Hva bestemmer den kjemiske oppførselen til et atom?

Elementene er laget av atomer, og atomets struktur bestemmer hvordan den vil oppføre seg når den samhandler med andre kjemikalier. Nøkkelen til å bestemme hvordan et atom vil oppføre seg i forskjellige miljøer ligger i arrangementet av elektroner i atomet.

TL; DR (for lang; Leste ikke)

Når et atom reagerer, kan det få eller miste elektroner, eller det kan dele elektroner med et nærliggende atom for å danne en kjemisk binding. Den lettheten som et atom kan få, miste eller dele elektroner avgjør dets reaktivitet.

Atomer består av tre typer subatomære partikler: protoner, nøytroner og elektroner. Identiteten til et atom bestemmes av protonnummeret eller atomnummeret. For eksempel er ethvert atom som har 6 protoner klassifisert som karbon. Atomer er nøytrale enheter, så de har alltid like mange positivt ladede protoner og negativt ladede elektroner. Elektronene sies å kretse rundt den sentrale kjernen, holdt på plass av den elektrostatiske tiltrekningen mellom den positivt ladede kjernen og selve elektronene. Elektronene er ordnet i energinivå eller skjell: definerte områder av rommet rundt kjernen. Elektroner opptar de laveste tilgjengelige energinivåene, det vil si det nærmeste kjernen, men hvert energinivå kan bare inneholde et begrenset antall elektroner. Posisjonen til de ytterste elektronene er nøkkelen til å bestemme atoms atferd.

Antall elektroner i et atom bestemmes av antall protoner. Dette betyr at de fleste atomer har et delvis fylt ytre energinivå. Når atomer reagerer, har de en tendens til å prøve å oppnå et fullt ytre energinivå, enten ved å miste ytre elektroner, ved å få ekstra elektroner eller ved å dele elektroner med et annet atom. Dette betyr at det er mulig å forutsi oppførselen til et atom ved å undersøke dets elektronkonfigurasjon. Edelgasser som neon og argon er kjent for sin inerte karakter: De deltar ikke i kjemiske reaksjoner bortsett fra under ekstreme omstendigheter da de allerede har en stabil full ytre energi nivå.

Elementets periodiske system er ordnet slik at elementer eller atomer med lignende egenskaper er gruppert i kolonner. Hver kolonne eller gruppe inneholder atomer med et lignende elektronarrangement. For eksempel inneholder elementer som natrium og kalium i den venstre kolonnen i det periodiske systemet 1 elektron i sitt ytterste energinivå. De sies å være i gruppe 1, og fordi det ytre elektronet bare tiltrekkes svakt av kjernen, kan det lett gå tapt. Dette gjør at gruppe 1-atomer er veldig reaktive: De mister lett sitt ytre elektron i kjemiske reaksjoner med andre atomer. Tilsvarende har elementer i gruppe 7 en enkelt ledighet i sitt ytre energinivå. Siden fulle ytre energinivåer er de mest stabile, kan disse atomene lett tiltrekke seg et ekstra elektron når de reagerer med andre stoffer.

Ioniseringsenergi (I.E.) er et mål på hvor enkelt elektroner kan fjernes fra et atom. Et element med lav ioniseringsenergi vil reagere lett ved å miste det ytre elektronet. Ioniseringsenergi måles for suksessiv fjerning av hvert elektron i et atom. Den første ioniseringsenergien refererer til energien som kreves for å fjerne det første elektronet; den andre ioniseringsenergien refererer til energien som kreves for å fjerne det andre elektronet og så videre. Ved å undersøke verdiene for suksessive ioniseringsenergier til et atom, kan dets sannsynlige oppførsel forutsies. For eksempel har gruppe 2-element kalsium en lav første I.E. på 590 kilojoules per mol og en relativt lav 2. I.E. på 1145 kilojoules per mol. Den tredje I.E. er mye høyere med 4912 kilojoules per mol. Dette antyder at når kalsium reagerer, er det mest sannsynlig at de mister de to første lett fjernbare elektronene.

Elektronaffinitet (Ea) er et mål på hvor lett et atom kan få ekstra elektroner. Atomer med lave elektronaffiniteter har en tendens til å være veldig reaktive, for eksempel er fluor mest reaktivt element i det periodiske systemet, og det har en veldig lav elektronaffinitet ved -328 kilojoules per mol. Som med ioniseringsenergi har hvert element en rekke verdier som representerer elektronaffiniteten til å legge til den første, andre og tredje elektronen og så videre. Nok en gang gir de påfølgende elektronaffinitetene til et element en indikasjon på hvordan det vil reagere.