ATOMOK ÉS ELEMEK

ATOMOK ÉS ELEMEK

A tudományos atomelmélet bevezetése John Dalton (1766 -1844) angol természettudós nevéhez füzödik. 1803-ban megalapozott atomelmélete, feltételezése szerint minden anyag parányi részecskékböl, atomokból áll. Felismerése a környezetünkben található igen nagyszámú különbözö anyagokból felépülö halmazok rendszerezésének alapjául szolgál. Minden anyagi tárgyat - legyen egyszerü vagy összetett - kémiai anyagnak, röviden anyagnak nevezünk. Minden anyagfajta atomokból, ionokból vagy molekulákból épül fel. A kémia az anyagot összetétel, szerkezet és tulajdonság alapján vizsgálja.

Az elem az azonos rendszámú atomokból felépülö anyagot jelöli, amely kémiai reakciókban nem bontható. Ma már több mint 100 elemet ismerünk. Néhány elem (mint arany és a kén) a Földön elemi állapotban is megtalálható. A legtöbb elem vegyületet alkot, míg néhány csak mesterségesen állítható elö (atommag reakciókban) Minden elemnek jellemzö tulajdonsága van, amely megkülönbözteti a többi elemtöl.

Az elemek egy vagy két betüs vegyjelét az elem latin névéböl származtatjuk, míg van magyar név is, pl. arany ( Au - aurum ) réz ( Cu - cuprum ).

Az anyagok felosztása a kémiában összetétel és tulajdonságok alapján történik : tiszta anyagokra és keverékekre. A fizikai tulajdonságok (pl. szín, sürüség, olvadáspont, keménység meghatározása) az anyag összetételének megváltoztatása nélkül elvégezhetö. A kémiai tulajdonságok megismerésére csak a kémiai reakciók során nyílik lehetöség, amikor az anyag összetétele megváltozik. Az anyagfajták legfontosabb típusait az 1. ábra mutatja.

A tiszta anyagok összetétele és tulajdonságai állandóak. Két csoportja van: az elemek és vegyületek. A vegyületek olyan összetett anyagok, amelyekben az alkotó atomok kémiai kötéssel kapcsolódnak össze, ezért az arányuk szigorúan állandó. Pl. a vízben mindig két hidrogénatom kapcsolódik egy oxigén atommal, ezért az oxigén a hidrogén tömegaránya mindig 1 : 8. A vegyület tulajdonságai lényegesen eltérnek az alkotórészek eredeti tulajdonságaitól.

1. ábra. Fontosabb anyagfajták (Gergely 2003)

Az anyagok igen sokféle keveréket alkotnak. Ezekben az egyes összetevök, 727i86h amelyek lehetnek elemek és/vagy vegyületek, legtöbb jellemzö tulajdonságukat megtartják. A keverék összetételét tetszölegesen választhatjuk meg, a tulajdonságok az összetételtöl függnek. A homogén keveréket, amelyben az összetétel állandó (pl. vizes oldatok, gázkeverékek) elegynek nevezzük. A heterogén keverékben az alkotórészek jól megkülönböztethetök.

Az atomok szerkezete, atomok alkotórészei

Az atomszerkezet modern elméletének kísérleti alapjait az elektron, proton és neutron felfedezése teremtette meg, amelyeket a klasszikus kísérletek alapján lehet értelmezni. A katódsugárzásban mutatta ki a nagyon könnyü és negatív töltésü részecskéket, az elektronokat J.J.Thompson 1897-ben. Az elektron töltését R.A. Millikan 1909-ben határozta meg negatív töltésü olajcseppek segítségével. A gázkisülési csövek tanulmányozása vezetett a pozitív töltésü részecskék, végeredményben a proton felismeréséhez (W.Wien 1898). A neutron felfedezése az atomfizika modern kísérleti módszereinek köszönhetö: alfa -részecske és Berillium atom kölcsönhatása során mutatta ki elöször J. Chadwick 1932-ben. Ezen az alapon a részecskék jellemzöit a 8. táblázat tartalmazza.

6. táblázat. Az atomok alapvetö alkotórészei

Az atommag felépítése

A XX. század fordulóján úgy vélték, hogy az atomok negatív töltésü elektronok és pozitív töltésü protonok halmaza. Az ellentétes töltésü részecskék az atomon belül tökéletesen összekeverednek, nincs az atomnak olyan része, amely kifejezetten pozitív vagy negatív volna. Ezt az elméletet Rutherford és munkatársai 1911-ben megdöntötték. A kísérleteikben különbözö fémekböl készült vékony fóliákat bombáztak alfa-részecskékkel, pozitív töltésü hélium atommagokkal. A kísérletek elvét a 2. ábra mutatja.

2. ábra: Az alfa-részecskék szóródása (Gergely, 2003)

A rádium által kibocsátott alfa-részecskéket szük résen keresztül fémfóliára irányítják. A legtöbb részecske áthatol a fólián és az ernyön az 1. helyen jelenik meg (a). Kisebb részük különbözö mértékben eltérül és pl. az ernyö 2. pontján jelenik meg. Még kisebb részük pedig visszaverödik. A szóródás lehetséges sugarait az a) ábra mutatja. Ezen alapon állítható fel a b) ábra modellje. Az aranyfóliát alkotó atomok pozitív töltésü magjaiban összpontosul az atom tömegének a legnagyobb része. A szóródás azokban az esetekben következik be, amikor az alfa-részecskék a pozitív töltésü atommaggal való találkozás eredménye. Tehát az atomok nem töltik ki folytonosan a rendelkezésükre álló teret: tömegük a magban koncentrálódik.

A nagyenergiájú alfa-részecskék elhajlását Rutherford azzal magyarázta, hogy a fémfólia atomjai nagy tömegü, pozitív töltésü centrumokat tartalmaznak. Az atommag mérete lényegesen kisebb az atom méreténél. Rutherford számításai azt mutatták, hogy az atommag átméröje 10^{-15 m nagyságrendü. Mivel az atom elektromosan semleges, és a negatív része a kicsiny tömegü elektronokból áll, ezért a pozitív töltésü atommagokban találhatóak a protonok.}

Rutherford atommodelljének kidolgozásakor megjósolta a töltésnélküli, nehéz részecskék létezését is az atommagban. A neutron felfedezésére néhány évvel késöbb ugyanabban a cambride-i laboratóriumban került sor. Az atommagot a nukleonok: a protonok és a neutronok alkotják. Az atommagtól viszonylag nagy távolságban található az elektronhéj, az egész atom átméröje 10^{-10 m (0,1mm) nagyságrendü.}

Rendszám és tömegszám

Az atommagban található protonok számát rendszámnak (Z) nevezzük, ami kijelöli az atom helyét a periódusos rendszerben. Így a 7-es rendszámú atomok a nitrogénnek felelnek meg, mindegyik atom 7 protont tartalmaz. Az elektromosan semleges atomban ugyanannyi elektron található az atommag körül, mint amennyi a magban levö protonok száma. A rendszám tehát meghatározza az elem kémiai minöségét.

Az atommag másik alkotórésze a neutron. Míg egy adott elem atommagjában csak meghatározott Z számú proton lehet, a neutronok száma (N) változhat. Az alacsonyabb rendszámú elemek atomjaiban a protonok és a neutronok száma közel azonos, míg a nagyobb rendszámú atomokban a neutronok száma nagyobb, mint a protonoké. Az atommagban levö protonok és neutronok számának összegét tömegszámnak nevezzük, és A-val jelöljük:

A = Z + N

Az atomok, és ionok vegyjeleiben van lehetöség a rendszám és tömegszám feltüntetésére is,

pl. a     19 , a 9-es rendszámú és 19-es tömegszámú fluoratomot jelöli.

9

Izotópok

Az azonos rendszámú, de különbözö tömegszámú atomokat izotópoknak nevezzük. Elnevezés görög eredetü: izotóp = azonos helyü . Egy elem izotópjai ugyanazon kémiai tulajdonságokat mutatják fel, a periódusos rendszer azonos helyére kerülnek. Fizikai tulajdonságaik, amelyek a molekula nagyságától függenek eltéröek. Az izotópok természetben való elöfordulása szigorúan állandó, de elemenként eltérö és az adott elemre jellemzö. Ebböl következik, hogy az atomtömeg nem egész, hanem tört szám. Néhány fontosabb elem izotópját a természetben a 9. táblázat tünteti fel.

Az izotópok kémiai tulajdonságai azonosak, a kis sajátkülönbségek a az izotópok tömegének arányától függ, és csak azon folyamatokban mutathatók ki, amelyekben közvetlenül vagy közvetve az atomok tömegének is szerepe van.

7.. táblázat: A természetben elöforduló néhány izotóp jellemzöje.

A természetben elöforduló elemek legnagyobb része izotópok keverékének bizonyult. Az izotópok aránya természetben szigorúan állandó.

A természetes és mesterségesesen elöállított izotópok közül jó néhány radioaktív, radioaktív sugarak kibocsátása közben átalakul. A radioaktív izotópok közül sokat alkalmaznak iparban, gyógyításban és kutatásban.

Atomok, molekulák és ionok

Az atomok a kémiailag legegyszerübb részecskék, amelyek a - szokásos kémiai folyamatokban - nem alakíthatók át. Földi viszonyok között csupán egyféle elemi részecskéböl makroszkopikus mennyiségü, stabil atomokból álló anyag nem jöhet létre. A legegyszerübb H-atom is kétféle elemi részecskét (protont és elektront) tartalmaz.

A molekula pontosan meghatározott összetétellel, fizikai és kémiai tulajdonságokkal rendelkezik. A molekula továbbépítése vagy megbontása a kémiai sajátságok minöségi változását vonja maga után. A nemesgázok (Ne) egyatomosak, az oxigéngáz (0₂) kétatomos, a kén molekula alapállapotban nyolcatomos molekulákból áll (S₈). A vegyületek molekulái szükségképpen több atomosak és legtöbbször különbözö atomok között kialakuló kémiai kötésekkel kapcsolódnak össze. A nukleinsavak és fehérjék molekulái nagyszámú atomot tartalmaznak- ezek makromolekulának tekinthetök.

Ionoknak nevezzük az elektromos töltéssel rendelkezö atomokat, illetve molekulákat nevezzük. Az elektronleadással képzödö részecskék pozitív töltésü ionok, a kationok (elektromos mezöben a katód felé vándorolnak), az elektronfelvétellel kialakult negatív töltésü ionok az anionok (elektromos mezöben az anód felé vándorol).

Az elektromosan töltött részecskék mozgása lehetövé teszi az áram vezetését. Így például NaCl oldatot vagy NaCl olvadékot egyenáramú áramforrásra kapcsolva, vezeti az áramot, másodrendüen ionokkal, de a NaCl kristály nem, mert a részecskék helyhez kötött, rögzített állapotban vannak.

A legfontosabb kationokat és anionokat a 8. táblázat mutatja.

8. táblázat. Néhány gyakrabban elöforduló kation és anion (Csapó, 2000)

Sztöchiometria

A kémiának a kémiai reakciók tömegviszonyaival foglalkozó ágát sztöchiometriának nevezzük. A kémiai reakció mennyiségi leírásában a tömegeken kívül szerepet játszanak az energiaváltozások, továbbá az esetleges gázhalmazállapotú kiindulási anyagok vagy termékek térfogatai. A sztöchiometria mennyiségi viszonyait az atomok, molekulák és ionok relatív tömegével fejezzük ki.

Relatív atomtömeg ( A_r)

Az atomok rendkívül kis tömegü részecskék, a rendkívül kis tömegekkel való számolás helyett önkényes skálát vezettek be az atomok tömegének viszonyítására.

1961 óta nemzetközi megállapodás alapján ¹²C-izotóp tömegének 1/12-ed részét definiálják atomi tömegegységként, és ehhez viszonyítják a többi atom tömegét. Valamely elem relatív atomtömege az 1 mól természetes izotóp összetételü elem tömegének a viszonyát jelenti az 1 mól ¹²C-izotóp tömegének 1/12-ed részéhez képest. Pontos meghatározása tömegspektrométerrel lehet. Kiszámolása pedig az adott elem izoptójainak relatív mennyisége és a tömegük viszonya alapján lehetséges.

Relatív molekulatömeg ( M_r)

A molekulák tömegének viszonyát a ¹²C-hez a relatív molekulatömeg fejezi ki. 1 mól természetes izotóp-összetételü anyag képlet szerinti átlagos tömegének a viszonyát jelenti az 1 mól ¹²C-izotóp tömegének 1/12-ed részéhez. A molekula egyes elemeinek atomtömegéböl számítható ki összegzéssel, figyelembe véve az egyes atomok számát.

Mól és Avogadro-állandó

A mól azt az anyagmennyiséget jelöli, amely 6,022 ٠ 10²³ egységet (atomot, iont, molekulát stb. tartalmaz). A 6,022 ٠ 10²³ számot Avogadro-állandónak nevezzük.

Az SI-rendszerben a mól anyagmennyiség, amely annyi elemi egységet tartalmaz, mint ahány szénatom van 0,012 kg tiszta ¹²C-izotópban. Ez számszerüleg megegyezik az Avogadro-állandóval.

Az elem 1 mólját tartalmazza az a grammban kifejezett mennyisége, amely számszerüen az illetö elem atomtömegével egyenlö.

Az adott tömegü tiszta anyagban lévö mólok száma, az anyag tömege és az Avogadro-állandó közötti összefüggés :

Tapasztalati képlet

A vegyületek esetében a kísérletileg meghatározott százalékos összetételböl megállapítható a tapasztalati képlet, amely a vegyület alkotó elemek atomjainak relatív számát fejezi ki. A tapasztalati képlet megállapításában az elsö lépés a vegyület adott tömegmennyiségében az alkotó elemek atomjainak móljai milyen viszonyszámokkal szerepelnek. Az egyes elemek móljainak viszonya az illetö elem atomjai számának arányával egyenlö.

Molekulaképlet

A molekulaképlet a molekulában szereplö elemek atomjainak valódi számát tartalmazza. Megállapítása a tapasztalati képlet és a molekulatömeg ismeretében lehetséges. Az acetilénben és a benzolban a szén és hidrogén aránya ugyanaz: C_nH_n. Ugyanakkor az acetilén molekulaképlete C₂H₂, míg a benzolé C₆H₆ mivel a molekulatömegük eltérö (M_{r acetilén}: 26,04 ate, M_{r benzol}: 78,11 ate).

Szerkezeti képlet

A molekula síkban ábrázolt szerkezeti képlete az atomok molekulán belüli elrendezödését mutatja. A molekula térbeli ábrázolása valójában térbeli szerkezeti képlet. A molekulaképlet és a szerkezeti képlet sok mindent elárul az illetö vegyületröl. Pl. a

CH₃-COOH (ecetsav) molekulaképlete:

* jelenti egyrészt azt, hogy 60,05 g ecetsav tartalmaz 20,02 g szenet, 32,00 g oxigént és 4,03 g hidrogént,

* jelenti azt, hogy az ecetsav %-os összetétele: 40,00% szén, 53,29% oxigén és 6,71% hidrogén,

* jelenti azt, hogy 1 mól ecetsav tartalmaz 2 mól szénatomot (1,204ˇ10²⁴ C atom), 2 mól oxigénatomot (1,204ˇ10²⁴ O atom) és 4 mól hidrogénatomot (2,409ˇ10²⁴ H atom).

Reakcióegyenletek

A kémiai reakciók rövidített jelölésekkel leirt formáját kémiai egyenleteknek vagy reakcióegyenleteknek nevezzük. Az egyenletek tartalmazzák a kiindulási anyagok és a végtermékek minöségét és a mennyiségét kifejezö képleteit. Mivel a kémiai reakciók során atomok nem keletkezhetnek és nem is semmisülhetnek meg, az egyes elemek atomjai számának az egyenlet két oldalán azonosnak kell lenni. A képlet elé irt együtthatóval jelöljük, hogy az egyes komponensekböl hány egység szükséges. Ezt a módszert az egyenlet rendezésének nevezzük. A reakciókban - termokémiai egyenletek esetében - a résztvevö anyagok halmazállapotát is feltüntetjük: g (gáz), l (folyékony), s (szilárd) és aq (vizes oldat). A reakcióegyenlet kémiai információi a nitrogén és a hidrogén ammónia gáz történö átalakulásnál tekintjük át (3. ábra).

Elektrolitok egymás közötti reakcióit ionegyenletek segítségével írjuk le, például:

Ag⁺ + NO₃^- + Na⁺ + Cl^- = AgCl_(s) + Na⁺ + NO₃^-

Egyenlöségjel helyett az egyenletekben gyakran nyilat használunk a tökéletesen lejátszódó reakciók kifejezésére, amely megadja a reakció lefolyásának irányát is (A + B C + D).

Minden esetben nyilat alkalmazunk akkor, ha az átalakulásokat nem minden részletében adjuk meg, vagy nem lehet azokat szigorú pontossággal megfogalmazni. A megfordítható reakciók esetében egyenlöségjel vagy nyíl helyett két vízszintes, egymással szembe irányított nyilat használunk. Pl.:

CH₃COOH + CH₃CH₂OH CH₃COOC₂H₅ + H₂O

A felsö nyíl itt minden esetben a képzödési, az alsó nyíl a visszaalakulási reakció irányát adja meg. Az ionegyenletekben ezen kívül még az egyenlet két oldalán az iontöltések algebrai összegének is meg kell egyezni. Pl.:

2 Fe³⁺ + SO₂ + 2 H₂O 2 Fe²⁺ +SO₄^2- + 4 H⁺

3. ábra. Kémiai egyenlet és értelmezése

Kémiai reakciók alapvetö típusai

A kémiai reakciók föbb típusait az egymásra ható anyagok mennyiségi és minöségi összetételében bekövetkezö változások alapján lehet csoportosítani. Szervetlen és szerves kémiában bekövetkezö reakciók néhány kivétellel besorolhatók ebbe a rendszerbe. Így az alábbi típusok lehetnek.

Egyesülés: két vagy több reagáló anyagból egyetlen termék keletkezik (ide sorolható az addíció és a polimerizáció is).

C_(s) + O_2(g) = CO_2(g)

H₂C = CH_{2 (g)} + H_2(g) = CH₃-CH_3(g)

Bomlás: a reagáló anyag két vagy több molekulára disszociál. Típusai: elektrolitos, termikus, elimináció.

NaCl _(s) + H₂O_(l) = Na⁺ + Cl^-

CaCO_3(s) = CaO_(s) + CO_2(g)

Helyettesítés: a vegyület egy alkotórészének helyettesítése hasonló jellemü alkotórésszel.

Fe_(s) + 2 HCl _(aq) = H_2(g) + FeCl_2(aq)

Cserebomlás: a reagáló anyagok, vegyületek alkotórészeinek kicserélödésével két

vegyületböl két új vegyület jön létre ( csapadékképzödés, sav-bázis közömbösítés).

BaCl_2(aq) + H₂SO4_(aq) = BaSO_4(s) + 2 HCl_(aq)