Was bestimmt das chemische Verhalten eines Atoms?

Elemente bestehen aus Atomen, und die Struktur des Atoms bestimmt, wie es sich bei der Wechselwirkung mit anderen Chemikalien verhält. Der Schlüssel zur Bestimmung des Verhaltens eines Atoms in verschiedenen Umgebungen liegt in der Anordnung der Elektronen innerhalb des Atoms.

TL; DR (zu lang; nicht gelesen)

Wenn ein Atom reagiert, kann es Elektronen aufnehmen oder verlieren oder es kann Elektronen mit einem benachbarten Atom teilen, um eine chemische Bindung zu bilden. Die Leichtigkeit, mit der ein Atom Elektronen aufnehmen, verlieren oder teilen kann, bestimmt seine Reaktivität.

Atome bestehen aus drei Arten von subatomaren Teilchen: Protonen, Neutronen und Elektronen. Die Identität eines Atoms wird durch seine Protonenzahl oder Ordnungszahl bestimmt. Zum Beispiel wird jedes Atom mit 6 Protonen als Kohlenstoff klassifiziert. Atome sind neutrale Einheiten, daher haben sie immer die gleiche Anzahl von positiv geladenen Protonen und negativ geladenen Elektronen. Die Elektronen sollen den zentralen Kern umkreisen, der durch die elektrostatische Anziehung zwischen dem positiv geladenen Kern und den Elektronen selbst in Position gehalten wird. Die Elektronen sind in Energieniveaus oder Schalen angeordnet: definierte Raumbereiche um den Kern. Elektronen besetzen die niedrigsten verfügbaren Energieniveaus, also die dem Kern am nächsten, aber jedes Energieniveau kann nur eine begrenzte Anzahl von Elektronen enthalten. Die Position der äußersten Elektronen ist entscheidend für das Verhalten eines Atoms.

Die Anzahl der Elektronen in einem Atom wird durch die Anzahl der Protonen bestimmt. Dies bedeutet, dass die meisten Atome ein teilweise gefülltes äußeres Energieniveau haben. Wenn Atome reagieren, neigen sie dazu, ein volles äußeres Energieniveau zu erreichen, entweder indem sie äußere Elektronen verlieren, zusätzliche Elektronen gewinnen oder Elektronen mit einem anderen Atom teilen. Dies bedeutet, dass es möglich ist, das Verhalten eines Atoms vorherzusagen, indem man seine Elektronenkonfiguration untersucht. Edelgase wie Neon und Argon zeichnen sich durch ihren inerten Charakter aus: Sie nehmen nicht an chemische Reaktionen außer unter sehr extremen Umständen, da sie bereits eine stabile volle äußere Energie haben Niveau.

Das Periodensystem der Elemente ist so angeordnet, dass Elemente oder Atome mit ähnlichen Eigenschaften in Spalten gruppiert werden. Jede Spalte oder Gruppe enthält Atome mit einer ähnlichen Elektronenanordnung. Zum Beispiel enthalten Elemente wie Natrium und Kalium in der linken Spalte des Periodensystems jeweils 1 Elektron in ihrem äußersten Energieniveau. Sie gehören zur Gruppe 1, und da das äußere Elektron nur schwach vom Kern angezogen wird, kann es leicht verloren gehen. Dies macht Atome der Gruppe 1 hochreaktiv: Sie verlieren leicht ihr äußeres Elektron bei chemischen Reaktionen mit anderen Atomen. In ähnlicher Weise haben Elemente der Gruppe 7 eine einzelne Leerstelle in ihrem äußeren Energieniveau. Da volle äußere Energieniveaus am stabilsten sind, können diese Atome leicht ein zusätzliches Elektron anziehen, wenn sie mit anderen Stoffen reagieren.

Die Ionisierungsenergie (I.E.) ist ein Maß für die Leichtigkeit, mit der Elektronen aus einem Atom entfernt werden können. Ein Element mit niedriger Ionisierungsenergie reagiert leicht, indem es sein äußeres Elektron verliert. Die Ionisierungsenergie wird für die sukzessive Entfernung jedes Elektrons eines Atoms gemessen. Die erste Ionisierungsenergie bezieht sich auf die Energie, die erforderlich ist, um das erste Elektron zu entfernen; die zweite Ionisierungsenergie bezieht sich auf die Energie, die erforderlich ist, um das zweite Elektron zu entfernen und so weiter. Durch Untersuchen der Werte für aufeinanderfolgende Ionisationsenergien eines Atoms kann sein wahrscheinliches Verhalten vorhergesagt werden. Zum Beispiel hat das Element Calcium der Gruppe 2 einen niedrigen 1. I.E. von 590 Kilojoule pro Mol und einem relativ niedrigen 2. I.E. von 1145 Kilojoule pro Mol. Der 3. I.E. ist mit 4912 Kilojoule pro Mol viel höher. Dies deutet darauf hin, dass Calcium bei der Reaktion am wahrscheinlichsten die ersten beiden leicht entfernbaren Elektronen verliert.

Die Elektronenaffinität (Ea) ist ein Maß dafür, wie leicht ein Atom zusätzliche Elektronen aufnehmen kann. Atome mit geringer Elektronenaffinität neigen dazu, sehr reaktiv zu sein, zum Beispiel ist Fluor am meisten reaktives Element im Periodensystem und hat eine sehr geringe Elektronenaffinität von -328 Kilojoule pro Mol. Wie bei der Ionisierungsenergie hat jedes Element eine Reihe von Werten, die die Elektronenaffinität beim Hinzufügen des ersten, zweiten und dritten Elektrons usw. darstellen. Auch hier geben die aufeinanderfolgenden Elektronenaffinitäten eines Elements einen Hinweis darauf, wie es reagiert.