Mikä määrittää atomin kemiallisen käyttäytymisen?

Elementit on valmistettu atomeista, ja atomin rakenne määrittää, miten se käyttäytyy vuorovaikutuksessa muiden kemikaalien kanssa. Avain määritettäessä, kuinka atomi käyttäytyy eri ympäristöissä, on elektronien järjestely atomissa.

TL; DR (liian pitkä; Ei lukenut)

Kun atomi reagoi, se voi saada tai menettää elektroneja tai jakaa elektroneja viereisen atomin kanssa muodostaakseen kemiallisen sidoksen. Se, kuinka helposti atomi voi saada, menettää tai jakaa elektroneja, määrää sen reaktiivisuuden.

Atomit koostuvat kolmesta subatomisesta hiukkasesta: protonit, neutronit ja elektronit. Atomin identiteetti määräytyy sen protoniluvun tai atominumeron perusteella. Esimerkiksi mikä tahansa atomi, jolla on 6 protonia, luokitellaan hiileksi. Atomit ovat neutraaleja kokonaisuuksia, joten niillä on aina yhtä suuri määrä positiivisesti varautuneita protoneja ja negatiivisesti varautuneita elektroneja. Elektronien sanotaan kiertävän keskeistä ydintä, jota positiivisesti varautuneen ytimen ja itse elektronien välinen sähköstaattinen vetovoima pitää paikallaan. Elektronit on järjestetty energiatasoiksi tai kuoreiksi: määrätyt avaruusalueet ytimen ympärille. Elektroneilla on alhaisin käytettävissä oleva energiataso eli lähinnä ydintä, mutta jokainen energiataso voi sisältää vain rajoitetun määrän elektroneja. Syrjäisimpien elektronien sijainti on avain atomin käyttäytymisen määrittämisessä.

Elektronien lukumäärä atomissa määräytyy protonien lukumäärän perusteella. Tämä tarkoittaa, että useimmilla atomilla on osittain täytetty ulkoinen energiataso. Kun atomit reagoivat, he pyrkivät saavuttamaan täydellisen ulkoisen energiatason joko menettämällä ulkoisia elektroneja, saamalla ylimääräisiä elektroneja tai jakamalla elektroneja toisen atomin kanssa. Tämä tarkoittaa, että on mahdollista ennustaa atomin käyttäytymistä tutkimalla sen elektronikonfiguraatiota. Jalokaasut, kuten neon ja argon, ovat tunnettuja inertistä luonteestaan: Ne eivät osallistu kemialliset reaktiot paitsi erittäin äärimmäisissä olosuhteissa, koska niillä on jo vakaa täydellinen ulkoinen energia taso.

Elementtien jaksollinen taulukko on järjestetty siten, että elementit tai atomit, joilla on samanlaiset ominaisuudet, ryhmitellään sarakkeisiin. Jokainen sarake tai ryhmä sisältää atomeja, joilla on samanlainen elektronijärjestely. Esimerkiksi jaksollisen järjestelmän vasemmanpuoleisessa sarakkeessa olevat natrium ja kalium, kuten kukin sisältää 1 elektronin uloimmassa energiatasossaan. Niiden sanotaan olevan ryhmässä 1, ja koska uloin elektroni vetää vain heikosti ytimeen, se voidaan menettää helposti. Tämä tekee ryhmän 1 atomista erittäin reaktiivisen: Ne menettävät helposti ulkoisen elektronin kemiallisissa reaktioissa muiden atomien kanssa. Vastaavasti ryhmän 7 elementeillä on yksi tyhjä ulkoinen energiataso. Koska täydelliset ulkoiset energiatasot ovat vakaimpia, nämä atomit voivat helposti houkutella ylimääräisen elektronin, kun ne reagoivat muiden aineiden kanssa.

Ionisointienergia (I.E.) on mitta siitä, kuinka helposti elektronit voidaan poistaa atomista. Alhainen ionisaatioenergia-elementti reagoi helposti menettämällä ulkoisen elektronin. Ionisointienergia mitataan atomin kunkin elektronin peräkkäiselle poistamiselle. Ensimmäinen ionisaatioenergia viittaa energiaan, joka tarvitaan ensimmäisen elektronin poistamiseen; toinen ionisaatioenergia viittaa energiaan, joka tarvitaan toisen elektronin ja niin edelleen poistamiseen. Tutkimalla atomin peräkkäisten ionisointienergioiden arvot voidaan ennustaa sen todennäköinen käyttäytyminen. Esimerkiksi ryhmän 2 elementtikalsiumilla on alhainen 1. I.E. 590 kilojoulea moolia kohti ja suhteellisen alhainen 2. I.E. 1145 kilojoulea moolia kohti. Kolmas I.E. on paljon korkeampi, 4912 kilojoulea moolia kohden. Tämä viittaa siihen, että kun kalsium reagoi, se todennäköisesti menettää kaksi ensimmäistä helposti irrotettavaa elektronia.

Elektroni-affiniteetti (Ea) on mitta siitä, kuinka helposti atomi voi saada ylimääräisiä elektroneja. Atomit, joilla on matala elektroni-affiniteetti, ovat yleensä hyvin reaktiivisia, esimerkiksi fluori on eniten reaktiivinen elementti jaksollisessa taulukossa ja sillä on erittäin pieni elektroniaffiniteetti -328 kilojoulessa moolia kohti. Kuten ionisointienergialla, jokaisella elementillä on joukko arvoja, jotka edustavat ensimmäisen, toisen ja kolmannen elektronin ja niin edelleen lisäämisen elektroniaffiniteettia. Jälleen kerran elementin peräkkäiset elektroni-affiniteetit osoittavat, miten se reagoi.