(C) Minden jog fenntartva!

(C) Minden jog fenntartva!

Felfedezőúton a kémia birodalmában Életközeli kémia tankönyvsorozat Type to enter text Dr. Kisfaludi Andrea

Életközeli kémiatankönyvsorozat 3. Felfedezőúton a kémia birodalmában /kézirat/ Szerző: Dr. Kisfaludi Andrea 2010, Szentrendre Minden jog fenntartva Dr. Kisfaludi Andrea_Felfedezőúton a kémia birodalmában_kézirat.docx 1

Tartalomjegyzék Tisztelt Kolléga!... 5 A következő fejezetben... 6 1. Mégegyszer az atomokról, ionokról és a molekulákról... 7 1.1. Hogyan modellezhetjük az atomot?... 7 1. 2. Az elektronok tulajdonságai az atomban... 8 1.2.1. Hogyan mozognak az elektronok a héjakon belül?... 9 1.2.3 Hogyan foglalják el helyüket az elektronok az atomban?... 11 1.3. Újabb adatok, melyeket kiolvashatunk a periódusos rendszerből?... 12 1.3.1. A periódusos rendszer mezői... 12 1.3.2. A periódusos rendszer nevezetes csoportjai... 14 Halogének... 15 1.4 Ionok... 17 1.4.1. A pozitív töltésű ionok... 17 1.4.2. A negatív töltésű ionok... 18 1.5. Molekulák... 19 1.5.1. Mekkora az atomok közötti távolság és kötőerő a molekulákban?... 20 1.5.2. A kovalens kötés fajtái... 20 1.5. 5. Egy másfajta kovalens kötés... 21 1.5.3. Delokalizált elektronok a molekulákban... 22 1.5.4. A poláris és az apoláris kovalens kötés... 22 1.5.6. Hogyan képzeljük el a molekulákat?... 23 1.5.7. A molekuláknak is lehet polaritása... 24 A következő fejezetben... 26 2. Hogyan képzeljük el szilárd halmazok szerkezetét?... 27 2.1. Molekulák szilárd állapotban... 27 2.1.1. A másodrendű kötőerők fajtái... 27 2.1.2. Melyik a legerősebb másodrendű kötés?... 28 2.1.3. Az anyagok milyen tulajdonságait befolyásolják a másodrendű kötőerők?... 28 2.2. Ionok szilárd állapotban... 29 2.2.1. Az ionok nem létezhetnek önmagukban... 29 2.2.2. Mik azok a sók?... 30 2.2.3. Az egyenletek rendezésének megkönnyítésére...... 32 2.2.4. Az ionrácsos anyagok tulajdonságai... 33 2.3. Fémek szilárd állapotban... 34 2.4. A gyémánt és a hasonló szerkezetű anyagok... 35 2.6. Hogyan dönthetjük el, hogy egy anyag milyen kristályszerkezetben kritályosodik?... 35 3.2. Szénatomokból és hidrogénatomokból álló szénvegyületek... 38 3.2.1. Két nagy energiaforrás; a földgáz és a kőolaj... 38 3.2.1.1. Miből áll a földgáz?... 41 3.2.1.3. A közlekedéshez nélkülözhetetlen szénhidrogének... 50 A benzin... 50 Dízel-olaj... 52 Kerozin... 52 Motorhajtó anyagok és a környezet... 52 A gumi... 53 mit tanultunk eddig?... 65 Dr. Kisfaludi Andrea_Felfedezőúton a kémia birodalmában_kézirat.docx 2

3. 3. Szénatomokból, hidrogénatomokból és halogénatomokból álló szénvegyületek 68 3.3.1. A háztartásban...... 68 3.3.2. A kertben...... 70 3.3.3. Oldószerként...... 71 3.3.4. A szuperméreg... 71 3. 3. 5. Miért ennyire ellenállók a halogéntartalmú szénvegyületek?... 72 3.3.6. Hogyan nevezzük el a halogéntartalmú szénvegyületeket?... 72 3.3.7. Hogyan állítják elő a halogéntartalmú szénvegyületeket az iparban?... 73 3.4. Szénatomokból, hidrogénatomokból és oxigénatomokból álló szénvegyületek... 75 3.4.1. Bor, sör, pálinka és társaik... 75 3.4.2. Az autó működéséhez nélkülözhetetlen... 84 3.4.3. Oldószerek... 85 3. 4. 4. Karbonsavak a konyhában és szervezetünkben... 87 3.4.6. Mitől finom illatúak és ízűek a gyümölcsök?... 92 mit tanultunk eddig?... 93 3.4.7. Hogyan állítható elő alkoholból a többi oxigéntartalmú szénvegyület?... 94 mit tanultunk eddig?... 98 3. 5. Amit megeszünk..... 100 3.5.1. A zsír, az olaj, a margarin és a vaj... 100 3.5.2. Mitől édes?... 105 3.5.2.1. A cukor... 105 3.5.3. A krumpliban és a búzában is van... 109 mit tanultunk eddig?... 114 3.5.4. A tej, a tojás és a hús... 115 3.5.4.2. A selyem, a haj és a zselatin... 116 3.5.4.3. A hús fehérjéi... 117 3.5.4.4.A tojás... 117 3.5.4.5.A tej és a tejtermékek... 117 3.5.5. Mindennapi kenyerünk... 119 3.5.6. Mi van még az élelmiszerekben?... 120 3.5.6.1. Azok a nélkülözhetetlen vitaminok... 120 mit tanultunk eddig?... 122 3.6. A műanyag két arca... 124 3.6.1. Műanyagok és műszálak... 124 3.6.2. Örömök és veszélyek a műanyagok hasznosításakor... 126 3.6.3. A műanyagok újrahasznosítása... 126 3.7. Amire mindannyiunknak szüksége lehet; a gyógyszerek... 128 3.7.1. Úgy fáj, úgy ég... 128 3.7.2. Ha köhögés kínoz... 129 3.7.3. A gyomor és tájéka... 129 3.7.4. Ha komolyabb baj van... 129 3.7.5. Ha nem jön álom a szemünkre... 130 3.7.6. Azt hiszem a szívemmel baj van... 130 3.8. Kábítószerek és hatásaik... 132 3.8.1. Melyek a leggyakoribb kábítószerek?... 132 3.8.2. Doppingszerek... 133 3.9. Robbanóanyagok... 135 A következő fejezetben... 136 Év végi önellenőrzés... 137 Milyen anyagokat használnak?... 137 Dr. Kisfaludi Andrea_Felfedezőúton a kémia birodalmában_kézirat.docx 3

Miből állítják elő és hogyan?... 137 Milyen fontos tápanyagokat tartalmaz?... 137 Miből és hogyan állítják elő?... 137 Mi a különbség és mi a hasonlóság az alábbi vegyületek és keverékek között?... 138 Miért?... 138 Milyen veszélye van?... 138 Függelék I.... 140 Függelék II.... 141 A kémia és a biológia határán... 141 Dr. Kisfaludi Andrea_Felfedezőúton a kémia birodalmában_kézirat.docx 4

Tisztelt Kolléga! A könyv amelyet a kezében tart a Belépés a kémia birodalmába és az Ismerkedés a kémia birodalmával című tankönyvek folytatása. E tankönyv az alapvető kémia szerkezeti tudnivalókat foglalja össze és bővíti ki, valamint megismerteti a diákokat a mindennapi élet szempontjából fontos szerves vegyületekkel. A tankönyv szemlélete és tárgyalásmódja megegyezik az előző két kötetekkel. A tankönyvben az alábbi jelölések találhatók: Diákkísérlet Tanári kísérlet Gondolkodtató kérdés Ismétlő kérdés Háttéranyag Dr. Kisfaludi Andrea_Felfedezőúton a kémia birodalmában_kézirat.docx 5

A következő fejezetben átismételjük mindazokat a fogalmakat, amelyeket az atomokról ionokról és a molekulákról megtanultunk, kibővítjük az ismereteinket a kvantumszámok, a molekulaalakok és kovalens kötés típusainak megismerésével Dr. Kisfaludi Andrea_Felfedezőúton a kémia birodalmában_kézirat.docx 6

1. Mégegyszer az atomokról, ionokról és a molekulákról 1.1. Hogyan modellezhetjük az atomot? Az atomról már sokat tanultunk. Ismételjük át a tanultakat! (Ha valamire nem emlékeznél, nézz utána a Belépés a kémia birodalmába című tankönyv V. fejezetében.) Milyen kísérletek bizonyították, hogy az atom nem oszthatatlan? Hogyan képzelte el Demokritosz és Dalton az atomot? Milyen elemi részecskékből áll egy atom? Mekkora és milyen töltése van az egyes elemi részecskéknek? Milyen elemi részecskékből áll az atommag? Milyen kölcsönhatás tartja össze az atommagot és az elektronburkot az atomban? Milyen adatból következtethetünk arra, hogy egy atomban hány proton van? Egy atomban lévő protonok számából mely más elemi részecske számára következtethetünk? Mi a tömegszám? Hol összpontosul az atom tömegének legnagyobb része? Milyen kísérlettel bizonyították ezt? Hogyan viszonyul egymáshoz az atommag és az atom átmérője? Miben különböznek egymástól ugyanazon elem izotópatomjai? Ernest Rutherford híres kísérletében bizonyította, hogy az atom közepén az atommag található. Ő úgy képzelte, hogy az elektronok e körül az atommag körül úgy keringenek mint a bolygók a Nap körül. RUTHERFORD MODELL Ezzel az atommodellel számos jelenséget meg lehetett magyarázni, azonban a modell a fizika törvényeivel ellentmondásba ütközött. Ugyanis a fizikában jól ismert az a tény, hogy a mozgó és az irányát állandóan változtató, elektromos töltéssel rendelkező test energiát sugároz a környezetének. Az atomban keringő elektronok ezekkel a tulajdonságokkal rendelkeznek, vagyis irányukat változtatják és töltéssel rendelkeznek, tehát keringésük során energiát kellene kibocsátaniuk. Ha viszont az elektron energiát sugározna, akkor energiája végül elfogyna és belezuhanna az atommagba. Ebben az esetben az atom megváltozna, hiszen az elektronok számában és az atommag szerkezetében változás állna be. A tapasztalatok azonban azt mutatják, hogy az atomok stabilak és az elektronok nem zuhannak a magba. Tehát a modell nem pontosan írja le a valóságot. ELEKTRON BELELZUHAN A MAGBA Niels Bohr (róla az Ismerkedés a kémia birodalmába című tankönyvben olvashattunk az aranyról szóló fejezetben) dán kémikus igyekezett kiküszöbölni a Rutherford atommodell hibáit. Bohr azt mondta, hogy az elektronok az atomban csak meghatározott sugarú körpályákon keringhetnek. Az atommaghoz legközelebb eső pálya sugara a legkisebb és ettől távolodva nő a pályák sugara. BOHR MODELL (kémiai kaleid, Boksay 322. old.) BOHR KÉPE KÉMIA NAGY PILLANATAI 128.OLD Az atomokban ezeknek a meghatározott sugarú pályáknak az adott atomra jellemző energiájuk van. Ezt a meghatározott energia mennyiséget kvantumnak nevezzük. Az atomban levő atompályák energiája meghatározott értékkel különbözik egymástól. Ahhoz, hogy az elektron az egyik atompályáról a másik atompályára kerülhessen meghatározott eneriamennyiséget (kvantumot) kell felvennie, vagy leadnia. Dr. Kisfaludi Andrea_Felfedezőúton a kémia birodalmában_kézirat.docx 7

Magyarázatként képzeljük el, hogy egy italautomatából kakaót akarunk venni. Egy kakaó ára 30 Ft. Hiába dobunk a gépbe 20 Ft-ot a gép nem ad kakaót, visszaadja a pénzt.. Ha viszont a gépbe 35 Ft-ot dobunk, akkor is csak 30 Ft ára kakaót kapunk és a gép visszaadja a maradék 5 forintot. Tehát a gép a kakaó áránál sem többet, sem kevesebbet nem fogad el. Az atomban lévő elektronok is csak meghatározott mennyiségű energiát képesek felvenni, vagy leadni. A Bohr féle atommodellel jól lehetett magyarázni a hidrogénatom szerkezetét, de több elektronnal rendelkező atomok szerkezetének magyarázatánál újabb ellentmondásokba ütköztek. Megfigyelésekből arra következtettek, hogy az atomoknak több pályájuk van, mint amennyit a Bohr modell megenged. A hibák kiküszöbölésére Arnold Sommerfeld (ejtsd: zommerfeld) 1915-ben továbbfejlesztette a Bohr-modellt és ellipszis alakú pályák létezését is megengedte az atomban. Azonban ez a változtatás sem tette alkalmassá a modellt a több elektronnal rendelkező atomok szerkezetének pontos leíráasára. SOMMERFELD MODELL SOMMERFELD KÉPE A többelektronos atomok szerkezetének magyarázatához ki kell bővíteni az elektronnal kapcsolatos eddigi ismereteinket. 1924-ben Louis de Broglie (ejtsd: lui dö broli) vetette fel, hogy az elektron kétféle sajátsággal rendelkezik egyrészt részecskeként, másrészt hullámként, (mint a tenger hullámai), viselkedik. Ezt a feltevést később kísérlettel is igazolták. Tehát az elektront nem szabad az atommag körül keringő kis gömböcskének elképzelnünk. Számos jelenség magyarázatához az elektron hullámsajátságát is figyelembe kell vennünk. Ebből következik, hogy vannak olyan jelenségek, amelyeket az elektron részecske sajátságával, és vannak olyanok, amelyeket az elektron hullám természetével lehet megmagyarázni. Az elektronnak ezt a két sajátságát rendkívül nehéz szemléletesen leírni, és nagyon nehéz elképzelni. A fogalom megvilágításához gondoljunk egy férfira, aki fia egy másik férfinak, de ugyanakkor apja egy fiúnak. Bizonyos cselekvéseiben fiúként, más cselekvéseiben apaként viselkedik. 1926-ban Erwin Schrödinger (ejtsd: srödinger) matematikailag fogalmazta meg és egy ún. hullámegyenlettel írta le az elektron atomon belüli viselkedését. Ez az egyenlet és ennek az egyenletnek a megoldásai képezik az ún kvantummechanikai atommodell alapját. Ez az atommodell a ma elfogadott, a valóságot legjobban megközelítő és leíró atommodell. A kvantummechanikai atommodell részletes tárgyalására a középiskolai tanulmányokhoz nincs szükség. Itt csak a modell főbb jellemvonásait tárgyaljuk. SCHRÖDINGER KÉPE, EGYENLET TECHN KR 422.OLD. 522.OLD 1. 2. Az elektronok tulajdonságai az atomban Az előbb említett Schrödinger egyenlet matematikai megoldásai az ún. kvamtumszámok. Egy atomban lévő minden elektronhoz négy kvantumszám tartozik, ezek;a fő, a mellék, a mágneses és a spinkvantumszám. A kvantumszámok kémiai és fizikai jelentésével ismerkedünk meg a továbbiakban. Az atommag körüli teret - mint azt már tanultuk - különböző méretű gömbhéjakra oszthatjuk. Ezeken a héjakon az ún. atompályákon belül mozognak az elektronok. A héjak mérete az atommagtól kifelé haladva nő. A héjakat növekvő gömbsugaruk sorrendjében számozzuk 1, 2, 3, stb. pozitív egész szám. Ezek a főkvantumszámok. A főkvantumszámok kémiai értelmezése: AZ ATOMPÁLYA AZ A TÉRRÉSZ, AMELYEN A BELÜL AZ ELEKTRON 90%-OS VALÓSZÍNŰSÉGGEL MEGTALÁLHATÓ. A 90%-os valószínűség azt jelenti, hogy az elektron helyét nem tudjuk pontosan megmondani, csak 90%-os valószínűséggel. Képzeljük el úgy, mintha egy nyúl tartózkodási helyét szeretnénk megmondani egy rét közepén. Készítünk 100 felvételt a rét középső részéről (tíz másodpercenként egyet-egyet) A Dr. Kisfaludi Andrea_Felfedezőúton a kémia birodalmában_kézirat.docx 8

nyuszi 90 képen rajta lesz, de 10 képen hiányozni fog. Tehát a nyúlnak a rét közepére vonatkoztatott megtalálási valószínűsége 90%. Ugyanez mondható el az elektron atompályán való megtalálási valószínűségéről is. Az atompályákat négyzettel jelöljük. NÉGYZETES JELÖLÉS NYUSZI A RÉTEN Azt, hogy egy atompálya az atommagot körülvevő melyik gömbhéjon belül található a főkvantumszámmal jellemezhetjük. A FŐKVANTUMSZÁM AZ ATOMPÁLYÁK MÉRETÉT JELLEMZI. JELE: n ÉRTÉKE: 1,2,3... VAGY K, L, M, N... Mint látjuk a főkvantumszám jelölésére számokat és betűket egyaránt használhatunk. A továbbiakban a számmal való jelölést részesítjük előnyben. Azt már tudjuk, hogy egy-egy héjon belül hány elektron tartózkodhat. (Belépés a kémia birodalmába 106. old.) Egy-egy héjon belül több atompálya létezhet. 1.2.1. Hogyan mozognak az elektronok a héjakon belül? Az atompályáknak különféle alakja lehet. Léteznek gömb, súlyzó, térbeli lóhere alakú pályák. Azt, hogy egy adott atompályának milyen alakja van a mellékkvantumszámból tudhatjuk meg. TÁBLÁZAT MELLÉKKVSZ (SZÁMMAL, BETŰVEL) PÁLYA ALAKJA Egy adott héjon belül annyiféle alakú pálya létezik, ahány mellékkvantumszám tartozik az adott héjhoz. Ezt úgy tudjuk kiszámolni, hogy a főkvantumszámból kivonunk egyet, ez lesz a maximális érték. Majd nullától kezdődően számba vesszük az egész számokat a maximális értékig. pl. n =3 maximális érték: 3-1=2 mellékkvantumszámok: 0, 1, 2, tehát a 3 főkvantumszámú héjhoz 3 féle pályaalak (s, p, d) tartozik. Mint a táblázatból kitűnik a mellékkvantumszámokat számmal és betűkkel is jelölhetjük. A továbbiakban a betűvel való jelölést részesítjük előnyben. A MELLÉKKVANTUMSZÁM AZ ATOMPÁLYA ALAKJÁRÓL AD FELVILÁGOSÍTÁST. JELE: l. ÉRTÉKE: 0, 1, 2,3... VAGY s,p,d,f... KISZÁMÍTÁSI MÓDJA: 0-(n-1) Egy adott héjon belül az azonos alakú atompályák alhéjakat alkotnak. Egy-egy alhéjat annyi egymással érintkező négyzettel jelképezünk, amennyi atompálya alkot egy alhéjat. AZ AZONOS FŐ ÉS MELLÉKKVANTUMSZÁMÚ PÁLYÁK ALHÉJAKAT ALKOTNAK. Minden héjnak annyi alhéja lehet amennyi az adott héj főkvantumszámának értéke. TÁBLÁZAT FŐKVANTUMSZÁM - ALHÉJAK SZÁMA jelölés Egy-egy alhéjat különböző számú pályák alkotnak. TÁBLÁZAT ALHÉJ - ALKOTÓ PÁLYÁK SZÁMA A további két kvantumszám (mágneses és spinkvantumszám) kémiai értelmezése meghaladja a kötelező kémia tanulmányok keretét. Ezekről a fogalmakról felsőfokú kémia tanulmányok során tanulhattok. Itt csak annyit jegyezzünk meg, hogy a spinkvantumszám értéke kétféle lehet. Dr. Kisfaludi Andrea_Felfedezőúton a kémia birodalmában_kézirat.docx 9

EGY ATOMBAN NEM LEHET KÉT OLYAN ELEKTRON, AMELYNEK MINDEGYIK KVANTUMSZÁMA MEGEGYEZIK A fenti szabályt Pauli -elvnek nevezzük. Azt jelenti, hogyha egy atomban két elektron fő, mellék és mágneses kvantumszáma megegyezik, vagyis egy adott atompályán tartózkodnak akkor ennek a két elektronnak a spinkvantumszámban el kell térniük. Mivel a spinkvantumszám értéke kétféle lehet, ezt úgy jelöljük, hogy az atompályákat jelképező négyzetbe két ellentétes irányú nyilat rajzolunk. RAJZ Wolfgang Pauli osztrák atomfizikus 1924-ben fogalmazta meg a róla elnevezett törvényt. Ezzel elősegítette a kvantummechanikai atommodel tökéletesítését. Munkáját 1945-ben fizikai Nobel-díjjal jutalmazták. PAULI TECHN KR. 407. O. TÁBLÁZAT ALHÉJ-ALHÉJAT ALKOTÓ PÁLYÁK SZÁMA-ALHÉJON LEVŐ ELEKTRONOK SZÁMA JELÖLÉS 1.2.2. Milyen energiával rendelkeznek az adott atompályán lévő elektronok? Mit nevezünk exoterm folyamatnak? PÁLYAENERGIA: AZ AZ ENERGIA, AMELY AKKOR SZABADUL FEL, AMIKOR 1 MÓL ELEKTRON EGY MÓL ATOM ADOTT ATOMPÁLYÁJÁRA VÉGTELEN NAGY TÁVOLSÁGBÓL KERÜL. JELE E MÉRTÉKEGYSÉGE kj/mól MINDÍG NEGATÍV ELŐJELŰ PÁLYAENERGIA DIAGRAM Végtelen nagy távolság azt jelenti, hogy az atom és az illető elektron olyan távol van egymástól, hogy közöttük semmiféle kölcsönhatás nem lép fel. Egy adott atompályán mozgó elektron energiáját az atompálya fő és mellékkvantumszáma szabja meg, vagyis az atompálya energiája az atommagtól való távolságtól és a pálya alakjától függ. Minél kisebb az atompálya fő és mellékkvantumszámának értéke, annál kisebb az adott pályának az energiája, vagyis annál nagyobb energia szabadul fel az elektron adott elektronpályára való kerülésekor. Az egyes atompályák energiája minden atomban más és más érték. Hiszen minél nagyobb a kérdéses atom rendszáma annál nagyobb vonzóerőt gyakorol az a aommag az őt körülvavő elektronokra, ezáltal az elektronok közelebb kerülnek az atommaghoz. AZ ATOMPÁLYA ENERGIÁJA A PÁLYA FŐ ÉS MELLÉKKVANTUMSZÁMÁTÓL, VALAMINT AZ ATOM PROTONSZÁMÁTÓL FÜGG. pl.: A 1s vagy a 2s pálya energiája kisebb (nagyobb negatív érték)? A két pálya közül az 1s pálya energiája a kisebb, mivel főkvantumszáma kisebb. pl.: A 2s vagy a 2p pálya energiája a kisebb? A két pálya közül a 2s pálya energiája a kisebb, mivel mellékkvantumszáma kisebb. 1. Melyik pálya a nagyobb? 2p vagy a 3p 4f vagy a 6f 2s vagy a 3p 2. Hány atompályája van a 3d alhéjnak? az 5f alhéjnak? a 4s alhéjnak? Írd le az egyes alhájak jelölését! Dr. Kisfaludi Andrea_Felfedezőúton a kémia birodalmában_kézirat.docx 10

3. Hány alhéja van a 4 főkvantumszámú héjnak? 6 főkvantumszámú héjnak? 4. Hány elektron fér el összesen a 6s alhéjon? az 5d alhéjon? a 4p alhéjon? 4f alhéjon? Írd le az egyes alhéjak jelölésését! 5. Melyik pálya energiája a nagyobb 2p vagy 3p? 6s vagy 4s? 3d vagy 3s? 3s vagy 4p? 6. Hány elektron fér el összesen a 4 főkvantumszámú héjon? 3 főkvantumszámú héjon? 7. Melyik atombn nagyobb a 2p pálya energiája? oxigénatom vagy nitrogénatom? kénatom vagy klóratom? 1.2.3 Hogyan foglalják el helyüket az elektronok az atomban? Az elektronok, mint minden a természetben azon igyekszik, hogy a lehető legkisebb energiával rendelkezzen. Ezt az elektronok úgy érhetik el, hogy a rendelkezésükre álló legkisebb energiájú pályát foglalják el. Melyik a legkisebb energiájú atompálya? Mit nevezünk telített héjnak? Milyen sorrendben töltődnek fel egy atom negyedik héjának alhéjai? Helyet foglalhat-e minden elektron a legkisebb energiájú pályán? Ha igen, miért, ha nem, miért nem? Tudjuk, hogy egy adott alhéjat alkotó atompályák energiája egyenlő. Azt is említettük, hogy egy atompályán két elektron tartózkodhat. Az elektronok egy adott alhéjon úgy helyezkednek el, hogy először minden pályára csak egy elektron kerül azonos spinkvantumszámmal, majd ha már nem fér el így több elektron, akkor kerül másik elektron az atompályákra. (A jelenség okát itt nem részletezzük.) pl. A p alhéj három atompályával rendelkezik. Ha a p alhéjra négy elektron kerül, akkor először minden pályára egy-egy azonos spinkvantumszámú elektron kerül. A negyedik elektron már nem fér el ilyen módon, ezért csak olyan pályára kerülhet, ahol már van egy elektron. Így a p alhéjon két párosítatlan elektron és egy elektronpár mozog. ATOMPÁLYÁKON ELEKTRONOK JELÖLÉSE ALAPÁLLAPOTÚ ATOMNAK NEVEZZÜK AZT AZ ATOMOT, AMELYBEN AZ ELEKTRONOK A LEHETŐ LEGKISEBB ENERGIÁJÚ PÁLYÁN MOZOGNAK. Dr. Kisfaludi Andrea_Felfedezőúton a kémia birodalmában_kézirat.docx 11

ALAPÁLLAPOTÚ ATOMBAN VALAMELY ALHÉJON AZ ELEKTRONOK ÚGY HELYEZKEDNEK EL, HOGY KÖZÜLÜK MINÉL TÖBBEN RENDELKEZZENEK AZONOS SPINKVANTUMSZÁMMAL, AMI EGYBEN AZT IS JELENTI, HOGY MINÉL TÖBB LEGYEN A PÁROSÍTATLAN ELEKTRON. Az előbbi törvényt Hund - szabálynak nevezzük, amelyet 1927-ben fogalmaztak meg. Ismételjük meg a nátrium, kálium és a kalcium lángfestés kísérletét! (Belépés a kémia birodalmába 50. old) Hány elektron található a nátrium, a kálium és a kalciumatom külső héján? A kísérletben hő hatására a nátrium, a kálium és a kalcium külső héjának elektronjai gerjesztődtek. Ez azt jelenti, hogy az egyes atomok különböző, de meghatározott mennyiségű (kvantált) energiát vettek fel és egy nagyobb energiájú pályára kerültek. A felvett különböző energiát később az alapállapotra való visszatéréskor különféle hullámhosszúságú és színű fény formájában adják át környezetüknek. Ezért a nátrium sárgára, a kálium ibolyaszínűre és a kalcium téglavörösre színezte a lángot. GERJESZTETT ATOMNAK NEVEZZÜK AZT AZ ATOMOT, AMELYIK ELEKTRONJAI KÖZÜL EGYIK VAGY AKÁR TÖBB IS NAGYOBB ENERGIÁVAL RENDELKEZIK, TÁVOLABB KERÜL AZ ATOMMAGTÓL, MINT ALAPÁLLAPOTBAN. Mit nevezünk párosítatlan elektronnak? 1. Hány párosítatlan elektron van annak az atomnak a d alhéján, amelyen 7 elektron mozog? Írd le az alhéj jelölését és helyezd el rajta az elektronokat! 2. Hány párosítatlan eléektron van annak az atomnak az f alhéján, amelyen 10 elektron mozog? Írd le az alhéj jelölésést és helyezd el rajta az elektronokat! 1.3. Újabb adatok, melyeket kiolvashatunk a periódusos rendszerből? 1.3.1. A periódusos rendszer mezői Mit nevezünk vegyértékhéjnak? Milyen tulajdonságaik alapján állította sorba az elemeket Mengyelejev? A későbbiekben milyen tulajdonságok alapján rendszerezték az elemeket? Milyen tulajdonságuk alapján kerülnek az elemek egymás alá a periódusos rendszerben? Az atomok milyen tulajdonságára következtethetünk egy elem periódusos rendszerben elfoglalt helyéből (főcsoportszám, periódusszám)? (Ha valamire nem tudnál válaszolni nézz utána a Belépés a kémia birodalmába című tankönyv V. fejezetében) Ha egy atom elektronszerkezetét fel akarjuk írni, akkor az elektronjait úgy kell elhelyeznünk az adott atom atompályáin, hogy azok mindig a lehető legkisebb energiájú pályára kerüljenek, figyelembe kell vennünk, hogy hány elektron fér az adott alhéjra, tekintettel kell lennünk arra, hogy az elektronok igyekeznek egyedül lenni az atompályákon. OXIGÉN ATOM ELEKTRONSZEKEZETÉNEK NÉGYZETEKKEL JELÖLÉSE Az előbbiek alapján írjuk fel az oxigénatom elektronszerkezetét! Vizsgáljuk meg az oxigénatom elektron szerkezetét! Az oxigénatom rendszáma 8, tehát nyolc elektronja van. Az első héjon összesen két elektron fér el, mindkettő az első héj s alhéján (az s alhéjnak egy atompályája van.) Dr. Kisfaludi Andrea_Felfedezőúton a kémia birodalmában_kézirat.docx 12

Az oxigénatomnak marad még hat elektronja, amelyek a második héjra kerülnek. A második héj s alhéjára két elektron kerülhet, a p alhéjára négy elektron kerül. Az alhéjon lévő elektronok számát úgy jelöljük, hogy az alhéj mellékvantumszámának jobb felső sarkába írjuk azt a számot, ahány elektron az adott alhéjon van. Az oxigén esetében 1s 2, 2s 2, 2p 4 Az oxigénatom első héja telített. A második héjának s alhéja telített, de a p alhéja telítetlen, tehát a második héj telítetlen. Az oxigénatomnak két párosítatlan elektronja van, mivel a p alhéj három pályáján először csak egyegy elektron mozog, majd a negyedik elektron egy olyan pályára kényszerül, ahol már van elektron. Az előbbiek alapján írjuk fel a nátriumatom elektronszerkezetét! NATRIUMATOM ELEKTRONSZERKEZETE Vizsgáljuk meg a nátrium atom elektronszerkezetét! A nátriumatom rendszáma 11, tehát 11 elektronnal rendelkezik. A nátriumatom első héjának s alhéjára 2 elektron kerülhet 1s 2 második héjának s alhéjára 2 elektron kerülhet 2s 2 második héjának p alhéjára 6 elektron kerülhet 2p 6 harmadik héjának s alhéjára 1 elektron kerül 3s 1 Tehát a nátriumatom első és második héja telített, a harmadik héja viszont telítetlen. A nátriumatomnak egy párosítatlan elektronja van. Írjuk fel a klóratom és az alumíniumatom elektronszerkezetét! Hány párosítatlan elektronja van az alumíniumatomnak és a klóratomnak? Egy elem periódusos rendszerben elfoglalt helyéből következtethetünk arra, hogy az illető elem egy atomjának hányadik héja a vegyérékhéj és azon hány elektron található. Azt, hogy az adott atom héjainak alhéjain hány elektron található szintén leolvashatjuk a periódusos rendszerből. Hogyan? A periódusos rendszer minden periódusa egy új héj kiépülésével kezdődik. Vizsgáljuk meg a lítium, a nátrium, a kalcium, a magnézium és a káliumatom elektronszerkezetét! Egy alhéjon belül először az s, majd a p és a d, legvégül az f alhéj töltődik fel. Egy adott héjon belül először tehát az s alhéjra kerülnek elektronok. Mivel az s alhéj két elektronnal telítődik, tehát a periódusos rendszer minden egyes periódusában két olyan elem van, amelynek s alhéjára kerülnek vegyérékelektronok. Ezek az elemek alkotják a periódusos rendszer első két főcsoportját. Az előbbiek alapján érthető, hogy miért nevezzük a periódusos rendszer első két főcsoportját s mezőnek. Ha már telített az atom adott héjának s alhéja, akkor a p alhéjra kerülnek elektronok. A p alhéjra összesen 6 elektron kerülhet. Azok az elemek, amelyek a periódusos rendszer III-VIII főcsoportjában vannak alkotják a periódusos rendszer p mezőjét. Ezen elemek atomjainak vegyértékhéjának a p alhéján vannak az elektronok. Soroljunk fel néhány mellékcsoportba tartozó elemet! A periódusos rendszer mellékcsoportjaiban levő elemek atomjaiban a d és az f alhéjak töltődnek fel. Ezért a periódusos rendszer középső részét d mezőnek nevezzük. A lantán utáni elemeket (lantanoidák) és az aktínium utáni elemeket (aktinoidák) f mezőnek nevezzük. (Az f mezőt a periódusos rendszerek nyomtatásakor - helyhiány miatt - kiemelik és a rendszer alá nyomtatják.) PERIÓDUSOS RENDSZER MEZŐKKEL Dr. Kisfaludi Andrea_Felfedezőúton a kémia birodalmában_kézirat.docx 13

Ha mégegyszer alaposan áttekintjük a periódusos rendszert, az eddigiek alapján egy ellentmondást fedezhetünk fel. Ennek magyarázatára kövessük nyomon az alhéjak feltöltődését a periódusos rendszer alapján. 1 héj 1s alhéj (H He) 2 héj 2s alhéj (Li Be) 2p alhéj (B Ne) 3 héj 3s alhéj (Na Mg) 3p alhéj (Al Ar) Eddig minden rendben van, de ezután nem a 3d alhéjra, hanem a 4s alhéjra kerülnek az elektronok. Csak a 4s alhéj feltöltődése után kerül elektron a 3d alhéjra. 4.héj 4s alhéj (K Ca) 3d alhéj (Sc Zn) 4p alhéj (Ga Kr) Ugyanez történik a továbbiakban is. 5. héj 5s alhéj (Rb Sr) 4d alhéj (Y Cd) 5p alhéj (In Xe) A 4. héjnak azonban f alhéja is van. Mint az előbbiekből kitűnik ennek az alhéjnak a kiépülését megelőzi az 5p, a 6s alhéjak kiépülése. Ennek a jelenségnek az az oka, hogy annak az egy elektronnak kedvezőbb lenne ugyan a d alhéjra kerülni, mivel annak a pályának az energiája kisebb, de az atomban már addig ottlevő többi elektron számára ez kedvezőtlen lenne, hiszen növelné az elektronok közötti taszító erőket. Tehát a már ottlevő elektronok energiáját megnövelné, ami az atom összenergiája szempontjából ez kedvezőtlen lenne. Ezért kerülnek az elektronok a következő héj s alhéjára. Képzeljük el úgy, mint amikor egy közeli legelő csak tíz birkát képes eltartani. Ha a tizenegyedik birka gazdája odaviszi a saját jószágát a legelőre, akkor az ő birkája ugyan tud enni, de egyik birka sem lakik jól. Ha egy távolabbi legelőn legelteti jószágát, akkor a tíz birka szépen fejlődik és a tizenegyedik is jól lakik, bár neki távolabbra kell mennie a táplálékért. BIRKÁK A LEGELŐN A továbbiakban hasonlóan folytatódik az alhéjak kiépülésének sorrendje. 6 héj 6s héj (Cs Ba) 5d La 4f (Ce Lu) Hg 6p (Tl Rn) 7 héj 7s héj (Fr Ra) 6d Ac 5f (Th Lr) 1. Milyen sorrendben töltődnek fel az alábbi atomok alhéjai? Mg, P, Ag, I, Zn, Kr 2. A periódusos rendszer melyik mezőjében találhatók az alábbi elemek? K, C, Al, Pb, Fe, Pt, U, Sn, W, Ce, Ne 3. Az alábbi atomok vegyértékhéjának elektronjai milyen alhéjakon helyezkednek el? Írd le az atomok vegyértékhéjának jelölését! Al, Ca, Br, Au, S 4. Hány párosítatlan elektronja van a következő atomoknak? Írd le az atomok vegyértékhéjának jelölését! N, Br, S 1.3.2. A periódusos rendszer nevezetes csoportjai Ezekről a nevezetes csoportokról már sokat tanultunk az elmúlt években. Ismételjük át a tanultakat! Nemesgázok NEMESGÁZOK CSOP RAJZ A periódusos rendszer hányadik főcsoportjában találhatók a nemesgázok? Dr. Kisfaludi Andrea_Felfedezőúton a kémia birodalmában_kézirat.docx 14

Mely elemek tartoznak a nemesgázok közé? Miért nevezzük ezeket az elemeket nemesgázoknak? Mire használják a nemesgázokat? Melyik nemesgáz található a Napban? Írjuk fel az egyes nemesgázatomok vegyértékhéjának elektronszerkezetét! Miben hasonlít egymásra és miben különbözik egymástól a nemesgázatomok elektronszerkezete? Milyen a nemesgázok vegyértékhéjának elektronszerkezete? (Ha valamire nem emlékeznél nézz utána az Ismerkedés a kémia birodalmával című tankönyv 28. old-án) A nemesgázok alhéjai mindig telítettek, ennek a ténynek tulajdonítható rendkívül nagy stabilitásuk. Ezért nem képeznek molekulákat, és ezért nem vagy csak nehezen reagálnak más anyagokkal. Halogének HALOGÉNEK COP RAJZ A periódusos rendszer melyik csoportjában találhatók a halogén elemek? Mely elemek tartoznak a halogén elemek csoportjába? Mit jelent a halogén szó? Milyen fizikai tulajdonságokkal rendelkeznek az egyes halogén elemek? Hány atomos molekulákat képeznek a halogénatomok? Írjuk fel a halogénmolekulák képleteit! Írjuk fel az egyes halogénatomok vegyértékhéjának elektronszerkezetét! Jelöljük is! Miben hasonlít egymásra és miben különbözik egymástól a halogénatomok elektronszerkezete? Milyen kémiai tulajdonságokban hasonlítanak egymásra a halogén elemek? Milyen halogenideket ismersz? Írd fel képletüket! (Ha valamire nem emlékeznél nézz utána az Ismerkedés a kémia birodalmával című tankönyv 34. old-án.) Alkálifémek ALKÁLIFÉMEK CSOP RAJZ Hogyan tároljuk a káliumot és a nátriumot? Miért? (Ha nem emlékeznél nézd meg a szertárban vagy az Ismerkedés a kémia birodalmával c. tankönyvben!) Emlékezz vissza, hogyan reagál a nátrium és a kálium a vízzel, és milyen anyagok keletkeznek? Írd fel a reakciók egyenletét! Milyen kémhatású oldat keletkezik az egyes reakciók során? Hogyan tudnád kimutatni az oldat kémhatását? Az alkálifémek nevüket onnan kapták, hogy vízbe téve őket belőlük és a vízből lúgos kémhatású (=alkalikus) oldat keletkezik. Írjuk fel az alkálifémek vegyértékhéjának elektronszerkezetét! Dr. Kisfaludi Andrea_Felfedezőúton a kémia birodalmában_kézirat.docx 15

Mi a hasonlóság és mi a különbség a nátrium és a kálium vízzel való rekciója között? Mi a különbség és mi a hasonlóság a nátriumatom és a káliumatom elektronszerkezete között? Magyarázd meg az elektronszerkezet alapján a vízzel való rekció közötti különbséget! Sorold fel a kálium és a nátrium klórral képzett vegyületeit és írd fel képleteiket! Mire használják fel a fenti vegyületeket? A fenti vegyületek kristályrácsaiban milyen kötések tartják össze az alkotórészeket? (Ha valmire nem emlékeznél nézz utána az Ismerkedés a kémia birodalmával című tankönyv 136. old) Alkáliföldfémek ALKÁLIFÖLDFÉMEK Milyen a kalcium és a magnézium felülete? Milyen lesz a felületük, ha csiszolóvászonnal megcsiszoljuk? Emlékezz vissza, milyen lánggal ég és mi keletkezik a magnézium és a kalcium égésekor? Írjuk fel a magnézium és a kalcium égésének egyenletét! Írjuk fel a magnézium és a kalcium szulfátjának képletét! Mire használják a fenti vegyületeket? Mi a különbség és mi a hasonlóság a magnéziumatom és a kalciumatom elektronszerkezete között? Hasonlítsd össze a nátriumatom és a magnéziumatom elektronszerkezetét! Hasonlítsd össze a káliumatom és a kalciumatom elektronszerkezetét! Magyarázd meg az alkálifémek és az alkáliföldfémek tárolásában rejlő különbséget az elektronszerkezet alapján! (Ha valamire nem emlékeznél,nézz utána az Ismerkedés a kémia birodalmával című tankönyv 101., 104. old-án.) Mellékcsoportok elemei D MEZŐ TANULT FÉMEI FŐCSOP MELLÉK Hasonlítsd össze a vas, a cink és a réz fizikai és kémiaitulajdonságait (szín, halmazállapot, vezetés, reakciókészség)! Hasonlítsd össze az arany, a volfrám és a higany fizikai és kémiai tulajdonságait (szín, halmazállapot, vezetés, reakciókészség)! (Ha valamire nem emlékeznél nézz utána az Ismerkedés a kémia birodalmával című tankönyv 70, 84, 95, 105. old-án) Az előbbiekben láthattuk, hogy a periódusos rendszer azonos főcsoportjában levő elemek hasonló módon lépnek reakcióba és azonos anyagokkal hasonló típusú vegyületeket képeznek. páldául az alkálifémek mindegyikének klórral való reakciója az elektronátmenetttel járó kémiai reakciók közé tartozik és a keletkezett termék alkáli-klorid. Tudjuk, hogy a periódusos rendszer azonos csoportjában levő elemek vegyértékhéjának szerkezete megegyezik, ennek a tulajdonságnak tudható be a kémiai reakciók és a Dr. Kisfaludi Andrea_Felfedezőúton a kémia birodalmában_kézirat.docx 16

vegyületképzés közötti hasonlóság. Az előbbiekből az is kitűnik, hogy az azonos főcsoportban lévő elemek között a kémiai reakciók hevességében különbség van. Ez a különbség annak a ténynek tulajdonítható, hogy az azonos főcsoportban lévő atomok vegyértékhéja főkvantumszámában különbözik. Tehát minél nagyobb az illető atom vegyértékhéjának főkvantumszáma, annál távolabb van az illető atom vegyértékhéja az atom magjától. Az atommagtól való távolság növekedésével csökken a vegyértékhéjon levő elektronokra gyakorolt vonzóerő nagysága. Így pl. az első főcsoport esetében a nagyobb főkvantumszámú atom könnyebben adja át a vegyértékhéján levő elektronjait.egy másik atomnak. Milyen adatból olvashatjuk ki az atommag vonzóerejének nagyságát a vegyértékhéjra? A mellékcsoportokban lévő elemek - csoportszámukra való tekintet nélkül - kémiai tulajdonsági hasonlítanak egymásra. Ez annak köszönhető, hogy vegyértékhéjuk megegyező szerkezetű. A réz, az ezüst és az arany az elektronszerkezetük felépülése szempontjából kivételnek számítanak. A réz, az ezüst és az arany esetében először a d alhéj telítődik, majd később kerül az s alhéjra elektron. A jelenség magyarázata az energiaminimumra való törekvésben keresendő. Ugyanis ezeknek az atomoknak az energiája úgy lesz alacsonyabb, ha az elektronszerkezetük a fentiek szerint épül ki. 1. Írd fel általánosan a nemesgázok, a halogének, az alkálifémek és az alkáliföldfémek vegyértékhéjának elektronszerkezetét! Írd le az alhéjak jelölésést 2. Írd fel, milyen sorrendben töltődnek fel a volfrám, a magnézium, és a xenon alhéjai! 3. Írd fel a vas, a cink, a volfrám, a higany és az ezüst elektronszerkezetét! Jelöld is! 1.4 Ionok Milyen kémiai részecskéket nevezünk ionoknak? Hogyan képződik ion az alábbi atomokból? Na, Cl, K, Br, O, S, F, Ca, Mg A periódusos rendszer melyik mezőjében levő elemek atomjaiból képződik pozitív töltésű ion? A periódusos rendszer melyik mezőjében levő elemek atomjaiból képződik negatív töltésű ion? 1.4.1. A pozitív töltésű ionok Emlékezzünk vissza a NaCl előállítására. (Ha nem emlékeznél rá, nézz utána az Ismerkedés a kémia birodalmával című tankönyv 136. old-án) Azt már láttuk, hogy az atomokban levő elektronok különböző energiájú pályákon mozognak. Az alapállapotú atomban az elektronok a legkisebb energiájú pályán mozognak. Gerjesztéskor az elektronok nagyobb energiájú pályára kerülnek. Ha azonban az elektron olyan nagy energiát vesz fel, hogy legyőzi az atommag vonzó hatását és távozik az atomból, akkor pozitív töltésű ion, másnéven kation keletkezik. POZITÍV TÖLTÉSŰ IONOK KÉPZŐDÉSE POZITÍV TÖLTÉSŰ IONOKAT KATIONOKNAK NEVEZZÜK Dr. Kisfaludi Andrea_Felfedezőúton a kémia birodalmában_kézirat.docx 17

IONIZÁCIÓS ENERGIA: 1 MOL ALAPÁLLAPOTBAN LEVŐ GÁZHALMAZÁLLAPOTÚ SZABAD ATOMBÓL A LEGKÖNNYEBBEN LESZAKÍTHATÓ ELEKTRON ELTÁVOLÍTÁSÁHOZ SZÜKSÉGES ENERGIA. (EZ AZ ELSŐ IONIZÁCIÓS ENERGIA) JELE: E I, MÉRTÉKEGYSÉGE: KJ/MOL Ha csak egy elektron távozik az atomból, akkor egyszeres pozitív töltésű ion keletkezik. Ha ebből az ionból további elektront vagy elektronokat távolítunk el többszörösen pozitív töltésű ionok keletkeznek. A második, harmadik, stb. elektron eltávolításához szükséges energiát második, harmadik stb. ionizációs energiának nevezzük. IONIZÁCIÓS ENERGIÁK GRAFIKONJA DLILLARD GOLDBERG 276. OLD Hogyan változik az ionizációs energia értéke a periódusos rendszerben? Azok az elemek, amelyeknek vegyérékhéján kevés elektron van, könnyen leadják azokat, mert így érik el a nemesgázok stabil szerkezetét. Írd fel hogyan képződik ion a kálium, a nátrium, a kalcium, a magnézium és az alumíniumatomból? A keletkezett ionok elektronszerkezete melyik nemesgáz elektronszerkezetének felel meg? Hogyan nevezzük az elektron leadásával járó kémiai folyamatokat? Azok az atomok, amelyeknek vegyértékhéján sok elektron mozog, inkább elektron felvételével érik el a nemesgáz állapotot. A nemesgázok elektronszerkezete rendkívül stabil, így csak nagy energia hatására válnak meg elektronjuktól. Az előbbiekből következik, hogy a periódusokon belül az alkálifémektől a nemesgázok felé haladva nő az ionizációs energia értéke. Hasonlítsuk össze a lítium, a kálium a nátrium és a céziumatom ionizációs energiáját! A fenti atomok hányadik héja a vegyértékhéj? Látjuk, hogy a lítiumtól a cézium felé csökken az ionizációs energia értéke. Ennek az a magyarázata, hogy minél nagyobb egy atom vegyértékhéjánakfőkvantumszáma, annál kevésbé érvényesül az atommag vonzó hatása a vegyértékhéjon lévő elektronra, ezért annál könnyebb leszakítani azt. A kationok mérete mindig kisebb, mint azé az atomé, amelyből képződtek. A kation esetében ugyanannak az atommagnak a vonzása alatt kevesebb elektron áll, mint a megfelelő atomban. Tehát a vonzóerő ugyanakkora, de az elektronok közötti taszító hatás kisebb, így az elektronok kevesebb helyet foglalnak el. 1.4.2. A negatív töltésű ionok Azt az elektron, amelyet az egyik atom lead egy másik atom veszi fel. Ekkor egy negatív töltésű ion képződik. A NEGATÍV TÖLTÉSŰ IONOKAT ANIONOKNAK NEVEZZÜK NEGATÍV TÖLTÉSŰ IONOK KÉPZŐDÉSE A periódusos rendszer VI. és VII. főcsoportjában lévő elemek, mivel atomjaik vegyértékhéján sok elektron mozog, ezért inkább elektron felvételével érik el a nemesgázok szerkezetét. Írd fel a klór, az oxigén, a jód, a bróm és a kénatom anionná való alakulásának egyenletét! Milyen kémiai reakciók közé sorolható a fenti atomok ionná való alakulása? Mely nemesgázok szerkezetével egyezik meg a fenti ionok elektronszerkezete? Dr. Kisfaludi Andrea_Felfedezőúton a kémia birodalmában_kézirat.docx 18

A negatív töltésű ionok képződése is energiaváltozással jár. ELEKTRONAFFINITÁSNAK NEVEZZÜK AZT AZ ENERGIÁT, AMELY AHHOZ SZÜKSÉGES, VAGY AKKOR KELEKTKEZIK, AMIKOR EGY MOL IONBÓL EGY MOL GÁZHALMAZÁLLAPOTÚ ATOM KELETKEZIK JELE: E AFF MÉRTÉKEGYSÉGE: kj/mol pl. klór esetén: Cl- ----- Cl + e - GÁZHALMAZÁLLAPOTÚ NEGATÍV TÖLTÉSŰ Hogyan változik az elektronaffinitás értéke a periódusos rendszerben? ELEKTRONAFFINITÁS TÁBLÁZAT GOLDBERG 277.OLD. A halogénatomok esetében az elektronaffinitás értéke nagy, mivel a halogénatomok már egy elektron felvételével elérik a nemesgáz állapotot. Ezért a negatív töltést okozó elektron leadása nagy energiát igényel. Hogyan változik a halogének elektronaffinitása a főcsoporton belül? Láthatjuk, hogy a klórtól a jódig csökken az elektronaffinitás értéke. Az oka megegyezik az ionizációs energiaváltozásnál említett okokkal, vagyis az illető elektron minél távolabb van az atommagtól, annál kevesebb energia szükséges a kérdéses elektron eltávolításához. A negatív töltésű ion mérete mindig nagyobb, mint azé az atomé, amiből a negatív töltésű ion kelekezett. Ebben az esetben sem változik az atommag vonzó hatása, de az elektronok közötti taszítóerő nő, mivel az ionban több elektron van az ionban, mint az atomban volt. ANIONOK MÉRETÉNEK ÖSSZEHASONLÍTÁSA AZ ATOM MÉRETÉVEL 1. Mely kation keletkezéséhez kell kevesebb energia? K + vagy Ca 2+? Ca 2+ vagy Ba 2+? 2. Mely anion keletkezéséhez kell kevesebb energia? S 2- vagy Cl -? Cl - vagy Br -? 1.5. Molekulák Milyen molekulákból álló anyagokat ismersz? Hány atomos molekulákat ismersz? Írd le az álatalad ismert molekulák képleteit! Mit tudunk meg egy molekula összegképletéből? Mit tudunk meg egy molekula szerkezeti képletéből? Milyen modelleket használunk a molekulák modellezésére? KOVALENS KÖTÉS KIALAKULÁSA Azt már tudjuk, hogy akkor keletkeznek molekulák, amikor két vagy több atom megfelelő energiával ütközik és vegyértékhéjuk atompályáiból molekulapályák jönnek létre.az ütköző atomok vegyértékhéján mozgó párosítatlan elektronokból közös elektronpár képződik, melyek a molekulapályákra kerülnek. A z így kialakuló atomok közötti kapcsolatot kovalens kötésnek nevezzük. Az eddig tanultakhoz tegyük hozzá, hogy csak olyan atomok között létesülhet kovalens kötés, amelyek vegyértékhéján mozgó párosítatlan elektronja ellentétes spínű, mivel a molekulapályákra is érvényes a Pauli-elv. Hányadrendű kötések csoportjába tartozik a kovalens kötés? Mit tilt a Pauléi -elv? Dr. Kisfaludi Andrea_Felfedezőúton a kémia birodalmában_kézirat.docx 19

1.5.1. Mekkora az atomok közötti távolság és kötőerő a molekulákban? A molekulák kialakulásakor a két vagy több atommag csak bizonyos távolságra közelítheti meg egymást. Ennek oka a két atommag és a két atom elketronburka között fellépő taszító erő. A taszítóerőkön kívül fellép vonzóerő is az atommagok és az elektronok között. A molekulák kialakulásakor az atomok olyan közel kerülhetnek egymáshoz, amilyen távolságban a fellépő vonzóerők egyenlővé válhatnak a fellépő taszítóerőkkel. A KÉT KOVALENS KÖTÉST LÉTESÍTŐ ATOM ATOMMAGJA KÖZÖTTI TÁVOLSÁGOT KÖTÉSTÁVOLSÁGNAK NEVEZZÜK KÖTÉSTÁVOLSÁG JELE: d MÉRTÉKEGYSÉGE: pm (1pm = 10-12 m) A kötő elektronpárok leginkább a két atommag közötti térben igyekeznek tartózkodni. BOKSAY PINTÉRNÉ TARTÓZKODÁSI VALÓSZÍNŰSÉG Amikor két vagy több atomból molekula képződik, energia szabadul fel. A molekulaképződés tehát energiafelszabadulással járó folyamat. KÖTÉSI ENERGIÁNAK NEVEZZÜK AZT AZ ENERGIÁT, AMELY AKKOR KÉPZŐDIK, MIKOR EGY MOL MOLEKULÁBAN KÉT ADOTT ATOM KÖZÖTTI KÖTÉS LÉTREJÖN JELE: E KÖT MÉRTÉKEGYSÉGE: kj/mol ENERGIADIAGRAMM 1.5.2. A kovalens kötés fajtái Sorolj fel olyan kétatomos molekulákat, amelyekben a két atomot egyszeres kötés tartja össze! Hány párosítatlan elektron van a klóratomban? Írd fel a klóratom vegyértékhájának jelölését! A két klóratomból klórmolekula jön létre. A klóratomok atomi pályájából molekulapálya képződik és a kötő elektronpár ezen a molekulapályán mozog. A kötő elektronpár a két atommag közötti térben tartózkodik a leginkább. KLÓRMOLEKULA KÉPZŐDÉSE KLÓRMOLEKULA KÖTŐPÁLYÁJA Sorolj fel olyan kétatomos molekulákat, amelyekben a két atomot kétszeres vagy háromszoros kötés tartja össze! Hány párosítatlan elektron van az oxigénatomban? Írd le az oxigénatom vegyértékhéjának jelölését! Az oxigénatomok párosítatlan elektronjaiból két kovalens kötés jön létrre. Az egyik kötő elektronpár a két atommag közötti térben tartózkodik a leginkább. A második kötő elektronpárnak már nincs ott elegendő hely, ezért a második kötő elektronpár az első kötőelektronpár fölött és alatt tartózkodik. OXIGÉNMOLEKULA SZIGMA ÉS PÍ KÖTŐPÁLYÁJA HA KÉT ATOM KÖZÖTT TÖBBSZÖRÖS KOVALENS KÖTÉS LÉTESÜL, AKKOR AZ ELSŐ KÖTÉST SZIGMA KÖTÉSNEK, A TOVÁBBI KÖTÉSEKET PÍ KÖTÉSNEK NEVEZZÜK A szigma kötés kialakulásakor nagyobb energia szabadul fel, mint a pí kötés kialakulásakor. Hiszen a szigma kötést létrehozó elektronok közelebb kerülnek az atommagokhoz, mint a pí kötést létrehozó elektronok. (A szigma kötés kötési energiájának abszolút értéke nagyobb ugyan, mint a pí kötés energiájának abszolút értéke.a kötési energia azonban előjeles szám, méghozzá negatív előjelő. Ha tehát ugyanezeket az értékeket előjelesen vetjük össze akkor a szigma kötés kötési energiája kisebb, hiszen nagyobb negatív értékről van szó.) OXIGÉNMOLEKULA SZIGMA ÉS PÍ KÖTÉS ENERGIADIAGRAMJA Írd fel a szén-dioxid félkonstitúciós képletét! Dr. Kisfaludi Andrea_Felfedezőúton a kémia birodalmában_kézirat.docx 20

Hányszoros kovalens kötés van a szénatom és az oxigénatom között a szén-dioxid molekulában? Milyen típusú kovalens kötések vannak az oxigénatom és a szénatom között a széndioxid molekulában? Hány párosítatlan elektronja van a nitrogénatomnak? Írd le a nitrogénatom vegyértékhéjának jelölését! Vizsgáljuk meg a nitrogénmolekula kötéseit! A nitrogénatomok párosítatlan elektronjaiból három kovalens kötés képződik. A nitrogénmolekulában a két atomot egy szigma és két pí kötés tartja össze. A szigma kötés a két atommag között helyezkedik el. Az első pí-kötés a szigma kötés alatt és fölött, a szigmakötésre merőlegesen helyezkedik el. A második pí-kötés az első pí- kötésre merőlegesen, a szigma kötés előtt és mögött foglal helyet. NITROGÉNMOLEKULA SZIGMA ÉS PÍ PÁLYÁJA NITROGÉNMOLEKULA SZIGMA ÉS PÍ KÖTÉS ENERGIADIAGRAMJA Mint ahogy az energiaszintekből leolvasható, a nitrogénmolekula két pí kötésének energiája megegyezik. Ez annak tudható be, hogy a két pí kötés ugyanolyan távol van az atommagoktól. A kötéstávolság értéke a kötésszám növekedésével csökken, de a kétszeres kötés energiája nem fele, a háromszoros kötés energiája nem harmada az egyszeres kötés energiájának. A kötési energia értéke a kötések számával nő, vagyis a kétszeres kötés energiája nagyobb mint az egyszeres kötésé. Azonban a kétszeres kötés energiája nem kétszerese, a háromszoros kötés energiája nem háromszorosa az egyszeres kötés energiájának. KÖTÁÉSTÁVOLSÁGOK KÖTÉSSZÁM KÖTÉSI ENERGIÁK KÖTÉSSZÁM 1.5. 5. Egy másfajta kovalens kötés Eddig a kovalens kötésnek olyan fajtájáról volt szó, amelynek kialakulásakor a kötő elektronpárt mindkét atom adja. Azonban van a kovalens kötésnek olyan fajtája is, amelynek kialakulásakor csak az egyik atom vagy atomcsoport adja a közös elektronpárt. Ilyen pl. a szén-monoxid molekula. Írd le az alapállapotú szénatom és az oxigénatom szerkezetét! Hány párosítatlan elektronja van a szénatomnak és mennyi az oxigénatomnak? A szén-monoxid molekula képződésekor a szénatom két párosítatlan elektronja kötést létesít az oxigénatom párosítatlan elektronjaival. Ennek a két kötésnek a kialakulása nem különbözik az eddig tanultaktól. A harmadik kötés kialakulása viszont ujdonság az eddigiekhez képest. Ekkor ugyanis a szénatom üres atompályájából és az oxigénatom egyik nemkötő elektronpárjának atompályájából molekulapálya jön létre, amelyre az oxigénatom nemkötő elektronpárja, mint kötő elektrompár kerül. SZÉN-MONOXID ELEKTRONSZEKEZETE Melyik molekula elektronszerkezetéhez hasonlít a szén-monoxid elektronszerkezete? Rajzold le a vízmolekula és az ammóniamolekula szerkezet képletét! Írd le az oxóniumion és az ammóniumion összegképletét! Ilyen pl.: H3O+, NH4+ Milyen elemi részecskékből áll egy hidrogénion? Hány nemkötő elektronpárja van az oxigénatomnak a vízmolekulában? Dr. Kisfaludi Andrea_Felfedezőúton a kémia birodalmában_kézirat.docx 21

Hány nemkötő elektronpárja van a nitrogénatomnak az ammónia molekulában? Az oxóniumion kialakulásakor a vízmolekula oxigénatomjának nemkötő elektronpárja kötő elektronpárrá alakul és a hidrogénionnal kötést létesít. H2O + H+ = H3O+ Az ammóniumionnál hasonló a helyzet. Az ammóniamolekula nitrogénatomjának nemkötő elektronpárja kötő elektronpárrá alakul és kötést létesít a hidrogénionnal. NH3 + H+ = NH4+ A KOVALENS KÖTÉSNEK AZT A FAJTÁJÁT, AMIKOR CSAK A KÖTÉST LÉTESÍTŐ EGYIK ATOM, VAGY ATOMCSOPORT ADJA A KÖTŐ ELEKTRONPÁRT DATÍV KÖTÉSNEK NEVEZZÜK. (Datívus a részeshatározó eset latin neve) VÍZMOLEKULA ÉS AMMÓNIAMOLEKULA PROTONT VESZ FEL 1.5.3. Delokalizált elektronok a molekulákban Olyan molekulák és összetett ionok is léteznek, amelyek több atomból állnak és bennük többszörös kötés van. Ilyen pl: NO2, NO3-, CO32-, SO32-, SO42-, SO2, stb. Mi a tudományos nevük a fenti ionoknak? Ezekben a vegyületekben és összetett ionokbana pí kötés elektronjai delokalizálódnak. Mit jelent a delokalizált szó? Hol találkoztunk már a delokalizált elektronokkal (gondolj a fémekre és a grafitra)? A pí kötés elektronjai így nem két atomhoz, hanem az egész molekulához vagy az összetett ionhoz tartoznak. (A félkonstitúciós képletben a delokalizált elektronokat szaggatott vonallal vagy pontokkal jelölik.) KARBONÁT ION STB SZERKEZETI KÉPLETE 1.5.4. A poláris és az apoláris kovalens kötés Mi az elektronegativitás? (Ha valamira nem emlékeznél nézz utána az Ismerkedés a kémia birodalmával című tankönyv 132. old-án) Keresd ki és jegyezd fel a következő atomok elektronegativitási értékeit! Li, Na, K, Mg, S, Cl ELEKTRONEGATIVITÁS VÁLTOZÁSA Hogyan változik az elektronegativitás értéke a Li, Na, K összehasonlításakor? és a Na, Mg, S, Cl Hasonlítsuk össze a fenti atomok elektronegativitás változását a periódusos rendszerben ugyanezen atomok ioniációs energia és elektronaffinitás értékeinek periódusos rendszerbeli változásával! Mint láttuk az elektronegativitás értéke egy csoporton belül fentről lefelé haladva csökken és egy perióduson belül vizsgálva balról jobbra nő. Az elektronegativitás periódusos rendszeren belüli változása összhangban van az ionizációs energia és az elektronaffinitás periódusos rendszeren belüli változásával. Melyik a legkisebb és melyik a legnagyobb elektronegativitású atom? (Próbáld kitalálni a választ, anélkül, hogy az értékeket megnézted volna!) Sorolj fel olyan molekulákat, amelyeknél azonos atomok kapcsolódnak molekulává! Dr. Kisfaludi Andrea_Felfedezőúton a kémia birodalmában_kézirat.docx 22

APOLÁRIS KOVALENS KÖTÉSNEK NEVEZZÜK AZT A KÖTÉST, AMIKOR A KÉT KOVALENS KÖTÉST LÉTESÍTŐ ATOM ELEKTRONEGATIVITÁS ÉRTÉKE EGYENLŐ POLÁRIS KOVALENS KÖTÉSNEK NEVEZZÜK AZT A KÖTÉST, AMIKOR A KÉT KOVALENS KÖTÉS LÉTESÍTŐ ATOM ELEKTRONEGATIVITÁS ÉRTÉKE KÜLÖNBÖZŐ Vizsgáljuk meg a HCl példáját! A hidrogén elektronegativitása: 2,1 A klór elektronegativitása: 3,0 HCL SZERKEZETI KÉPLETE ÉS ELEKTRONELTOLÓDÁS A klór elektronegativitása nagyobb,mint a hidrogén elektronegativitása tehát jobban vonzza a kötő elektronpárt, ezért a hidrogén oldalán elektronhiány a klór oldalán elektronfelesleg alakul ki. Mivel az elektron negatív töltésű elemi részecske, ezért a klór oldalán kis negatív töltés, a hidrogén oldalán kis pozitív töltés mutatkozik. Írd fel az alábbi atomok félkonstitúciós képleteit és állapítsd meg, melyik kovalens kötés poláris és melyik apoláris? SO2, H2O, Cl2, HNO2, NO2, H2,H2SO4, NH3, S8, 1.5.6. Hogyan képzeljük el a molekulákat? Minden molekulának sajátos alakja van. Néhány szabályszerszerűséget elsajátítva képesek leszünk megmondani egy általunk nem ismert molekula alakját is. Lássuk, melyek ezek a szabályszerűségek? Írd fel a vízmolekula félkonstitúciós képletét! 1. A molekulát alkotó atomok közül kiválasztjuk a központi atomot. A központi atom mindig az az atom, amely a legtöbb kötést létesíti. (A vízmolekula központi atomja az oxigénatom, mivel két kötést létesít egy-egy hidrogénatommal.) 2. A központi atomot egy gömbnek képzeljük el és ennek a gömbnek a felületén helyezzük el a kötő és nemkötő elektronpárokat. 3. A kötő és a nemkötő elektronpárok elhelyezésekor figyelemmel kell lenni arra, hogy a kötő és a nemkötő elektronpárok a lehető legtávolabb legyenek egymástól a nemkötő elektronpároknak nagyobb helyre van szükségük, mivel ők csak egy atom vonzása alatt állnak. (Képzeljük el úgy mint egy kisgyereket, aki kevésbé tud mozogni, ha mindkét kezét fogják, mintha csak az egyiket.) 4. A kötő elektronpárok elhelyezésekor a többszörös kötést egyszeres kötésnek tekintjük MOLEKULÁL KÖTŐ, NEMKÖTŐ EL PÁROK MOLEKULA ALAK Vegyünk néhány példát! Az ammóniumion központi atomja a nitrogénatom. A nitrogénatomot négy kötő elektronpár veszi körül és nincs nemkötő elektronpárja. A négy kötőelektronpár akkor kerül a legtávolabb egymástól, ha tetraéderesen helyezkednek el. A kén-trioxid molekulában a központi kénatomot hat kötőelektronpár veszi körül. Ez a hat elektronpár valójában három kettőskötést takar. Mivel a kettőskötés a molekulaalak meghatározásában egynek minősül, három kötőelektronpár a központi atom körül síkháromszög elrendezésben kerül egymástóllegtávolabbra. A szén-dioxid molekulában a központi szénatomot négy kötőelektronpár veszi körül. Ez a négy elektronpár valójában két kettőskötést takar, ami a molekulaalak meghatározásában kettőnek minősül. Két elektronpár a központi atom körül lineáris elrendezésben kerül legtávolabbra. Dr. Kisfaludi Andrea_Felfedezőúton a kémia birodalmában_kézirat.docx 23