Co determinuje chemiczne zachowanie atomu?

Pierwiastki składają się z atomów, a struktura atomu określa, jak będzie się zachowywał podczas interakcji z innymi chemikaliami. Kluczem do określenia, jak atom będzie się zachowywać w różnych środowiskach, jest ułożenie elektronów w atomie.

TL; DR (zbyt długi; Nie czytałem)

Kiedy atom reaguje, może zyskać lub stracić elektrony lub może dzielić elektrony z sąsiednim atomem, tworząc wiązanie chemiczne. Łatwość, z jaką atom może zdobywać, tracić lub dzielić elektrony, determinuje jego reaktywność.

Atomy składają się z trzech rodzajów cząstek subatomowych: protonów, neutronów i elektronów. Tożsamość atomu jest określona przez jego liczbę protonową lub atomową. Na przykład każdy atom mający 6 protonów jest klasyfikowany jako węgiel. Atomy są jednostkami neutralnymi, więc zawsze mają taką samą liczbę dodatnio naładowanych protonów i ujemnie naładowanych elektronów. Mówi się, że elektrony krążą wokół centralnego jądra, utrzymywane na miejscu przez przyciąganie elektrostatyczne między dodatnio naładowanym jądrem a samymi elektronami. Elektrony są ułożone w poziomy energetyczne lub powłoki: określone obszary przestrzeni wokół jądra. Elektrony zajmują najniższe dostępne poziomy energii, to znaczy najbliżej jądra, ale każdy poziom energii może zawierać tylko ograniczoną liczbę elektronów. Pozycja najbardziej oddalonych elektronów jest kluczem do określenia zachowania atomu.

Liczba elektronów w atomie zależy od liczby protonów. Oznacza to, że większość atomów ma częściowo wypełniony zewnętrzny poziom energii. Kiedy atomy reagują, próbują osiągnąć pełny poziom energii zewnętrznej, albo tracąc zewnętrzne elektrony, zyskując dodatkowe elektrony, albo dzieląc się elektronami z innym atomem. Oznacza to, że możliwe jest przewidywanie zachowania atomu poprzez badanie jego konfiguracji elektronowej. Gazy szlachetne, takie jak neon i argon, wyróżniają się obojętnym charakterem: nie biorą udziału w reakcje chemiczne, z wyjątkiem bardzo ekstremalnych okoliczności, ponieważ mają już stabilną pełną energię zewnętrzną poziom.

Układ okresowy pierwiastków jest ułożony w taki sposób, że pierwiastki lub atomy o podobnych właściwościach są pogrupowane w kolumny. Każda kolumna lub grupa zawiera atomy o podobnym ułożeniu elektronów. Na przykład pierwiastki takie jak sód i potas w lewej kolumnie układu okresowego pierwiastków zawierają 1 elektron na swoim zewnętrznym poziomie energetycznym. Mówi się, że znajdują się w grupie 1, a ponieważ zewnętrzny elektron jest tylko słabo przyciągany do jądra, można go łatwo stracić. To sprawia, że ​​atomy grupy 1 są wysoce reaktywne: łatwo tracą swój zewnętrzny elektron w reakcjach chemicznych z innymi atomami. Podobnie elementy w grupie 7 mają pojedynczy wakat na swoim zewnętrznym poziomie energii. Ponieważ pełne poziomy energii zewnętrznej są najbardziej stabilne, atomy te mogą łatwo przyciągać dodatkowy elektron, gdy reagują z innymi substancjami.

Energia jonizacji (IE) jest miarą łatwości, z jaką elektrony mogą być usuwane z atomu. Pierwiastek o niskiej energii jonizacji łatwo zareaguje, tracąc swój zewnętrzny elektron. Energia jonizacji jest mierzona dla sukcesywnego usuwania każdego elektronu atomu. Pierwsza energia jonizacji odnosi się do energii wymaganej do usunięcia pierwszego elektronu; druga energia jonizacji odnosi się do energii wymaganej do usunięcia drugiego elektronu i tak dalej. Badając wartości kolejnych energii jonizacji atomu, można przewidzieć jego prawdopodobne zachowanie. Na przykład, wapń z grupy 2 ma niski I.E. 590 kilodżuli na mol i stosunkowo niski 2. I.E. 1145 kilodżuli na mol. Jednak 3 IE jest znacznie wyższy przy 4912 kilodżuli na mol. Sugeruje to, że gdy wapń reaguje, najprawdopodobniej traci pierwsze dwa łatwo usuwalne elektrony.

Powinowactwo elektronowe (Ea) jest miarą tego, jak łatwo atom może uzyskać dodatkowe elektrony. Atomy o niskim powinowactwie elektronowym są zwykle bardzo reaktywne, na przykład fluor jest najbardziej pierwiastek reaktywny w układzie okresowym i ma bardzo niskie powinowactwo elektronowe przy -328 kilodżuli na mol. Podobnie jak w przypadku energii jonizacji, każdy pierwiastek ma szereg wartości reprezentujących powinowactwo elektronowe dodawania pierwszego, drugiego i trzeciego elektronu i tak dalej. Po raz kolejny kolejne powinowactwa elektronowe pierwiastka wskazują, jak zareaguje.