Wat bepaalt het chemische gedrag van een atoom?

Elementen zijn gemaakt van atomen en de structuur van het atoom bepaalt hoe het zich zal gedragen bij interactie met andere chemicaliën. De sleutel om te bepalen hoe een atoom zich in verschillende omgevingen zal gedragen, ligt in de rangschikking van elektronen binnen het atoom.

TL; DR (te lang; niet gelezen)

Wanneer een atoom reageert, kan het elektronen winnen of verliezen, of het kan elektronen delen met een naburig atoom om een ​​chemische binding te vormen. Het gemak waarmee een atoom elektronen kan winnen, verliezen of delen, bepaalt zijn reactiviteit.

Atomen bestaan ​​uit drie soorten subatomaire deeltjes: protonen, neutronen en elektronen. De identiteit van een atoom wordt bepaald door zijn protonennummer of atoomnummer. Elk atoom met 6 protonen wordt bijvoorbeeld geclassificeerd als koolstof. Atomen zijn neutrale entiteiten, dus ze hebben altijd een gelijk aantal positief geladen protonen en negatief geladen elektronen. De elektronen zouden rond de centrale kern draaien, op hun plaats gehouden door de elektrostatische aantrekkingskracht tussen de positief geladen kern en de elektronen zelf. De elektronen zijn gerangschikt in energieniveaus of schillen: gedefinieerde ruimtegebieden rond de kern. Elektronen bezetten de laagst beschikbare energieniveaus, dat wil zeggen het dichtst bij de kern, maar elk energieniveau kan slechts een beperkt aantal elektronen bevatten. De positie van de buitenste elektronen is de sleutel bij het bepalen van het gedrag van een atoom.

Het aantal elektronen in een atoom wordt bepaald door het aantal protonen. Dit betekent dat de meeste atomen een gedeeltelijk gevuld buitenste energieniveau hebben. Wanneer atomen reageren, hebben ze de neiging om te proberen een volledig buitenste energieniveau te bereiken, ofwel door buitenste elektronen te verliezen, door extra elektronen te verkrijgen of door elektronen te delen met een ander atoom. Dit betekent dat het mogelijk is om het gedrag van een atoom te voorspellen door zijn elektronenconfiguratie te onderzoeken. Edelgassen zoals neon en argon vallen op door hun inerte karakter: ze nemen niet deel aan chemische reacties behalve onder zeer extreme omstandigheden omdat ze al een stabiele volledige uiterlijke energie hebben niveau.

Het periodiek systeem der elementen is zo gerangschikt dat elementen of atomen met vergelijkbare eigenschappen in kolommen zijn gegroepeerd. Elke kolom of groep bevat atomen met een vergelijkbare elektronenrangschikking. Elementen zoals natrium en kalium in de linkerkolom van het periodiek systeem bevatten bijvoorbeeld elk 1 elektron in hun buitenste energieniveau. Er wordt gezegd dat ze in groep 1 zitten en omdat het buitenste elektron slechts zwak wordt aangetrokken door de kern, kan het gemakkelijk verloren gaan. Dit maakt Groep 1-atomen zeer reactief: ze verliezen gemakkelijk hun buitenste elektron in chemische reacties met andere atomen. Evenzo hebben elementen in Groep 7 een enkele vacature in hun buitenste energieniveau. Omdat volledige buitenste energieniveaus het meest stabiel zijn, kunnen deze atomen gemakkelijk een extra elektron aantrekken wanneer ze reageren met andere stoffen.

Ionisatie-energie (I.E.) is een maat voor het gemak waarmee elektronen uit een atoom kunnen worden verwijderd. Een element met een lage ionisatie-energie zal gemakkelijk reageren door zijn buitenste elektron te verliezen. Ionisatie-energie wordt gemeten voor de opeenvolgende verwijdering van elk elektron van een atoom. De eerste ionisatie-energie verwijst naar de energie die nodig is om het eerste elektron te verwijderen; de tweede ionisatie-energie verwijst naar de energie die nodig is om het tweede elektron te verwijderen enzovoort. Door de waarden voor opeenvolgende ionisatie-energieën van een atoom te onderzoeken, kan het waarschijnlijke gedrag worden voorspeld. Het groep 2-element calcium heeft bijvoorbeeld een lage 1e I.E. van 590 kilojoule per mol en een relatief lage 2e I.E. van 1145 kilojoule per mol. Echter, de 3e I.E. is veel hoger met 4912 kilojoules per mol. Dit suggereert dat wanneer calcium reageert, de kans het grootst is dat de eerste twee gemakkelijk verwijderbare elektronen verloren gaan.

Elektronenaffiniteit (Ea) is een maat voor hoe gemakkelijk een atoom extra elektronen kan krijgen. Atomen met lage elektronenaffiniteiten hebben de neiging zeer reactief te zijn, bijvoorbeeld fluor is het meest reactief element in het periodiek systeem en het heeft een zeer lage elektronenaffiniteit bij -328 kilojoule per mol. Net als bij ionisatie-energie heeft elk element een reeks waarden die de elektronenaffiniteit vertegenwoordigen van het toevoegen van de eerste, tweede en derde elektronen enzovoort. Nogmaals, de opeenvolgende elektronenaffiniteiten van een element geven een indicatie van hoe het zal reageren.