Vad bestämmer kemins beteende hos ett atom?

Element är gjorda av atomer, och atomens struktur avgör hur den kommer att fungera när den interagerar med andra kemikalier. Nyckeln till att bestämma hur en atom ska bete sig i olika miljöer ligger i arrangemanget av elektroner i atomen.

TL; DR (för lång; Läste inte)

När en atom reagerar kan den få eller förlora elektroner, eller den kan dela elektroner med en närliggande atom för att bilda en kemisk bindning. Hur enkelt en atom kan få, förlora eller dela elektroner bestämmer dess reaktivitet.

Atomer består av tre typer av subatomära partiklar: protoner, neutroner och elektroner. En atoms identitet bestäms av dess protonnummer eller atomnummer. Till exempel klassas varje atom med 6 protoner som kol. Atomer är neutrala enheter, så de har alltid lika många positivt laddade protoner och negativt laddade elektroner. Elektronerna sägs kretsa kring den centrala kärnan, hålls på plats av den elektrostatiska attraktionen mellan den positivt laddade kärnan och elektronerna själva. Elektronerna är ordnade i energinivåer eller skal: definierade områden i rymden runt kärnan. Elektroner upptar de lägsta tillgängliga energinivåerna, det vill säga närmast kärnan, men varje energinivå kan bara innehålla ett begränsat antal elektroner. Positionen för de yttersta elektronerna är nyckeln till att bestämma en atoms beteende.

Antalet elektroner i en atom bestäms av antalet protoner. Detta betyder att de flesta atomer har en delvis fylld yttre energinivå. När atomer reagerar tenderar de att försöka uppnå en fullständig yttre energinivå, antingen genom att förlora yttre elektroner, genom att få extra elektroner eller genom att dela elektroner med en annan atom. Detta betyder att det är möjligt att förutsäga en atoms beteende genom att undersöka dess elektronkonfiguration. Ädelgaser som neon och argon är anmärkningsvärda för sin inerta karaktär: De deltar inte i kemiska reaktioner utom under mycket extrema omständigheter eftersom de redan har en stabil full yttre energi nivå.

Elementens periodiska system är ordnade så att element eller atomer med liknande egenskaper grupperas i kolumner. Varje kolumn eller grupp innehåller atomer med liknande elektronarrangemang. Till exempel innehåller element som natrium och kalium i den vänstra kolumnen i det periodiska systemet 1 elektron i sin yttersta energinivå. De sägs vara i grupp 1, och eftersom den yttre elektronen bara är svagt attraherad av kärnan kan den lätt gå förlorad. Detta gör grupp 1-atomer mycket reaktiva: De tappar lätt sin yttre elektron i kemiska reaktioner med andra atomer. På samma sätt har element i grupp 7 en enda vakans i sin yttre energinivå. Eftersom fulla yttre energinivåer är de mest stabila kan dessa atomer lätt attrahera ytterligare en elektron när de reagerar med andra ämnen.

Joniseringsenergi (I.E.) är ett mått på hur lätt elektroner kan avlägsnas från en atom. Ett element med låg joniseringsenergi reagerar lätt genom att förlora sin yttre elektron. Joniseringsenergi mäts för successivt avlägsnande av varje elektron i en atom. Den första joniseringsenergin avser den energi som krävs för att ta bort den första elektronen; den andra joniseringsenergin avser den energi som krävs för att ta bort den andra elektronen och så vidare. Genom att undersöka värdena för successiva joniseringsenergier hos en atom kan dess troliga beteende förutsägas. Grupp 2-elementet kalcium har till exempel en låg första I.E. på 590 kilojoules per mol och en relativt låg 2: a I.E. 1145 kilojoules per mol. Den tredje I.E. är mycket högre med 4912 kilojoules per mol. Detta antyder att när kalcium reagerar är det mest troligt att de förlorar de två första lätt borttagbara elektronerna.

Elektronaffinitet (Ea) är ett mått på hur lätt en atom kan få extra elektroner. Atomer med låga elektronaffiniteter tenderar att vara mycket reaktiva, till exempel är fluor mest reaktiva elementet i det periodiska systemet och det har en mycket låg elektronaffinitet vid -328 kilojoule per mol. Som med joniseringsenergi har varje element en serie värden som representerar elektronaffiniteten för att lägga till den första, andra och tredje elektronen och så vidare. Återigen ger de på varandra följande elektronaffiniteterna ett element en indikation på hur det kommer att reagera.