Az atomok szerkezete
Az atomok szerkezete
A bemutatót összeállította: Fogarasi József, Petrik Lajos SZKI, 2011
1
Az atomok szerkezete
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 atomok szerkezete
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
Az atomok szerkezete
Az atommag Protonokat és neutronokat tartalmaz.
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: Megjegyzés:
12 6
C
80 35
Br
A tömegszámot és a rendszámot a kémiai reakciókban általában nem kell jelezni. 4
4
Az atomok szerkezete
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.: 35 37 17
Cl
17
Cl
Az izotópok atomok fizikai és kémiai tulajdonságai nagyon hasonlóak. Általában nincs külön nevük. A természetben előforduló elemek többsége különböző izotópok keveréke. 5
5
Az atomok szerkezete
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. A választott egység (megállapodás):
12 6
C
izotóp 1/12-ed része.
A relatív atomtömeg kifejezi, hogy egy elem egy atomjának tömege hányszor nagyobb a 12-es szénizotóp atomtömegének 12-ed részénél. Jele: Ar 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: Mr A relatív atom- és molekulatömegnek nincs mértékegysége.
6
6
Az atomok szerkezete
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 6·1023 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 6.1023 db részecske van. (elektron, ion, molekula stb.) A moláris tömeg az anyag tömegének (m) és anyagmennyiségének (n) hányadosa:
M
m kg g , illetve n mol mol
Egy atom moláris tömege egyenlő a relatív atomtömegével, egy molekula moláris tömege egyenlő a molekulát alkotó elemek relatív atomtömegeinek összegével. Pl.:
M(Fe) = 55,5 g/mol M(O2) = 32,0 g/mol (Kerekített értékek.)
M(H2SO4) = 2·1+ 32 + 4·16 = 98,0 g/mol M(C6H12O6) = 6·12+12·1+ 6·16 = 180 g/mol 7
7
Az atomok szerkezete
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
Az atomok szerkezete
Atompályák fajtái
z y
x
p-pálya háromféle lehet Bonyolultabb pályák is léteznek. d-pályából 5-féle f-pályából 7-féle 9
9
Az atomok szerkezete
Az atomburok felépítése
Energia
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. Minden pályán maximum f-pályából egy héjon 7 lehet. 2 elektron lehet. 5. O-héj
5p 5s
4. N-héj 3. M-héj
4f 4d
4p
Alapállapotban minden elektron a legkiesebb energiájú pályán van.
3d
4s 3p 3s 2p
2. L-héj 2s
1. K-héj
1s
Az elektronpályák energetikai sorrendjéhez kattints ide! A lejátszáshoz telepíteni kell a FLASH MOVIE PLAYER programot10 !
10
Az atomok szerkezete
Néhány atom elektronburkának szerkezete 1.
3. M-héj
Z=7
Foszfor 3d
4s 3p
Energia
Energia
Nitrogén
3. M-héj
Z = 15 3p
3s
3s
2p 2. L-héj
2p 2. L-héj
2s
1. K-héj
3d
4s
1s
1s22s22p3
2s
1. K-héj
1s
1s22s22p63s23p3
11
11
Az atomok szerkezete
Néhány atom elektronburkának szerkezete 2.
Z = 25 3d
4s 3. M-héj
Argon
3p
Energia
Energia
Mangán
Z = 18
3. M-héj
3p
3s
3s
2p 2. L-héj
2p 2. L-héj
2s
1. K-héj
3d
4s
1s
1s22s22p63s23p64s23d5
2s
1. K-héj
1s
1s22s22p63s23p6
12
12
Az atomok szerkezete
AZ ELEMEK PERIÓDUSOS RENDSZERE oszlopok (csoportok)
1. (K) 3. (M) 4. (N) 5. (O)
s-mező
periódusok
2. (L)
p-mező d-mező
6. (P) 7. (Q)
f-mező
A periódusos rendszer.swf
13
13
Az atomok szerkezete
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
Az atomok szerkezete
A periódusos rendszer d-mezőjének atomjai esetén a legkülső héj alatti elektronhéj, a d-alhéj töltődik fel. A dmező 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 57La, az 5f-alhéjé a 89Ac 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 (92U) követő elemek azonban csak mesterségesen állíthatók elő. A periódusos rendszerben több tulajdonság (az atomsugár, a vegyérték stb.) periodikusan változik a rendszám növekedésével. 15
15
Az atomok szerkezete
Atomsugár - rendszám Atomsugár 250 200
nm
150 100 50 0 1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
25
27
29
31
33
35
Rendszám
16
16
Az atomok szerkezete
Energia
Energia
A gerjesztés folyamata 4d 4p
4. N-héj 3. M-héj
3d
4s 3p 3s 2p
4d
3. M-héj
3d
4s 3p 3s
gerjesztés (+E)
2p
2. L-héj
2. L-héj 2s
1. K-héj
4p
4. N-héj
1s
Az alapállapotú foszforatommal energiát közlünk. (fény, hő stb.)
2s
alapállapotba jutás (-E)
1. K-héj
1s
Alapállapotba jutva az energiát leadja. (fény) 17
17
Az atomok szerkezete
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
E>0 atom
A
+ ionizációs energia
A+ + e-
Na
+ ionizációs energia
Na+ + e-
Ag
+ ionizációs energia
Ag+ + e-
Az ionizációs energia a szabad atomról a legkönnyebben eltávolítható leszakítását kísérő moláris energiaváltozás. Az ionizációs mértékegysége kJ/mol, mérőszáma megegyezik 1 molatom esetében energiaváltozás mérőszámával. (A fenti meghatározás az első leszakítására, az ún. első ionizációs energiára vonatkozik.)
elektron energia mérhető elektron 18
18
Az atomok szerkezete
Anionok képződése Azok az atomok, amelyek a periódusok végén vannak, könnyen vesznek fel elektront, mert így n(s2p6), azaz nemesgázokkal azonos, stabil elektronszerkezetűvé válnak. Ekkor az atomban a negatív töltések kerülnek túlsúlyba és anion képződik:
E klóratom + elektron
E oxidion
E < 0 E > 0
kloridion oxigénatom
Cl + e-
Cl-
O + 2 e-
+ 2 elektron
O2-
Az első elektron felvétele mind a klórnál, mind az oxigénnél felszabadulással jár. A második elektron felvétele mindig energiabefektetéssel történhet!
energia-
A negatív ionok képződésével együtt járó energiát elektronaffinitásnak nevezzük. Mértékegysége kJ/mol. 19
19
Az atomok szerkezete
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 elektronvonzó képességét kifejező szám. 1
2
I.a
részt 14
15
IV.a
V.a
13
II.a
III.a
vevő 16
atomok
17
VI.a
18
VII.a
VIII.a
1
2
H
He
1,0 1,0
3
4,0 4
Li
5
Be 6,9
11
B
Az elektronegativitás változása
9,0
19
13
Mg
23,0
K
21
Ca
39,1 37
55
39
Ba
132,9
137,3
87
88
Fr 223
23
Ti Zr
138,9
73
Hf 178,5
74
Ta 180,9
W 183,9
27
Fe
76
Re
Os
186,2
190,2
192,2
30
Ag
Cd
107,9
112,4
Pt 195,1
80
Au 197,0
114,8 81
Hg 200,6
Ge
51
Sb
Te
118,7
121,8
127,6
Tl
Pb
204,4
207,2
83
Bi 209,0
84
210
39,9 36
Br
Kr
79,9
83,8 54
I
Xe 131,3
126,9 85
Po
Ar
35,5
53
Sn 82
Cl
79,0 52
20,2 18
35
Se
74,9
Ne
19,0
32,1 34
As
72,6
F 17
S
31,0 33
50
In
16
4,0
10
16,0
P
28,1
69,7 49
106,4
Si
9
O
14,0 15
32
Ga
N
12,0
27,0
65,4 48
79
Al
8
C 14
31
Zn
63,5 47
78
Ir
II.b
Pd
102,9 77
12
I.b
Cu
58,7 46
Rh
101,1
11
29
Ni
58,9 45
Ru
99,0 75
10
28
Co
55,9 44
Tc
95,9
9 VIII.b
54,9 43
Mo
92,9
8
26
Mn
52,0 42
Nb
91,2
7 VII.b 25
Cr
50,9 41
72
La
24
V
47,9
88,9 57
Cs
6 VI.b
40
Y
87,6 56
5 V.b
45,0
Sr
85,5
4 IV.b 22
Sc
40,1 38
Rb
3 III.b
24,3 20
7
10,8
12
Na
6
86
At 210
Rn 222,0
89
Ra 226
Ac 227
20
20
Az atomok szerkezete
Elektronegativitás - rendszám 4,0 3,5
Elektronegativitás
3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0
10
20
30
40
50
60
Rendszám
21
21
Az atomok szerkezete
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
