Az atomok szerkezete A bemutatót összeállította: Fogarasi József, Petrik Lajos SZKI, 2011 1
Atommodellek A kémiai szempontból legkisebb önálló részecskéket atomoknak nevezzük. Az atomok felépítésével kapcsolatos elméletek különböző ún. atommodelleket eredményeztek. Démokritosz (i. e. 460-370): a végtelen üres térben folyamatosan mozgó apró golyóknak képzelte el az anyagot felépítő részecskéket. John Dalton (1766-1844): az atomokat kicsi, tovább oszthatatlan golyóknak képzelte el. Ma már tudjuk, hogy az atom is tovább bontható: az atomot protonok, neutronok és elektronok építik fel. Ezeket elemi részecskéknek nevezzük. A ma használt atomkép egy matematikai modellből adódik, amelynek alapjait Erwin Schrödinger (1887-1961) alkotta meg. 2 2
Az atomot felépítő elemi részecskék Neve Jele Atomi tömegegység Töltése Helye az atomban Proton p + 1 pozitív Atommagban Neutron n 1 semleges Atommagban Elektron e - 1/1840 negatív Atomburokban Az atom kifelé semleges: protonok száma = elektronok száma Az atomokat egyezményes jelekkel, vegyjelekkel jelöljük. Nátrium: Na Kálium: K Kén: S Vas: Fe stb. 3 3
Protonokat és neutronokat tartalmaz. Az atommag A protonok számát rendszámnak nevezzük, jelölése: Z A rendszám meghatározza az atom kémiai minőségét, jelzi helyét a periódusos rendszerben. A neutronok és a protonok együttes számát tömegszámnak nevezzük, jelölése: A A = Z + N Tömegszám jelölése: Rendszám jelölése: 12 6 C 80 35 Br Megjegyzés: A tömegszámot és a rendszámot a kémiai reakciókban általában nem kell jelezni. 4 4
Izotóp atomok Az atommagban lévő protonok száma adott, meghatározza a kémiai minőséget. A neutronok száma változó. Igaz, hogy N Z. (kiv. H) Egy elem atomjai eltérő számú neutront tartalmazhatnak. Az ilyen atomok kémiai minősége azonos, és a periódusos rendszerben ugyanarra a helyre kerülnek. Ezért ezeket izotóp atomoknak nevezzük. Az izotópok atomok azonos rendszámú, de különböző tömegszámú atomok. Pl.: 37 35 17Cl 17Cl Az izotópok atomok fizikai és kémiai tulajdonságai nagyon hasonlóak. Általában nincs külön nevük. A természetben előforduló elemek többsége különböző izotópok keveréke. 5 5
Az atomtömeg Egy atom tömege rendkívül kicsi. Pl. a hidrogénatom tömege 1,7 10 27 kg. Célszerűen csak az atomok egymáshoz viszonyított tömegarányok lényegesek. Ezért megállapodunk (választunk) egy egységet, amihez a többi atomot viszonyítjuk. 12 A választott egység (megállapodás): 6 izotóp 1/12-ed része. C A relatív atomtömeg kifejezi, hogy egy elem egy atomjának tömege hányszor nagyobb a 12-es szénizotóp atomtömegének 12-ed részénél. Jele: A r Az atomokból felépülő molekulák tömegét az atomtömeghez hasonlóan értelmezzük. A relatív molekulatömeg kifejezi, hogy egy anyag egy molekulájának tömege hányszor nagyobb a 12-es szénizotóp atomtömegének 12-ed részénél. Jele: M r A relatív atom- és molekulatömegnek nincs mértékegysége. 6 6
A moláris tömeg Különböző mérésekkel és számítással meghatározták, hogy ha annyi grammot mérünk le valamely elemből, amennyi a relatív atom- vagy molekulatömege, akkor abban bármely anyag esetében 6 10 23 db atom illetve molekula van. Ezt a számot Amadeo Avogadro itáliai kémikus emlékére Avogadro-számnak nevezték el. A túlságosan nagy számokkal való nehézkes számolást megkönnyíti egy új mennyiség, az anyagmennyiség bevezetése. Az anyagmennyiség mértékegysége a mol. 1 mol az az anyagmennyiség, amelyben 6. 10 23 db részecske van. (elektron, ion, molekula stb.) A moláris tömeg az anyag tömegének (m) és anyagmennyiségének (n) hányadosa: M m n kg mol, illetve Egy atom moláris tömege egyenlő a relatív atomtömegével, egy molekula moláris tömege egyenlő a molekulát alkotó elemek relatív atomtömegeinek összegével. g mol Pl.: M(Fe) = 55,5 g/mol M(H 2 SO 4 ) = 2 1+ 32 + 4 16 = 98,0 g/mol M(O 2 ) = 32,0 g/mol M(C 6 H 12 O 6 ) = 6 12+12 1+ 6 16 = 180 g/mol (Kerekített értékek.) 7 7
Az atomburok felépítése A pozitív töltésű atommagot a protonok számával azonos számú, negatív töltésű elektron veszi körül az atomburokban. Az atomban adott helyen az elektronnak csupán a megtalálási valószínűségét adhatjuk meg. Ennek értelmében az elektron atomi pályájának, vagyis atompályának azt a teret tekintjük az atommag körüli térben, amelyen belül 90%-os valószínűséggel található meg az elektron. 8 8
Atompályák fajtái z y x p-pálya háromféle lehet Bonyolultabb pályák is léteznek. d-pályából 5-féle f-pályából 7-féle 9 9
Az atomburok felépítése Az elektronburok elektronhéjakból áll. Ezek száma 1 7-ig terjedhet. Az elektronhéjak alhéjakra oszthatók. Ezek s-, p-, d-, f-pályák lehetnek. s-pályából egy héjon 1 lehet. p-pályából egy héjon 3 lehet. d-pályából egy héjon 5 lehet. f-pályából egy héjon 7 lehet. Minden pályán maximum 2 elektron lehet. Energia 5. O-héj 4. N-héj 3. M-héj 5s 4s 5p 4p 3p 4d 3d 4f Alapállapotban minden elektron a legkiesebb energiájú pályán van. 3s 2. L-héj 2s 2p Az elektronpályák energetikai sorrendjéhez kattints ide! 1. K-héj 1s A lejátszáshoz telepíteni kell a FLASH MOVIE PLAYER programot! 10 10
Néhány atom elektronburkának szerkezete 1. Nitrogén Z = 7 Foszfor Z = 15 Energia 3. M-héj 4s 3p 3s 3d Energia 3. M-héj 4s 3p 3s 3d 2. L-héj 2p 2. L-héj 2p 2s 2s 1. K-héj 1s 1. K-héj 1s 1s 2 2s 2 2p 3 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3 11 11
Néhány atom elektronburkának szerkezete 2. Mangán Z = 25 Argon Z = 18 Energia 3. M-héj 4s 3p 3s 3d Energia 3. M-héj 4s 3p 3s 3d 2. L-héj 2p 2. L-héj 2p 2s 2s 1. K-héj 1s 1. K-héj 1s 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 5 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 12 12
AZ ELEMEK PERIÓDUSOS RENDSZERE oszlopok (csoportok) 1. (K) 2. (L) periódusok 3. (M) 4. (N) 5. (O) 6. (P) s-mező d-mező p-mező 7. (Q) f-mező A periódusos rendszer.swf 13 13
A legkülső héj sorszáma megegyezik a periódus számával. Az első két főcsoportban mindig az adott héj s-alhéja töltődik, ezért ez a két oszlop alkotja a periódusos rendszer s-mezejét. A p-mező hat csoportból áll, mivel itt (III.A - VIII.A főcsoport) a legkülső héj p-alhéja töltődik. A főcsoportok elemeinek vegyértékét a legkülső, le nem zárt héj elektronjai határozzák meg, ezért ezt a héjat vegyértékhéjnak, az elektronokat vegyértékelektronoknak nevezzük. A többi elektron és az atommag együttesen az atomtörzset alkotja. Az elemek vegyértékelektronjainak száma megegyezik a főcsoport sorszámával. Az ugyanabba a csoportba tartozó elemek egymáshoz hasonló tulajdonságúak, mert hasonló a vegyértékelektron-szerkezetük. A nemesgázok (VIII. A csoport) atomjainak elektronszerkezete zárt. Az ilyen zárt szerkezet (1s2, illetve ns2np6, ha n 2) igen stabilis, ezért ezek az elemek kémiai reakcióra nem hajlamosak. 14 14
A periódusos rendszer d-mezőjének atomjai esetén a legkülső héj alatti elektronhéj, a d-alhéj töltődik fel. A d- mező elemeinek kémiai tulajdonságait a külső héj s-alhéja és a külső alatti héj d-alhéja egyaránt befolyásolja, ezért a vegyérték-szerkezetet két különböző héjelektronjai együttesen alkotják. A 4f-alhéj feltöltődése a 57 La, az 5f-alhéjé a 89 Ac után kezdődik. Az f-alhéjon maximálisan 14 elektron fér el, így a periódusos rendszerben az f-mező egy-egy sora épp ennyi elemet tartalmaz. A lantanoidák legtöbbje a természetben is előfordul, az aktinidák közül az uránt ( 92 U) követő elemek azonban csak mesterségesen állíthatók elő. A periódusos rendszerben több tulajdonság (az atomsugár, a vegyérték stb.) periodikusan változik a rendszám növekedésével. 15 15
Atomsugár - rendszám Atomsugár 250 200 150 nm 100 50 0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 Rendszám 16 16
A gerjesztés folyamata Energia 4. N-héj 3. M-héj 2. L-héj 4s 4p 3p 3s 2p 4d 3d gerjesztés (+E) Energia 4. N-héj 3. M-héj 2. L-héj 4s 4p 3p 3s 2p 4d 3d 1. K-héj 2s 1s alapállapotba jutás (-E) 1. K-héj 2s 1s Az alapállapotú foszforatommal energiát közlünk. (fény, hő stb.) Alapállapotba jutva az energiát leadja. (fény) 17 17
Kationok képződése Megfelelő nagyságú energia hatására az elektron nem csak gerjesztődik, hanem kiszakad az atommag vonzásteréből. Ekkor az atomban a pozitív töltések kerülnek túlsúlyba és kation képződik: E kation + elektron A + ionizációs energia A + + e - E>0 Na + ionizációs energia Na + + e - atom Ag + ionizációs energia Ag + + e - Az ionizációs energia a szabad atomról a legkönnyebben eltávolítható elektron leszakítását kísérő moláris energiaváltozás. Az ionizációs energia mértékegysége kj/mol, mérőszáma megegyezik 1 molatom esetében mérhető energiaváltozás mérőszámával. (A fenti meghatározás az első elektron leszakítására, az ún. első ionizációs energiára vonatkozik.) 18 18
Anionok képződése Azok az atomok, amelyek a periódusok végén vannak, könnyen vesznek fel elektront, mert így n(s 2 p 6 ), azaz nemesgázokkal azonos, stabil elektronszerkezetűvé válnak. Ekkor az atomban a negatív töltések kerülnek túlsúlyba és anion képződik: E klóratom + elektron E oxidion E < 0 kloridion oxigénatom E > 0 + 2 elektron Cl + e - Cl - O + 2 e - O 2- Az első elektron felvétele mind a klórnál, mind az oxigénnél energiafelszabadulással jár. A második elektron felvétele mindig energiabefektetéssel történhet! A negatív ionok képződésével együtt járó energiát elektronaffinitásnak nevezzük. Mértékegysége kj/mol. 19 19
Az elektronegativitás Az elemek kémiai tulajdonságaival kapcsolatos becslésekben sokszor használjuk a kötött állapotú atomok elektronvonzó képességére vonatkozó adatot, az elektronegativitást (EN). Ezt a viszonyszámot különféle energiaváltozásokból először Linus Pauling (1901-1996) amerikai vegyész határozta meg. Az elektronegativitás: A kémiai kötésben részt vevő atomok elektronvonzó képességét kifejező szám. 1 2 13 14 15 16 17 18 1 I.a II.a II.a IV.a V.a VI.a VI.a VII.a H 3 4 Li 11 12 Na 19 20 21 K 37 38 Rb 55 56 Cs 1,0 6,9 9,0 23,0 24,3 39,1 40,1 85,5 87,6 132,9 137,3 87 88 89 Fr 1,0 Be Mg Ca Sr Ba Ra 223 226 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 II.b IV.b V.b VI.b VI.b VII.b Sc 45,0 22 23 24 25 26 27 28 39 40 41 88,9 42 43 44 45 46 47 48 49 57 72 73 74 75 76 77 78 79 80 138,9 227 Ti 47,9 91,2 178,5 V 50,9 92,9 180,9 Cr 52,0 Y Zr Nb Mo La Ac Az elektronegativitás változása Hf Ta W 95,9 183,9 Mn Tc 54,9 99,0 Re 186,2 Fe 55,9 Ru 101,1 Os 190,2 Co 58,9 Rh 102,9 Ir 192,2 Ni 58,7 Pd 106,4 Pt 195,1 I.b 29 30 Cu 63,5 Ag 107,9 Au 197,0 II.b Zn 65,4 Cd 112,4 Hg 200,6 5 6 7 8 9 10 B C N O F 10,8 12,0 14,0 16,0 19,0 13 14 15 16 17 18 Al Si P S Cl 27,0 28,1 31,0 32,1 35,5 31 32 33 34 35 36 Ga 69,7 In 114,8 72,6 74,9 79,0 79,9 50 51 52 53 54 118,7 121,8 127,6 126,9 81 82 83 84 85 86 Tl 204,4 Ge Sn Pb 207,2 As Sb Bi 209,0 Se Te Po 210 Br I At 210 2 He Ne Ar Kr 4,0 20,2 39,9 83,8 Xe 131,3 Rn 222,0 4,0 20 20
Elektronegativitás - rendszám 4,0 3,5 3,0 Elektronegativitás 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0 10 20 30 40 50 60 Rendszám 21 21
Az elektronegativitás A legnagyobb elektronegativitású elem a fluor (EN = 4). Az elektronegativitás a főcsoportokban gyakorlatilag az atomsugárral ellentétesen változik: egy periódusban a rendszám növekedésével nő, egy-egy csoportban pedig lefelé csökken. A mellékcsoportokban - mivel ott a legkülső héj gyakorlatilag változatlan - nem ilyen egyértelmű a változás, sőt a legnagyobb elektronegativitású nemes fémek (pl. az arany és a higany) a nagyobb sorszámú periódusokban találhatók. Az elektronegativitás első megállapításának idején még nem ismerték a nemes gázok vegyületeit, így a nemesgázoknak nem értelmezték az elektronegativitását. 22 22