkában Vegyjel az elem rövidítése Rendszám (Z) protonok száma = elektronok száma a vegyjel bal alsó sarkában neutronok száma (N) = A − Z = 16 − 8 = 8
Az oxigén magjában 8 proton és 8 neutron van, körülötte 8 elektron kering.
Rendszám (Z)

Az atommagban lévő protonok száma. Mivel a semleges atomban az elektronok száma megegyezik a protonokéval, a rendszám egyúttal az elektronok számát is megadja. A rendszám határozza meg az atom kémiai tulajdonságait és a periódusos rendszerben elfoglalt helyét.

Tömegszám (A)

A protonok és a neutronok együttes száma (a nukleonok száma).

A neutronok száma

N = A − Z   (neutronszám = tömegszám − rendszám)

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.

🔑
Vegyjel. A modern kémiai jelrendszert Jöns Jakob Berzelius vezette be. A vegyjel egy vagy két betűből áll, mindig nagybetűvel kezdődik, a második karakter (ha van) kisbetű. Pl. O, Na, Cl.

03

Az elem és az izotópok

Elem

Kémiailag tovább nem bontható, egyszerű anyag. Atomjai azonos számú protont tartalmaznak, azaz azonos rendszámú atomfajtákból épülnek fel.

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

Izotópok

Izotópok

Olyan atomok, amelyekben a protonok száma azonos, de a neutronok száma különböző. Ugyanahhoz az elemhez tartoznak, így a periódusos rendszerben ugyanazt a helyet foglalják el.

🧪
Példa. A hidrogénnek három izotópja van: a hidrogén (¹H, neutron nélkül), a deutérium (²H, 1 neutron) és a trícium (³H, 2 neutron) — mindháromban 1-1 proton van.

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

Relatív atomtömeg (Ar)

Megmutatja, hogy az adott atom hányszor nehezebb a szén 12C izotópja tömegének 1/12 részénél. Mértékegysége nincs.

⚠️
Ne keverd össze! A tömegszám (A) egyetlen konkrét izotóp protonjainak és neutronjainak összege (egész szám). A relatív atomtömeg (Ar) az elem izotópjainak átlagos tömege, az előfordulási arányokat is figyelembe véve — ezért általában nem egész szám (pl. a klóré 35,45).

Két tudós, akit érdemes ismerni

Berzelius (1779–1848)

A Curie házaspár


04

Radioaktív sugárzás

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

A három sugárzás áthatolóképessége
mag papír alumínium ólom (több cm) α β γ α megáll a papíron β megáll az alumíniumon γ áthatol az ólmon is
Az áthatolóképesség sorrendje: α < β < γ.

α-sugárzás

β-sugárzás

γ-sugárzás

Alkalmazásaik


05

Atomenergia

Mi tartja össze az atommagot?

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

Atomenergia

Az atommagban koncentrálódó magerőkben rejlő energia.

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

FolyamatMi történik?Hol?
MagfúzióKönnyű magok egyesülnek nehezebbé (pl. hidrogénmagokból héliummag) — energia szabadul fel.A Nap belsejében
MaghasadásEgy 235U-mag neutront fog be → 236U lesz, ami azonnal két kisebb magra (pl. bárium + kripton) esik szét, nagy energia kíséretében.Atomreaktorok
📺
A radioaktív sugárzás és az atomreaktorok működésének elmélyítéséhez érdekes kiegészítés a Csernobil című minisorozat.

06

Az elektronszerkezet

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

Elektronhéj

A magtól közel azonos távolságra lévő elektronok együttese. A magtól kifelé haladva: K, L, M, N… héjak.

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.

Az elektronhéjak és maximális elektronszámuk
mag K L M N K-héj — max. 2 e⁻  (1 alhéj: 1s) L-héj — max. 8 e⁻  (2s, 2p) M-héj — max. 18 e⁻  (3s, 3p, 3d) N-héj — max. 32 e⁻  (4s, 4p, 4d, 4f) Az n. héj maximális elektronszáma: 2n²
Minden héj alhéjakból (s, p, d, f) áll, ezek pedig atompályákból.

Atompályák és alhéjak

Alhéj

Egy héjon belül az azonos alakú (azonos mellékkvantumszámú) pályák alkotják. Jelölés: a szám a héjat, a betű az alhéjat, a felső index az elektronok számát adja meg. Pl. 2p³ = a 2. héj p-alhéján 3 elektron van.

A kulcsfontosságú szabályok

Energiaminimum elve

Alapállapotban az atom minden elektronja a lehető legalacsonyabb energiájú pályákon helyezkedik el.

Pauli-elv

Egy atompályára legfeljebb két, ellentétes spinű elektron kerülhet. (Másképp: egy atomban nincs két olyan elektron, amelynek mind a négy kvantumszáma megegyezne.)

Hund-szabály

Ha egy alhéj telítetlen és több pályából áll, az elektronok alapállapotban a lehető legtöbb pályán, párosítatlanul, azonos spinnel helyezkednek el.

A pályák feltöltődése és a Hund-szabály
Feltöltődési sorrend 1s 2s2p 3s3p3d 4s4p4d4f 5s5p5d 6s6p 7s Az átlók mentén, jobbról-felülről balra-lefelé töltődnek a pályák. Példa: nitrogén (7 e⁻) 1s² 2s² 2p³ ⇅ 1s ⇅ 2s ↑ ↑ ↑ 2p A 2p alhéj 3 pályájára a 3 elektron külön-külön, azonos spinnel ül be — ez a Hund-szabály.
A párosított elektronpár ellentétes spinű (⇅); a párosítatlan elektronok azonos spinűek (↑).

Fontos fogalmak

Nemesgázszerkezet

A legstabilisabb, legalacsonyabb energiájú elektronszerkezet: a külső héjon 2, illetve 8 elektron van. A többi atom — ha lehetősége van rá — törekszik ennek elérésére.

A kvantumszámok

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

KvantumszámJeleMit ír le?Lehetséges értékei
Főkvantumszámnaz elektronhéj sorszáma (mag­tól kifelé)1, 2, 3…
Mellékkvantumszámlaz atompálya alakja (alhéj)0=s, 1=p, 2=d, 3=f
Mágneses kvantumszámma pálya térbeli iránya (hány pálya van az alhéjon)−l … +l
Spinkvantumszámmsaz elektron saját mágneses sajátsága+½ vagy −½

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

ZElemElektronszerkezet
1H1s¹
2He1s²
3Li1s² 2s¹
4Be1s² 2s²
5B1s² 2s² 2p¹
6C1s² 2s² 2p²
7N1s² 2s² 2p³
8O1s² 2s² 2p⁴
9F1s² 2s² 2p⁵
10Ne1s² 2s² 2p⁶
11Na1s² 2s² 2p⁶ 3s¹
12Mg1s² 2s² 2p⁶ 3s²
13Al1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p¹
14Si1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p²
15P1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p³
16S1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁴
17Cl1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵
18Ar1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶

07

A periódusos rendszer

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

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:

A Mólmester periódusos rendszere — a mezők és a trendek
s-mező p-mező d-mező f-mező nemesgázok
ionizációs energia & elektronegativitás nő →
atomméret nő ↓
ionizációs energia & EN nő ↑
Válassz egy elemet a periódusos rendszerből…
Kattints (vagy érintsd meg) egy elemet a részletekért. Az atomméret jobbról balra és felülről lefelé nő; az ionizációs energia és az elektronegativitás ezzel ellentétesen.

Vegyértékelektronok száma a főcsoportokban

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

FőcsoportVegyértékelektronAlhéjPárosítatlan elektron
I.1s1
II.2s0
III.3s + p1
IV.4s + p2
V.5s + p3
VI.6s + p2
VII.7s + p1
VIII.8s + p0
💡
A párosítatlan elektronok száma 0-tól 3-ig nő (a III–V. főcsoportban a p-pályák Hund szerint egyesével telnek), majd a VI. főcsoporttól visszacsökken, ahogy a párok kezdenek kialakulni. Ezért „szimmetrikus" a 1, 0, 1, 2, 3, 2, 1, 0 sorozat.

08

Az atomok mérete

Atomsugár

A gömb alakúnak tekintett atom sugara — ez jellemzi az atom méretét. Nagyságrendje a pikométer (1 pm = 10−12 m). A rendszám növekedésével periodikusan változik.

Hogyan változik a méret?

🔑
Az atomsugár a periódusokban az alkálifémektől a nemesgázok felé általánosan csökken, a csoportokban lefelé nő. A legnagyobb atomok tehát a periódusos rendszer bal alsó sarkában találhatók.

09

Az ionok

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

IonHogyan keletkezik?TöltésVándorlás (elektrolízis)
Kationa vegyértékhéj 1–2–3 elektronját leadja (oxidáció)pozitív (több proton, mint elektron)a negatív elektród (katód) felé
Anion6–7 elektronos héjra elektront felvesz (redukció)negatív (több elektron, mint proton)a pozitív elektród (anód) felé

Az ionok jelölése és képződése

K  →  K+ + e−   (kation képződése — oxidáció)
Cl + e−  →  Cl−   (anion képződése — redukció)

Ionsugár

📏
Izoelektronos ionok. Azonos elektronszerkezetű részecskéknél minél „pozitívabb" az ion, annál kisebb, mert ugyanannyi elektront több proton vonz. Pl. a méret csökken ebben a sorban: O²⁻ > F⁻ > Ne > Na⁺ > Mg²⁺ > Al³⁺.

Ionizációs energia

Ionizációs energia (Ei, kJ/mol)

Az az energia, amely 1 mol szabad, alapállapotú atom legkönnyebben leszakítható elektronjának eltávolításához szükséges. Annál nagyobb, minél több proton van a magban, és minél közelebb van a külső héj a maghoz.

⚠️
Két „megtörés" a növekedésben. (1) Az s- és p-mező határán visszaesés van, mert az s- és p-alhéj közötti energiakülönbség miatt a p-pálya első elektronja könnyebben leszakítható. (2) A 2. és 3. periódusban az V. és VI. főcsoport között is visszaesés van: az V. csoportban maximális a párosítatlan elektronok száma (stabil félig telt p-alhéj), a VI.-ban viszont egy pár alakul ki, és a párosított elektron könnyebben eltávolítható.

Elektronaffinitás

Elektronaffinitás (Ea, kJ/mol)

Az az energia, amely felszabadul vagy elnyelődik, amikor 1 mol alapállapotú, szabad atomból egyszeresen negatív ion képződik. Egy atom annál könnyebben képez aniont, minél közelebb van a külső héj a maghoz, és minél kevesebb elektron hiányzik a nemesgázszerkezethez.

Cl(g) + e−  →  Cl−(g)     Ea = −349 kJ/mol
O−(g) + e−  →  O2−(g)     Ea = +744 kJ/mol

10

Elektronegativitás

Elektronegativitás (EN)

A kötésben lévő atom elektronvonzó képessége — vagyis hogy a kovalens kötést létrehozó elektronpárt mennyire vonzza magához. A fogalmat Pauling vezette be.

Kötéstípusok megállapítása az elektronegativitásból

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

KötéstípusΣENΔENMi történik az elektronokkal?
Kovalensnagykicsiaz atomok közel egyformán, erősen kötik a közös elektronpárt
Ionos—nagyaz elektron(ok) az egyik atomhoz kerülnek → egyik pozitív, másik negatív ion
Fémeskicsikicsiminden atom gyengén köti az elektronokat → szabadon mozgó elektronok, áramvezetés
⚡
A fémes kötésben az elektronok szinte függetlenül mozognak az atomok között — ez az elektronok egyirányú mozgása adja az áramvezetést.