Az atomok szerkezete

 

 

Az anyagi világ kémiai elemekből és ezek vegyületeiből áll. Az elemek atomos szerkezetűek. Minden elem atomjai felépítésükben egy-egy parányi naprendszerhez hasonlíthatók.

Az az elképzelés, hogy az anyag igen kis, tovább már nem osztható részecskékből áll, még az ókorból származik. Görög tudósok az anyag legkisebb részecskéinek atom nevet adták, ami oszthatatlant jelent.

A kémiai elemek molekulái egyforma kémiai jellegű atomokból, míg a vegyületek különböző kémiai jellegű atomokból állnak.

 

A 92 természetes kémiai elemnek 92 különböző atom felel meg. Az uránon túli elemek felfedezése számukat eddig 105-re emelte (neptú­nium, plutónium, amerícium, kűrium, berkélium, kalifornium, einstei­nium, fermium, mendelévium, nobélium, laurencium, kurcsatórium, hafnium).

 

Bohr elmélete szerint az összes kémiai elemek atomjai egy pozitív töltésű atommagból és e körül keringő meghatározott számú negatív töltésű elemi részecskéből, az ún. elektronokból áll.

A kémiai elemek atomjai csak annyiban különböznek egymástól, hogy atommagjaik tömege és töltése, valamint a körülötte keringő ún. kötött elektronok száma eltérő.

 

A legegyszerűbb atom a hidrogén. Atommagjának az összes atomok között a legkisebb a töltése és a tömege. Töltése egyezik az elektronéval, csak pozitív. A hidrogénatom magját Rutherford szerint protonnak nevez­zük. Körülötte csak egy kötött elektron kering.

 

 

Hidrogén atom

 

A következő atom nagyság szerint a hélium. Magjának kétszer akkora töltése van és ennek megfelelően két keringő elektront tart fogva erő­terének semlegesítésére.

 

 

Hélium atom

 

Ily módon valamennyi kémiai elemet rendezhetjük. A 92. elem, az urán. Magjának 92 pozitív töltésegysége van, és 92 kötött elektron kering körülötte.

Mendelejev orosz és Lothar Meyer német tudós nevéhez fűződik az elemek periódusos rendszerbe foglalása. A rendezés alapja az atomok töltésszáma, az ún. rendszám vagy Z magtöltésszám.

 

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18


 

H

 

He

Li

Be

 

B

C

N

O

F

Ne

Na

Mg

 

Al

Si

P

S

Cl

Ar

K

Ca

Sc

Ti

V

Cr

Mn

Fe

Co

Ni

Cu

Zn

Ga

Ge

As

Se

Br

Kr

Rb

Sr

Y

Zr

Nb

Mo

Tc

Ru

Rh

Pd

Ag

Cd

In

Sn

Sb

Te

I

Xe

Cs

Ba

La*

Hf

Ta

W

Re

Os

Ir

Pt

Au

Hg

Tl

Pb

Bi

Po

At

Rn

Fr

Ra

Ac**

Rf

Db

Sg

Bh

Hs

Mt

110

111

112

 

 

 

 

 

 


 

Lantanidák*

Ce

Pr

Nd

Pm

Sm

Eu

Gd

Tb

Dy

Ho

Er

Tm

Yb

Lu

 

Aktinidák **

Th

Pa

U

Np

Pu

Am

Cm

Bk

Cf

Es

Fm

Md

No

Lr

 

 

 Mai periódusos rendszer

 

A kötött elektronok az atommag körül csak meghatározott pályákon, ún. energianívókon keringhetnek. Ezeket K, L, M, N, 0, P betűkkel jelölik. K az atommaghoz legközelebbi elektronpálya, L a következő stb. Minden energianívón csak meghatározott számú elektron keringhet. A K-pályán 2, az L-pályán 8, az M-en 18, az N-pályán 32 stb. Pauli szerint a kötött elektronok maximális száma 2×n2 az n-edik energianívón. Két energianívó között elektronok nem keringhetnek.

 

Amikor az atommag körül annyi elektron kering, ahány protont a mag tartalmaz, akkor elektromos egyensúlyban van. Így az 1-es rend­számú hidrogénnél a K-nívón (héjon is, szokás mondani) 1 elektron, a 2-es rendszámú héliumnál a K-nívón 2 elektron, a 3-as rendszámú lítium­nál a K-nívón 2 és az L-nívón 1 elektron kering stb. A 10-es rendszámú neonnál az L-nívó megtelik... A betelt külső energianívójú elemeket nemes gázoknak nevezik (hélium, neon, argon stb.).

 

A pozitív töltésű atommag elektromos erőtere - a nehézségi erőhöz hasonlóan - a távolsággal négyzetes arányban csökken. Ezért az atom­mag jóval erősebben köti a maghoz közelebbi pályákon keringő elektro­nokat (pl. a K-nívón), mint a távolabbiakat (pl. az M-nívón). A legkülsőbb pályán keringő elektronok kötése a leglazább. A kötési energia szempont­jából számba kell venni azt is, hogy a nagyobb protontartalmú (rendszámú) magok nagyobb erővel vonzzák a belső elektronokat. Ezért pl. a hélium­atom K-pályájáról könnyebb kiszakítani egy elektront, mint az uránatom K-pályájáról.Amikor az elektromos egyensúlyban levő atom külső erő hatására elveszíti egy vagy több kötött elektronját, vagy befogad külső betöltetlen pályájára egy vagy több elektront, akkor pozitív vagy negatív töltéstöbb­lete miatt elektromos erőtér veszi körül. Azt mondjuk, az atom ionizá­lódott, pozitív vagy negatív ion lett belőle.

 

Az atom egyszerű állapotváltozása a legkülső elektronhéjon történik. Egyszerű állapotváltozásnak számít az ionizáció, a kémiai kötések és a halmazállapot.

 

Az elemek egy részénél a legkülső, ún. vegyértékelektron vagy elekt­ronok könnyen leválnak. Ilyenkor az atom kifelé pozitív (pozitív ion). Külső elektronjaikat könnyen veszítik el a fémek (kálium, nátrium, kal­cium, réz, alumínium, vas, nikkel stb.) és a hidrogén. Elég oldatba tenni ezen elemek sóit és atomjaik már ionizálódnak.

 

Vannak elemek, amelyek könnyen befogadnak egy vagy több elekt­ront. Ilyenkor az atom kífelé negatív (negatív ion). Ilyenek a klór, bróm, jód, kén, foszfor stb.

 

Amikor különböző elemek atomjai molekulákká egyesülnek, akkor vegyületek képződnek. Például a nátrium-klorid (NaCI) molekulában két atom azért kapcsolódik össze könnyen, mert a nátrium legkülső, köny­nyen leváló elektronját a klór könnyen befogadja. Igy a két különböző atomból két ion, mégpedig egy pozitív és egy negatív ion lett. Ezek vonzzák egymást és egymás mellett maradnak. Különböző elemek atom­jainak molekulákká egyesülését heteropoláris kötésnek nevezzük.

 

Egyforma elemek atomjai is egyesülhetnek molekulákká. Például két nitrogénatom úgy alkot molekulát, hogy ha elég közel kerültek egymás­hoz, úgy legkülső elektronjaik a két atommag körül közös pályán kerin­genek és így közös egységbe foglalják a két atommagot. Az ilyen mole­kulaképződést homopoláris kötésnek nevezzük.

 

Vannak elemek, amelyek elektronjaikat szorosan fogják és többlet­elektronokat sem fogadnak be, ezért molekulákat sem alkotnak és más elemekkel sem egyesülnek. Ilyenek a nemesgázok (hélium, argon, kripton, xenon, radon).

 

A molekulák szoros vagy laza kapcsolata egymással határozza meg az anyag halmazállapotát.

Szilárd halmazállapotú anyagok molekulái között olyan szoros az összeköttetés, hogy nem válnak el.

Folyadékok molekulái között számottevő kapcsolat nem alakul ki, egymás mellett akadálytalanul elmozdulnak, szétfolynak.

 

A légnemű anyagok molekulái távol vannak egymástól, csak a hőmoz­gás következtében ütköznek egymásba.

Az atomok és molekulák hőállapotuktól függően különböző sebesség­gel mozognak, egymással rugalmatlanul ütköznek. Ez a hőmozgás csak az abszolút nulla fokon (-273 °C) szűnne meg.

 

Az ütközések eredményeként az anyag a hőállapotának megfelelő tér­fogatra tágul, másrészt egy-egy molekula időnként kiszabadul, az anyag párolog.

A gázoknál a molekulák a sűrűségüktől függően hosszabb utat tehet­nek meg ütközés nélkül, ezért nem párolognak, csak a hőmérséklet növelésekor jelentősebben tágulnak.

 

A gázt (esetleg folyadékot) alkotó, elektromos egyensúlyban levő ato­mok növekvő hőmérséklettel egyre sebesebben cikáznak és egyre veszé­lyesebbé válnak egymással összeütközéseik, míg végül megkezdődik az ionizálás, és egyre több atom veszíti el külső elektronját vagy elektronjait.

 

Egy atom ionizálásához az atomra jellemző (karakterisztikus), ponto­san meghatározott értékű energia szükséges (ionizációs energia). Ezt az ionizációs energiát rugalmatlan ütközés esetében a részecskék mozgási energiája szolgáltatja. De ionizálódhat a gáz (vagy folyadék) valamilyen külső - például elektromágneses vagy korpuszkuláris - sugárzás hatá­sára is. Az ionizálódás mindig fokozatosan megy végbe, így az elektro­mosan semleges állapotú gáztól a teljesen ionizált gázig, az ún. tökéletes plazmáig folytonos az átmenet, a fázisátalakulásokat (halmazállapot-válto­zásokat) jellemző ugrásszerű változások nélkül. (Igazi fázisátalakulásokra jó példa a víznek két halmazállapot-változása: a fagyás és a párolgás. Mind­kettőt jól meghatározott átalakulási hő jellemzi.) A gyakran hangoztatott nézettel ellentétben, a plazmaállapot nem tekinthető az anyag egyik külön­leges - negyediknek nevezett - halmazállapotának. A plazma ugyanis nem egyéb, mint többé-kevésbé ionizált, tehát elektromos tulajdonsá­gokkal rendelkező gáz (esetleg folyadék). A plazmában az atomokról lesza­kított negatív töltéshordozók, az elektronok mintegy önálló életet kez­denek és hőmérsékletüktől függő sebességgel ide-oda száguldoznak a „megcsonkított" és így pozitív töltésűvé vált atomtörzsek, azaz pozitív ionok között. Benne a pozitív és negatív töltéshordozók mennyisége megegyezik.

 

Az elektromos töltések (elektronok és ionok) mozgása mindig mág­neses tér keltésével jár. Az elektronok egyrészt az energianívókon kerin­genek az atommag körül (mint a bolygók a Nap körül), másrészt forog­nak a saját tengelyük körül. Az elektron a forgása során mágneses teret hoz létre, vagyis apró elemi mágnesként viselkedik, és így északi és déli pólusa is van, a forgástengelye pedig e két pólust összekötő egyenes. Az elektron a saját tengelye körüli forgását az elektron perdületével - vagy miként ezt a mikrorészecskék világában nevezik - a spínjével jellemezhetjük.

 

A perdület a szilárd testek, a spín az elemi részecskék mozgásállapo­tára jellemző fizikai mennyiség. Nagyságát és irányát a test, ill. részecske tömege és a saját tengelye körüli forgása határozza meg. A spín tehát vektormennyiség, amelynek - mint tudjuk - a nagyságán kívül iránya is van. A spín nagysága az azonos típusú elemi részecskék - pl. elektro­nok - esetében állandó, iránya azonban az atom rezgése során folytono­san változik.

Az elektronok - mint kis mágnesek - hatnak egymásra, és egy külső mágneses tér el is forgathatja őket ugyanúgy, mint az iránytű mutatóját a Föld mágneses tere.