Hvad bestemmer et atoms kemiske opførsel?

Elementerne er lavet af atomer, og atomets struktur bestemmer, hvordan det vil opføre sig, når det interagerer med andre kemikalier. Nøglen til bestemmelse af, hvordan et atom vil opføre sig i forskellige miljøer, ligger i arrangementet af elektroner i atomet.

TL; DR (for lang; Har ikke læst)

Når et atom reagerer, kan det vinde eller miste elektroner, eller det kan dele elektroner med et nærliggende atom for at danne en kemisk binding. Den lethed, hvormed et atom kan vinde, miste eller dele elektroner, bestemmer dets reaktivitet.

Atomer består af tre typer subatomære partikler: protoner, neutroner og elektroner. Identiteten af ​​et atom bestemmes af dets protonnummer eller atomnummer. For eksempel klassificeres ethvert atom med 6 protoner som kulstof. Atomer er neutrale enheder, så de har altid lige mange positivt ladede protoner og negativt ladede elektroner. Det siges, at elektronerne kredser om den centrale kerne, holdt på plads af den elektrostatiske tiltrækning mellem den positivt ladede kerne og selve elektronerne. Elektronerne er arrangeret i energiniveauer eller skaller: definerede områder af rummet omkring kernen. Elektroner optager de laveste tilgængelige energiniveauer, det vil sige det tættest på kernen, men hvert energiniveau kan kun indeholde et begrænset antal elektroner. Placeringen af ​​de yderste elektroner er nøglen til bestemmelse af et atoms opførsel.

Antallet af elektroner i et atom bestemmes af antallet af protoner. Dette betyder, at de fleste atomer har et delvis fyldt ydre energiniveau. Når atomer reagerer, har de en tendens til at forsøge at opnå et fuldt ydre energiniveau, enten ved at miste ydre elektroner, ved at få ekstra elektroner eller ved at dele elektroner med et andet atom. Dette betyder, at det er muligt at forudsige et atoms opførsel ved at undersøge dets elektronkonfiguration. Ædle gasser som neon og argon er bemærkelsesværdige for deres inaktive karakter: De deltager ikke i kemiske reaktioner undtagen under meget ekstreme omstændigheder, da de allerede har en stabil fuld ydre energi niveau.

Elementets periodiske system er arrangeret således, at elementer eller atomer med lignende egenskaber grupperes i kolonner. Hver kolonne eller gruppe indeholder atomer med et lignende elektronarrangement. For eksempel indeholder elementer som natrium og kalium i den venstre kolonne i det periodiske system hver 1 elektron i deres yderste energiniveau. De siges at være i gruppe 1, og fordi den ydre elektron kun er svagt tiltrukket af kernen, kan den let gå tabt. Dette gør gruppe 1-atomer meget reaktive: De mister let deres ydre elektron i kemiske reaktioner med andre atomer. Tilsvarende har elementer i gruppe 7 en enkelt ledig stilling i deres ydre energiniveau. Da fulde ydre energiniveauer er de mest stabile, kan disse atomer let tiltrække en ekstra elektron, når de reagerer med andre stoffer.

Ioniseringsenergi (I.E.) er et mål for den lethed, hvormed elektroner kan fjernes fra et atom. Et element med lav ioniseringsenergi reagerer let ved at miste sin ydre elektron. Ioniseringsenergi måles til successiv fjernelse af hver elektron i et atom. Den første ioniseringsenergi refererer til den energi, der kræves for at fjerne den første elektron; den anden ioniseringsenergi refererer til den energi, der kræves for at fjerne den anden elektron og så videre. Ved at undersøge værdierne for successive ioniseringsenergier i et atom kan dets sandsynlige opførsel forudsiges. For eksempel har gruppe 2-elementcalcium et lavt 1. I.E. på 590 kilojoules pr. mol og en relativt lav 2. I.E. 1145 kilojoules pr. mol. Den 3. I.E. er meget højere med 4912 kilojoules pr. mol. Dette antyder, at når calcium reagerer, er det mest sandsynligt, at det mister de første to let aftagelige elektroner.

Elektronaffinitet (Ea) er et mål for, hvor let et atom kan få ekstra elektroner. Atomer med lave elektronaffiniteter har tendens til at være meget reaktive, for eksempel er fluor mest reaktivt element i det periodiske system, og det har en meget lav elektronaffinitet ved -328 kilojoule pr. mol. Som med ioniseringsenergi har hvert element en række værdier, der repræsenterer elektronaffiniteten ved at tilføje den første, anden og tredje elektron og så videre. Igen giver de successive elektronaffiniteter af et element en indikation af, hvordan det vil reagere.