Kas nosaka atoma ķīmisko uzvedību?

Elementi ir veidoti no atomiem, un atoma struktūra nosaka, kā tas izturēsies, mijiedarbojoties ar citām ķīmiskām vielām. Lai noteiktu, kā atoms izturēsies dažādās vidēs, galvenais ir elektronu izvietojums atoma iekšienē.

TL; DR (pārāk ilgi; Nelasīju)

Reaģējot uz atomu, tas var iegūt vai zaudēt elektronus, vai arī dalīties elektronos ar kaimiņu atomu, lai izveidotu ķīmisko saiti. Vieglums, ar kādu atoms var iegūt, zaudēt vai dalīties ar elektroniem, nosaka tā reaktivitāti.

Atomi sastāv no trīs veidu subatomiskām daļiņām: protoni, neitroni un elektroni. Atoma identitāti nosaka tā protonu vai atomu skaitlis. Piemēram, jebkurš atoms ar 6 protoniem tiek klasificēts kā ogleklis. Atomi ir neitrālas vienības, tāpēc tiem vienmēr ir vienāds pozitīvi lādētu protonu un negatīvi lādētu elektronu skaits. Tiek teikts, ka elektroni riņķo ap centrālo kodolu, kuru pozīcijā notur elektrostatiskā pievilcība starp pozitīvi uzlādēto kodolu un pašiem elektroniem. Elektroni ir sakārtoti enerģijas līmeņos vai apvalkos: noteiktas telpas zonas ap kodolu. Elektroni aizņem zemākos pieejamos enerģijas līmeņus, tas ir, vistuvāk kodolam, taču katrā enerģijas līmenī var būt tikai ierobežots elektronu skaits. Lai noteiktu atoma uzvedību, galvenā nozīme ir attālāko elektronu atrašanās vietai.

Elektronu skaitu atomā nosaka protonu skaits. Tas nozīmē, ka lielākajai daļai atomu ir daļēji piepildīts ārējās enerģijas līmenis. Kad atomi reaģē, viņi mēdz mēģināt sasniegt pilnīgu ārējās enerģijas līmeni, vai nu zaudējot ārējos elektronus, iegūstot papildu elektronus vai daloties elektronos ar citu atomu. Tas nozīmē, ka ir iespējams paredzēt atoma uzvedību, pārbaudot tā elektronu konfigurāciju. Cēlās gāzes, piemēram, neons un argons, ir ievērojamas ar inertu raksturu: tās nepiedalās ķīmiskās reakcijas, izņemot ļoti ārkārtējos apstākļos, jo tām jau ir stabila pilnīga ārējā enerģija līmenī.

Elementu periodiskā tabula ir sakārtota tā, ka elementi vai atomi ar līdzīgām īpašībām tiek sagrupēti kolonnās. Katrā kolonnā vai grupā ir atomi ar līdzīgu elektronu izvietojumu. Piemēram, tādi elementi kā nātrijs un kālijs periodiskās tabulas kreisajā kolonnā katrs satur 1 elektronu visattālākajā enerģijas līmenī. Tiek uzskatīts, ka tie ir 1. grupā, un, tā kā ārējais elektrons tikai vāji piesaista kodolu, to var viegli pazaudēt. Tas padara 1. grupas atomus ļoti reaktīvus: ķīmiskās reakcijās ar citiem atomiem tie viegli zaudē ārējo elektronu. Līdzīgi 7. grupas elementiem ārējā enerģijas līmenī ir viena vakance. Tā kā visi ārējās enerģijas līmeņi ir visstabilākie, reaģējot ar citām vielām, šie atomi var viegli piesaistīt papildu elektronu.

Jonizācijas enerģija (I.E.) ir mērs tam, cik viegli elektronus var atdalīt no atoma. Elements ar zemu jonizācijas enerģiju reaģēs viegli, zaudējot savu ārējo elektronu. Jonizācijas enerģiju mēra katra atoma elektrona secīgai atdalīšanai. Pirmā jonizācijas enerģija attiecas uz enerģiju, kas nepieciešama pirmā elektrona atdalīšanai; otrā jonizācijas enerģija attiecas uz enerģiju, kas nepieciešama otrā elektrona un tā tālāk atdalīšanai. Pārbaudot atoma secīgu jonizācijas enerģiju vērtības, var paredzēt tā iespējamo uzvedību. Piemēram, 2. grupas elementa kalcijam ir zems 1. I.E. no 590 kilodžouliem uz vienu molu un salīdzinoši zems 2. I.E. no 1145 kilodžouliem uz vienu molu. Tomēr 3. I.E. ir daudz augstāks - 4912 kilodžouli uz vienu molu. Tas liek domāt, ka, reaģējot kalcijam, visticamāk, zaudēs pirmos divus viegli noņemamos elektronus.

Elektronu afinitāte (Ea) ir mērījums tam, cik viegli atoms var iegūt papildu elektronus. Atomi ar zemu elektronu afinitāti mēdz būt ļoti reaktīvi, piemēram, visvairāk ir fluors reaktīvais elements periodiskajā tabulā, un tam ir ļoti zema elektronu afinitāte pie -328 kilodžouliem uz vienu molu. Tāpat kā jonizācijas enerģijas gadījumā, katram elementam ir virkne vērtību, kas atspoguļo elektronu afinitāti pievienojot pirmo, otro un trešo elektronu utt. Atkal elementa secīgās elektronu afinitātes norāda, kā tas reaģēs.