Atom- és ionsugarak

Ebben a videóban az atom- és az ionsugarakkal foglalkozunk. Kezdjük az atomsugárral. Ha az atomot gömbnek tekintjük, akkor az atomsugár fogalma egyszerűnek tűnik. Tekintsük úgy, hogy ez egy gömb, amelynek adott, pontosan meghatározott sugara van. Ez az egyik lehetséges elképzelés. A probléma viszont az, hogy az atomoknak nincs olyan adott, meghatározott sugaruk, mint például egy gömbnek. Az atommmagot elektronfelhő veszi körül, amely az elektronok megtalálási valószínűsége. Valójában ennek nincs egyértelmű, éles határa, ezért nem nagyon lehet adott, meghatározott sugara. A kémikusok ezért két azonos atomból indulnak ki, amelyek mondjuk kémiai kötéssel kapcsolódnak egymáshoz, és ugyanazon elem atomjai. Vegyük úgy, hogy itt találhatók az atommagjaik, és mérjük meg a két atommag közötti távolságot. A két mag távolságát jelöljük d betűvel. Ezt a távolságot megfelezve, jó közelítéssel megkaphatjuk az egyik atom sugarát. Az atomsugár definíciója ezen az elgondoláson alapul. Lássuk, milyen tendenciák szerint változnak az atomsugarak, Íme két elem az első csoportból, a hidrogén és a lítium. Először vázoljuk fel az atomokat. Kezdjük a hidrogénnel, amelynek a rendszáma 1, azaz a magjában egy proton található. Ez tehát a hidrogénatom magja, egy proton. Semleges atomban a protonok száma egyenlő az elektronok számával, így itt lennie kell egy elektronnak is. Ezt is rajzoljuk ide. Igyekszünk a legegyszerűbb módon ábrázolni az atomot, még ha tudjuk is, hogy valójában nem pontosan így fest. Következik a lítium, amelynek rendszáma 3, tehát az atommagjában 3 proton van. Így ábrázoljuk a lítiumatom magját, benne a 3 protonnal, és 3 elektronnal. Az elektronokból 2 a belső héjon van. Ide rajzolok 2 elektront, amelyek a belső héjon vannak, vagyis az első energiaszinten. Egy még hátravan, a lítiumatom harmadik elektronja a második energiaszintre kerül, példánkban tehát a külső héjra. Itt van tehát ez a két atom. Amint látható, a csoportban lefelé haladva az atomok sugara növekszik. Ennek az az oka, hogy ebben az irányban az atomokba egyre nagyobb energiaszintre épülnek be elektronok, amelyek egyre távolabb vannak. Ebben az esetben tehát ez az elektron épült be nagyobb energiaszintre, azaz a magtól távolabbra, ami azzal jár, hogy az atomok mérete természetesen egyre növekszik. Az atomba egyre több részecske kerül, ez egyszerűen belátható. Lássuk, mi a tendencia a periódusokban. Egy adott periódusban vízszintesen, ebben az irányban haladva az atomsugarak mérete csökken. Lássuk, hogyan magyarázzuk ezt néhány újabb egyszerű ábrával. A lítium rendszáma 3, erről már beszéltünk. A lítiumatom magjában 3 proton van. Ezt ide írom. 3 pozitív töltés a lítiumatom magjában. Itt van még a 3 elektron is. Közülük 2 elektron a belső héjra kerül, ezeket ide írom, egy pedig a külső héjra, valahogy így. Gondoljuk át, mi lesz ezzel a külső elektronnal a helyzetéből adódóan. Ez a lila színnel jelölt külső elektron közelebb húzódik a maghoz. Az atommag töltése pozitív, az elektroné negatív, így tehát a pozitív atommag maga felé húzza ezt az elektront. Ugyanekkor viszont a belső héj negatív töltésű elektronjai taszítják. Ezt egy másik színnel jelölöm. Ezek itt a belső héj elektronjai. Az azonos töltések taszítják egymást. Úgy vesszük, hogy ez az elektron az egyik irányba taszítja a külső elektront, ez az elektron pedig a másik irányba. Az atommag tehát vonzza a negatív töltésű elektront, a belső héj elektronjai viszont taszítják a külső elektront. Ez az úgynevezett árnyékoló hatás. A belső héj elektronjai leárnyékolják a lila elektront, az atommag töltése elől. Ezt nevezzük az elektronok árnyékoló hatásának. Ennek nagy jelentősége lesz a továbbiakban. Ábrázoljuk most a berilliumatomot, amelynek a rendszáma 4. Ez itt a berilliumatom magja. A rendszáma 4, azaz a magjában 4 proton van, amely négy pozitív töltést jelent a magban. Van emellett 4 elektron, ebből kettőt berajzolok a belső héjra, azaz az első energiaszintre. 2 elektron kerül a külső héjra, azaz a második energiaszintre. Ismét jelzem, hogy erősen leegyszerűsítve ábrázoljuk a berilliumatomot. Azt vehetjük észre, hogy a lítiumatommag 3 pozitív töltése helyett a berilliumatom magjában 4 pozitív töltés van. Minél nagyobb a pozitív töltés, annál erősebben vonzza a külső elektronokat. Vegyük ehhez hozzá az elektronok árnyékoló hatását, vagyis hogy ezek a zölddel jelölt elektronok leárnyékolják a külső elektronokat a pozitív atommag hatása elől. Lehet, hogy azt gondolod, a külső héj elektronjainak is lehet árnyékoló hatása. Talán azt gondolod, hogy ez a lila színnel jelölt elektron árnyékolhatná a másik lila elektront. Az a probléma, hogy ezek nagyjából azonos távolságra vannak az atommagtól, így a külső héj elektronjai nem igazán árnyékolják egymást. Ezt inkább a belső héj elektronjai okozzák. És miután a belső héj elektronjainak száma ugyanannyi, mint a lítium esetén – ezeket még egyszer kiemelem – a belső héjon 2 elektron okoz árnyékolást a berilliumatomban, a lítiumatomban szintén két belső elektron árnyékoló hatása érvényesül. Mivel itt az árnyékoló elektronok száma ugyanannyi, de a mag pozitív töltése itt nagyobb, a berilliumatom külső elektronjait erősebben vonzza az atommag. A vonzás erősebb, mint gondolnánk, vagy legalábbis erősebb, mint az előző példában. Ezekre az elektronokra erősebb vonzás hat, emiatt a berilliumatom mérete kisebb, mint a lítiumatomé. Ebből következik az általános szabály. A periódusokban vízszintesen haladva a protonok száma növekszik, és az egyre erősödő vonzás egyre beljebb húzza a külső elektronokat, így csökkentve az atom méretét. Ezzel megvagyunk. Térjünk át az ionsugarakra. Az ionsugár lehet, hogy kissé bonyolultabb, attól függően, hogy a kémia mely területéről nézve vizsgáljuk. Most a lehető legegyszerűbb magyarázatra törekszünk. Vegyük ismét a semleges lítiumatomot, már többször lerajzoltam. Rajzoljuk fel ismét. Ez a lítiumatom magja, és a 3 elektronja. Gyorsan felrajzolom őket. 2 elektron a belső héjon, 1 pedig a külsőn. Lássuk, hogyan képez kationt. Ehhez a semleges atomból elveszünk egy elektront. Tehát ideírom: 3 proton van az atommagban, ezek töltését 3 elektron semlegesíti, így az atom semleges. Ha ezekből az elektronokból egyet elveszünk – írjuk is fel, hogy elveszít egy elektront –, ha tehát a lítiumatom elveszít egy elektront, akkor ezt a külső elektronját adja le. Az atommagban még mindig 3 pozitív töltés van, mivel 3 protont tartalmaz. És még mindig megvan a belső héj két elektronja, de a külső héjról eltávolítottuk az elektront. Az eltávolított elektront lilával jelölöm. Ezt az elektront veszítette el, amit ezen az oldalon is feltüntetek. Így az atommagban a pozitív töltések száma 3, de csak 2 elektron maradt. A lítium így egyszeres pozitív töltésre tesz szert, így lítium pozitív lesz, ami kation. A keletkezett kation kisebb, mint maga a semleges atom. Ez könnyen belátható, hiszen ha elvesszük ezt a külső elektront, akkor az atommag 3 pozitív töltése mellett csak két elektron van itt. Az elektronokat a vonzás befelé húzza, a külső elektront eltávolítottuk, a részecske kisebb lesz. A kation tehát kisebb, mint a semleges atom. Látjuk tehát, hogy a semleges atomok mérete csökken, amikor kationokká alakulnak át, így logikus, hogy ha a semleges atom elektront vesz fel, akkor a mérete növekszik. Ez a következő témakör. Vegyük például a klórt. Ha a semleges klóratom felvesz egy elektront, akkor negatív töltése lesz. Így negatív töltésű klór, vagyis kloridion, azaz klorid-anion keletkezik. Ami pedig a méreteket illeti, rajzoljunk ide egy példát. Ez a semleges klóratom, amely sokkal nagyobbá változik, amikor felvesz egy elektront. Az anion tehát nagyobb, mint a semleges atom. Lássuk, találunk-e erre magyarázatot. Ha felírjuk a semleges klóratom elektronszerkezetét, vagy nemesgázszerkezettel írjuk – ezt már elvileg tudod, hogy kell, a nemesgáz vegyjelét szögletes zárójelbe teszem. Tehát neon, majd 3s2 3p5, azaz összesen 7 elektron a semleges klóratom külső héján. A kloridanion szerkezetét ugyanígy kezdjük el felírni, Neon a szöglets zárójelben, 3s2, majd egy elektron hozzáadásával a 3p5 helyett 3p6-ot írunk. Ez 8 elektront jelent a külső héjon, míg a másik esetben csak 7 elektront. A klorid-anion nagyobb méretének magyarázata a legtöbb tankönyv és ember szerint az, hogy az újabb elektron hozzáadása azt eredményezi, hogy ezek között az elektronok között nagyobb lesz a taszítás. 7 helyett 8 elektron van, és mivel ezek erősebben taszítják egymást, a méret egy kissé növekedik. Ez logikus magyarázat, egyesek mégsem értenek vele egyet, noha nemigen találni igazán jó alternatívát. Akárhogyan is, az anion általában nagyobb, mint a semleges atom. Ami pedig a magyarázatot illeti, ez felfogható az elektronok taszításának eredményeként, bár ezzel némelyek nem értenek egyet. Legegyszerűbb magyarázat, hogy több részecske egyszerűen több helyet igényel. Vizsgára készülve egyszerűen azt jegyezd meg, hogy az anion nagyobb lesz.