Τι καθορίζει τη χημική συμπεριφορά ενός ατόμου;

Τα στοιχεία αποτελούνται από άτομα και η δομή του ατόμου καθορίζει πώς θα συμπεριφέρεται όταν αλληλεπιδρά με άλλες χημικές ουσίες. Το κλειδί για τον καθορισμό της συμπεριφοράς ενός ατόμου σε διαφορετικά περιβάλλοντα έγκειται στη διάταξη των ηλεκτρονίων μέσα στο άτομο.

TL; DR (Πάρα πολύ καιρό; Δεν διαβάστηκε)

Όταν ένα άτομο αντιδρά, μπορεί να κερδίσει ή να χάσει ηλεκτρόνια ή μπορεί να μοιράζεται ηλεκτρόνια με ένα γειτονικό άτομο για να σχηματίσει έναν χημικό δεσμό. Η ευκολία με την οποία ένα άτομο μπορεί να κερδίσει, να χάσει ή να μοιραστεί ηλεκτρόνια καθορίζει την αντιδραστικότητά του.

Τα άτομα αποτελούνται από τρεις τύπους υποατομικών σωματιδίων: πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια. Η ταυτότητα ενός ατόμου καθορίζεται από τον αριθμό πρωτονίου ή τον ατομικό του αριθμό. Για παράδειγμα, οποιοδήποτε άτομο έχει 6 πρωτόνια ταξινομείται ως άνθρακας. Τα άτομα είναι ουδέτερες οντότητες, επομένως έχουν πάντα ίσο αριθμό θετικά φορτισμένων πρωτονίων και αρνητικά φορτισμένων ηλεκτρονίων. Τα ηλεκτρόνια λέγεται ότι περιστρέφονται γύρω από τον κεντρικό πυρήνα, που συγκρατούνται σε θέση από την ηλεκτροστατική έλξη μεταξύ του θετικά φορτισμένου πυρήνα και των ίδιων των ηλεκτρονίων. Τα ηλεκτρόνια είναι διατεταγμένα σε επίπεδα ενέργειας ή κελύφη: καθορισμένες περιοχές του χώρου γύρω από τον πυρήνα. Τα ηλεκτρόνια καταλαμβάνουν τα χαμηλότερα διαθέσιμα επίπεδα ενέργειας, δηλαδή το πλησιέστερο στον πυρήνα, αλλά κάθε επίπεδο ενέργειας μπορεί να περιέχει μόνο περιορισμένο αριθμό ηλεκτρονίων. Η θέση των εξόχως ηλεκτρονίων είναι καθοριστικής σημασίας για τον προσδιορισμό της συμπεριφοράς ενός ατόμου.

Ο αριθμός των ηλεκτρονίων σε ένα άτομο καθορίζεται από τον αριθμό των πρωτονίων. Αυτό σημαίνει ότι τα περισσότερα άτομα έχουν μερικώς γεμάτο επίπεδο εξωτερικής ενέργειας. Όταν τα άτομα αντιδρούν, τείνουν να προσπαθούν να επιτύχουν ένα πλήρες εξωτερικό επίπεδο ενέργειας, είτε χάνοντας εξωτερικά ηλεκτρόνια, κερδίζοντας επιπλέον ηλεκτρόνια είτε μοιράζοντας ηλεκτρόνια με άλλο άτομο. Αυτό σημαίνει ότι είναι δυνατόν να προβλεφθεί η συμπεριφορά ενός ατόμου εξετάζοντας τη διαμόρφωση ηλεκτρονίων του. Ευγενή αέρια όπως το νέον και το αργόν είναι αξιοσημείωτα για τον αδρανή χαρακτήρα τους: Δεν συμμετέχουν χημικές αντιδράσεις εκτός από πολύ ακραίες συνθήκες καθώς έχουν ήδη μια σταθερή πλήρη εξωτερική ενέργεια επίπεδο.

Ο Περιοδικός Πίνακας των Στοιχείων είναι διατεταγμένος έτσι ώστε στοιχεία ή άτομα με παρόμοιες ιδιότητες να ομαδοποιούνται σε στήλες. Κάθε στήλη ή ομάδα περιέχει άτομα με παρόμοια διάταξη ηλεκτρονίων. Για παράδειγμα, στοιχεία όπως το νάτριο και το κάλιο στην αριστερή στήλη του Περιοδικού Πίνακα περιέχουν το καθένα 1 ηλεκτρόνιο στο εξόχως επίπεδο ενέργειας τους. Λέγεται ότι ανήκουν στην Ομάδα 1 και επειδή το εξωτερικό ηλεκτρόνιο προσελκύεται μόνο ασθενώς στον πυρήνα, μπορεί να χαθεί εύκολα. Αυτό καθιστά τα άτομα της Ομάδας 1 εξαιρετικά αντιδραστικά: Χάνουν εύκολα το εξωτερικό τους ηλεκτρόνιο σε χημικές αντιδράσεις με άλλα άτομα. Ομοίως, τα στοιχεία της Ομάδας 7 έχουν μία μόνο κενή θέση στο εξωτερικό ενεργειακό τους επίπεδο. Δεδομένου ότι τα πλήρη επίπεδα εξωτερικής ενέργειας είναι τα πιο σταθερά, αυτά τα άτομα μπορούν εύκολα να προσελκύσουν ένα επιπλέον ηλεκτρόνιο όταν αντιδρούν με άλλες ουσίες.

Η ενέργεια ιονισμού (ΙΕ) είναι ένα μέτρο της ευκολίας με την οποία τα ηλεκτρόνια μπορούν να αφαιρεθούν από ένα άτομο. Ένα στοιχείο με ενέργεια χαμηλού ιονισμού θα αντιδρά εύκολα χάνοντας το εξωτερικό του ηλεκτρόνιο. Η ενέργεια ιονισμού μετράται για τη διαδοχική απομάκρυνση κάθε ηλεκτρονίου ενός ατόμου. Η πρώτη ενέργεια ιονισμού αναφέρεται στην ενέργεια που απαιτείται για την αφαίρεση του πρώτου ηλεκτρονίου. Η δεύτερη ενέργεια ιονισμού αναφέρεται στην ενέργεια που απαιτείται για την αφαίρεση του δεύτερου ηλεκτρονίου και ούτω καθεξής. Εξετάζοντας τις τιμές για διαδοχικές ενέργειες ιονισμού ενός ατόμου, μπορεί να προβλεφθεί η πιθανή συμπεριφορά του. Για παράδειγμα, το στοιχείο ασβεστίου της ομάδας 2 έχει χαμηλό 1ο ΙΕ. 590 κιλό ανά γραμμομόριο και σχετικά χαμηλό 2ο Ι.Ε. από 1145 κιλόζες ανά γραμμομόριο. Ωστόσο, το 3ο Ι.Ε. είναι πολύ υψηλότερο στα 4912 κιλά ανά γραμμομόριο. Αυτό υποδηλώνει ότι όταν αντιδρά το ασβέστιο είναι πιθανότερο να χάσει τα δύο πρώτα εύκολα αφαιρούμενα ηλεκτρόνια.

Η συγγένεια ηλεκτρονίων (Ea) είναι ένα μέτρο του πόσο εύκολα ένα άτομο μπορεί να κερδίσει επιπλέον ηλεκτρόνια. Τα άτομα με χαμηλή συγγένεια ηλεκτρονίων τείνουν να είναι πολύ αντιδραστικά, για παράδειγμα το φθόριο είναι το περισσότερο αντιδραστικό στοιχείο στον Περιοδικό Πίνακα και έχει πολύ χαμηλή συγγένεια ηλεκτρονίων στα -328 kilojoules ανά γραμμομόριο. Όπως και με την ενέργεια ιονισμού, κάθε στοιχείο έχει μια σειρά τιμών που αντιπροσωπεύουν τη συγγένεια ηλεκτρονίων της προσθήκης του πρώτου, του δεύτερου και του τρίτου ηλεκτρονίου και ούτω καθεξής. Για άλλη μια φορά, οι διαδοχικές συγγενείς ηλεκτρονίων ενός στοιχείου δίνουν μια ένδειξη για το πώς θα αντιδράσει.