Atomszerkezet

Tételszám: #1 | Kategória: Általános kémia | Szint: Emelt szint (2026)

1. Bevezetés

Minden kémiai tulajdonság az atom szerkezetéből indul. Hogy egy elem fém vagy nemfém, hány kötést létesít, milyen színnel festi a lángot, az mind az elektronjain múlik. Ez a tétel az atom felépítését, az izotópokat és az elektronszerkezetet tárgyalja, emelt szinten az atompályákig és az alhéjakig. A végén két kísérlet (lángfestés, radioaktív nyomjelzés) és öt kidolgozott feladat jön. A periódusos rendszer tendenciái (atomméret, ionizációs energia, elektronegativitás) a következő tétel témája, itt csak annyi szerepel belőlük, amennyi az elektronszerkezethez kell.

2. Az atom felépítése

Az atom a kémiai elem legkisebb része, amely még az elemre jellemző. Két fő része van: a pozitív töltésű atommag és a negatív töltésű elektronfelhő (az elektronok által betöltött tér az atommag körül).

Az atommag és az elektronfelhő

Az atom szinte teljes tömege az atommagban van, pedig a mag nagyon kicsi. Az atommag átmérője nagyjából tízezred-százezred része az atom átmérőjének. Ha az atomot egy focistadionra nagyítanád, a mag egy borsószem lenne a kezdőkörben. Az atom térfogatát tehát gyakorlatilag az elektronfelhő adja.

Az atommagban vannak a protonok és a neutronok, az elektronfelhőben az elektronok. A kémiai reakciókban csak az elektronfelhő változik, az atommag változatlan marad. Ezért marad a reakció után is ugyanaz az elem: a vasból vas lesz, csak más kötésben.

Az elemi részecskék: proton, neutron, elektron

A három elemi részecske töltése és tömege a vizsgán alapadat:

A proton és a neutron tömege közel azonos. Az elektron tömege a protonénak csak kb. 1836-od része, ezért az atom tömegének számolásánál elhanyagoljuk. Elhanyagolható, de nem nulla.

Az atom semleges. A protonok és az elektronok száma egyenlő, így a pozitív és a negatív töltés kiegyenlíti egymást. Ha az atom elektront ad le vagy vesz fel, ion lesz belőle. A protonszám ilyenkor sem változik.

Rendszám, tömegszám, nukleonok

A rendszám (Z) az atommagban lévő protonok száma. Ez határozza meg, melyik elemről van szó: minden 6-os rendszámú atom szénatom. Semleges atomban az elektronok száma is egyenlő a rendszámmal.

A protonokat és a neutronokat együtt nukleonoknak (magrészecskéknek) hívjuk. A tömegszám (A) a nukleonok száma, vagyis a protonok és a neutronok számának összege:

A = Z + N        (N = neutronszám)
N = A - Z

A jelölésben a tömegszám bal felül, a rendszám bal alul áll: ²³₁₁Na. Ebből leolvasod: 11 proton, 23 - 11 = 12 neutron, és semleges atomban 11 elektron. Ionnál az elektronszám más: a ³⁷Cl⁻ ionban 17 proton, 20 neutron és 18 elektron van, a ²⁷Al³⁺ ionban 13 proton, 14 neutron és 10 elektron.

3. Elem, izotóp, relatív atomtömeg

Az elem és az izotóp fogalma ugyanarra a kérdésre felel: mitől ugyanaz két atom, és miben különbözhetnek mégis.

Az elem fogalma és a vegyjel

Ma elemnek az azonos rendszámú atomokból álló anyagot nevezzük. Az elem jele a vegyjel: egy nagybetű, vagy egy nagybetű és egy kisbetű (C, Ca, Cl). A vegyjel jelenti az elemet, egy atomját, és képletekben egy mól atomját is.

Az elem fogalma a tudomány fejlődésével változott. Sokáig azt tartották elemnek, amit kémiai úton nem lehet egyszerűbb anyagokra bontani. Ez a meghatározás a kor mérési lehetőségein múlt. Lavoisier 1789-es listáján 33 „elem” szerepelt, köztük a fény és a hőanyag, amelyekről később kiderült, hogy nem anyagok. Dalton atomelmélete után az elemet az azonos atomokból álló anyagnak tekintették, és az atomokat a tömegük alapján különböztették meg. Az izotópok felfedezése megmutatta, hogy egy elem atomjainak tömege különbözhet. A 20. század elejétől ezért az elemet az atommag töltése, vagyis a rendszám határozza meg.

Izotópok

Az izotópok azonos rendszámú, de eltérő tömegszámú atomok. Ugyanannyi protonjuk van, de a neutronszámuk különbözik. Mivel ugyanannyi elektronjuk van, elektronszerkezetük azonos, ezért kémiai tulajdonságaik gyakorlatilag azonosak. A tömegük viszont eltér, így egyes fizikai tulajdonságaik (sűrűség, diffúziósebesség) különböznek.

A hidrogénnek három izotópja van:

• ¹H (prócium): 1 proton, 0 neutron;
• ²H vagy D (deutérium): 1 proton, 1 neutron;
• ³H vagy T (trícium): 1 proton, 2 neutron, radioaktív.

A deutériumból álló víz a nehézvíz, D₂O. Moláris tömege 20,0 g/mol, a közönséges vízé 18,0 g/mol. A szénnek két stabil izotópja a ¹²C és a ¹³C, és létezik a radioaktív ¹⁴C is. A klór két stabil izotópja a ³⁵Cl és a ³⁷Cl.

Az izotóp szó az atomfajtát jelöli, az elem pedig az összes izotóp együttese. Egy elem lehet egyetlen izotópból álló is, de a legtöbb elem izotópok keveréke.

Tömegszám és relatív atomtömeg

A relatív atomtömeg (Aᵣ) megmutatja, hogy az elem atomjainak átlagos tömege hányszorosa a ¹²C szénizotóp atomja tömegének 1/12-ed részének. Mértékegysége nincs. A számértéke megegyezik a moláris tömeggel g/mol-ban (Aᵣ(Cl) = 35,5, M(Cl) = 35,5 g/mol).

A tömegszám és a relatív atomtömeg nem ugyanaz:

• a tömegszám egy adott izotópra vonatkozik, mindig egész szám, és nukleonokat számol;
• a relatív atomtömeg az elemre vonatkozik, és az izotópok gyakoriságával súlyozott átlag, ezért általában nem egész szám.

Az izotópok relatív tömege közel esik a tömegszámukhoz. Középiskolai számolásban ezért a súlyozott átlagot a tömegszámokkal számoljuk:

Aᵣ ≈ x₁ · A₁ + x₂ · A₂        (x = az izotóp előfordulási aránya, x₁ + x₂ = 1)

A klór relatív atomtömege azért 35,5, mert a természetes klórban sok ³⁵Cl és kevesebb ³⁷Cl van. Az átlag a gyakoribb izotóphoz esik közelebb. Ezt a 7. szakasz első két feladata végigszámolja.

Radioaktív izotópok és alkalmazásuk

A radioaktív izotópok atommagja nem stabil: magától elbomlik, és közben sugárzást bocsát ki. Az alfa- és a béta-bomlás során más elem atomja keletkezik. A bomlás sebességét a felezési idő jellemzi: ennyi idő alatt bomlik el a radioaktív atomok fele. A felezési idő az izotópra jellemző, és gyakorlatilag nem függ attól, milyen vegyületben van az atom.

A radioaktív izotópok fő alkalmazásai:

• gyógyászat: a ¹³¹I radioaktív jódizotóp a pajzsmirigy vizsgálatára és kezelésére, a ⁶⁰Co kobaltizotóp sugárzása daganatok besugárzására szolgál;
• műszaki élet: anyagvastagság mérése, hegesztési varratok és öntvények belső hibáinak felderítése sugárzással, nyomjelzés csővezetékekben;
• kormeghatározás: a ¹⁴C radioaktív szénizotóp alapján.

A radiokarbon-kormeghatározás elve: a ¹⁴C a légkörben folyamatosan keletkezik a nitrogénből. Az élő szervezet a szén-dioxiddal ezt is felveszi, így benne a ¹⁴C aránya állandó. Az elpusztult szervezet már nem vesz fel szenet, a benne lévő ¹⁴C pedig lassan elbomlik. A ¹⁴C felezési ideje nagyjából 5700 év. A maradék ¹⁴C arányából kiszámítható, mikor pusztult el az élőlény. A keletkezés és a bomlás magegyenlete (a felső szám a tömegszám, az alsó a töltés, mindkettő megmarad):

¹⁴₇N + ¹₀n -> ¹⁴₆C + ¹₁p        (keletkezés a légkörben)
¹⁴₆C -> ¹⁴₇N + ⁰₋₁e             (bomlás: egy neutron protonná alakul)

4. Tudósok, akiket ismerni kell

A követelmény három tudós munkásságát nevezi meg ebben a témában. A vizsgán nem életrajz kell, hanem az, hogy mit adtak a kémiának.

Berzelius: vegyjel, atomelmélet, fogalmak

Jöns Jakob Berzelius (1779-1848) svéd vegyész. Az ő rendszere a mai vegyjelírás alapja: az elemeket a latin nevük kezdőbetűjével, szükség esetén egy második betűvel jelölte (O, Fe, Cu). A vegyjeleket 1813-1814-ben közölte. Képleteiben számokkal jelölte az atomok arányát, ebből lett a mai képletírás.

Berzelius pontos méréseivel sok elem atomtömegét meghatározta, és atomtömeg-táblázatot készített. Ezzel kísérleti alapot adott Dalton atomelméletének. Továbbfejlesztette a kémiai elemzés (analízis) eljárásait. Elemeket is felfedezett vagy állított elő elsőként, például a cériumot, a szelént, a tóriumot és a szilíciumot. Tőle származik több ma is használt fogalom: katalízis, izoméria, polimer, allotrópia, protein. Emiatt mondjuk, hogy a mai kémia nyelvét nagyrészt ő alakította ki.

A Curie házaspár: a radioaktivitás

Marie Curie (született Maria Skłodowska, lengyel származású) és férje, Pierre Curie a radioaktív sugárzást vizsgálták. 1898-ban két új, radioaktív elemet fedeztek fel: a polóniumot (Marie hazájáról, Lengyelországról nevezték el) és a rádiumot. A „radioaktivitás” kifejezést ők vezették be.

1903-ban Henri Becquerellel közösen fizikai Nobel-díjat kaptak a sugárzás kutatásáért. Marie Curie 1911-ben kémiai Nobel-díjat is kapott a rádium és a polónium felfedezéséért. Munkájuk jelentősége: megmutatták, hogy a sugárzás az atomok tulajdonsága. Ebből következett, hogy az atom nem oszthatatlan, hanem belső szerkezete van.

Hevesy György: az izotópos nyomjelzés

Hevesy György (1885-1966) budapesti születésű vegyész. Ő dolgozta ki az izotópos nyomjelzés módszerét. Az elve: egy elem radioaktív izotópja kémiailag ugyanúgy viselkedik, mint a stabil, de a sugárzása miatt mérhető, hol van. Kevés radioaktív atomot keverve az anyaghoz követni lehet az anyag útját egy folyamatban.

Az első biológiai nyomjelzéses kísérletben (1923) ólom radioaktív izotópjával követte, hogyan veszi fel és szállítja az ólmot a babnövény. Később állatok és az ember anyagcseréjét is így vizsgálták. Munkásságáért az 1943-as kémiai Nobel-díjat kapta, amelyet 1944-ben ítéltek oda neki. Dirk Costerrel közösen felfedezte a hafniumot is, amelyet Koppenhága latin nevéről neveztek el. A nyomjelzés ma az orvosi diagnosztika és a biokémia alapvető módszere.

5. Az elektronszerkezet

Az elektronok nem összevissza vannak az atommag körül, hanem meghatározott energiájú állapotokban. Az elektronszerkezet azt mondja meg, melyik elektron hol és milyen energiával van. Ebből következik az elem kémiai viselkedése.

Héjak és maximális elektronszám

Az elektronok elektronhéjakon helyezkednek el. A héjakat belülről kifelé számozzuk (n = 1, 2, 3, 4...), vagy betűvel jelöljük: K, L, M, N. A magtól távolabbi héjon nagyobb az elektron energiája.

Egy héjon legfeljebb 2n² elektron lehet:

• K héj (n = 1): 2 elektron;
• L héj (n = 2): 8 elektron;
• M héj (n = 3): 18 elektron;
• N héj (n = 4): 32 elektron.

A telített héj a maximális elektronszámot tartalmazza. A telítetlen héj kevesebbet. Figyelj: az argon M héján 8 elektron van, de az M héj 18 elektront fogadhat, tehát az argon M héja nem telített.

Atompályák és alhéjak: s, p, d, f

Az elektron helyét nem lehet pontosan megadni, csak azt, hol tartózkodik nagy valószínűséggel. Az atompálya az atommag körüli térrész, ahol az elektron nagy (kb. 90%-os) valószínűséggel megtalálható. Egy atompályán legfeljebb 2 elektron lehet.

A pályák alakjuk és energiájuk szerint négyfélék:

• s-pálya: gömb alakú, a mag a középpontjában van;
• p-pálya: két, a mag két oldalán elhelyezkedő, csepp alakú részből áll (súlyzószerű). Héjanként három p-pálya van, tengelyeik egymásra merőlegesek (pₓ, p_y, p_z);
• d-pálya: bonyolultabb alakú, héjanként öt van belőle;
• f-pálya: héjanként hét van belőle.

Az azonos héjhoz tartozó, azonos típusú pályák együtt egy alhéjat alkotnak. Az alhéjak maximális elektronszáma: s 2, p 6, d 10, f 14. Az n-edik héjon n féle alhéj van: a K héjon csak 1s, az L héjon 2s és 2p, az M héjon 3s, 3p és 3d, az N héjon 4s, 4p, 4d és 4f. Az M héj 18 elektronja így jön ki: 2 + 6 + 10.

Az energiaminimum elve, a Pauli-elv és a Hund-szabály

Három szabály dönti el, hogyan helyezkednek el az elektronok az alapállapotú atomban (a legkisebb energiájú, stabil állapotban).

1. Energiaminimum elve: az elektronok a lehető legkisebb energiájú pályákat töltik be először. Az atom így a legstabilabb.
2. Pauli-elv: egy atompályán legfeljebb két elektron lehet, és ezek spinje (saját forgásához köthető mágneses tulajdonsága) ellentétes. Az egy pályán lévő két elektron az elektronpár.
3. Hund-szabály: az azonos energiájú pályákon (például a három 2p-pályán) az elektronok először egyenként, azonos spinnel helyezkednek el. Csak akkor párosodnak, ha minden pályán van már egy. Az egyedül álló elektron a párosítatlan (pár nélküli) elektron.

A nitrogén példáján, cellás ábrázolással (minden zárójel egy pálya, a nyíl egy elektron, a nyíl iránya a spin):

N (Z = 7):   1s [↑↓]   2s [↑↓]   2p [↑ ][↑ ][↑ ]

A három 2p-elektron három külön pályán van, azonos spinnel. A nitrogénatomnak ezért 3 párosítatlan elektronja van, nem egy pár és egy magányos elektron.

Az alhéjak energiasorrendje és a kiépülés

Az alhéjak energiája nem pontosan a héjak sorrendjét követi. A 4s alhéj energiája kisebb, mint a 3d-é, ezért a 4s előbb telik be. Az alhéjak betöltődési sorrendje:

1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 4f < 5d < 6p

Ebből következik a periódusos rendszer szerkezete. A káliumnál és a kalciumnál a 19. és 20. elektron a 4s alhéjra kerül, nem a 3d-re. A skandiumtól (Z = 21) a cinkig (Z = 30) a 3d alhéj töltődik, ezek a d-mező elemei. A galliumtól a kriptonig a 4p alhéj épül ki.

Az elektronszerkezet felírása az első négy periódusban

A teljes elektronszerkezet felírásakor minden alhéj után felső indexben írod az elektronok számát. A felírás sorrendje szokás szerint héjanként halad (a 3d a 4s elé kerül), de a betöltés sorrendje az előző alszakaszé.

H   (Z = 1):   1s¹
O   (Z = 8):   1s² 2s² 2p⁴
Na  (Z = 11):  1s² 2s² 2p⁶ 3s¹
S   (Z = 16):  1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁴
Ar  (Z = 18):  1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶
K   (Z = 19):  1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s¹
Ca  (Z = 20):  1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s²
Fe  (Z = 26):  1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁶ 4s²
Zn  (Z = 30):  1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s²
Br  (Z = 35):  1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁵

Rövidebb a nemesgáz-törzses felírás: a belső elektronokat a megelőző nemesgáz vegyjelével jelölöd szögletes zárójelben. Fe: [Ar] 3d⁶ 4s². Br: [Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p⁵. Az ellenőrzés mindig ugyanaz: a felső indexek összege egyenlő a rendszámmal.

Kivételek: a króm és a réz

Az első négy periódusban két elem tér el a betöltési sorrendből: a króm és a réz. Mindkettőnél egy elektron a 4s alhéjról a 3d alhéjra kerül:

Cr  (Z = 24):  [Ar] 3d⁵ 4s¹        (nem 3d⁴ 4s²)
Cu  (Z = 29):  [Ar] 3d¹⁰ 4s¹       (nem 3d⁹ 4s²)

Az ok: a félig betöltött (d⁵) és a teljesen betöltött (d¹⁰) alhéj különösen kedvező energiájú. A 3d és a 4s alhéj energiája közel van egymáshoz, ezért egy elektron átrendeződése kisebb összenergiát ad. A króm így 6 párosítatlan elektront tartalmaz (öt 3d és egy 4s), a réz 1-et.

Vegyértékelektronok, atomtörzs, nemesgázszerkezet

A vegyértékelektronok a kémiai kötések kialakításában részt vevő elektronok. A főcsoportok elemeinél ezek a legkülső héj elektronjai, és számuk megegyezik a főcsoport számával (I-VIII. főcsoport; kivétel a hélium, amelynek 2 vegyértékelektronja van). A d-mező elemeinél a külső s-elektronok mellett a belső d-alhéj elektronjai is vegyértékelektronok. Vegyértékelektron-szerkezet: S: 3s² 3p⁴ (6 vegyértékelektron), Fe: 3d⁶ 4s² (8 vegyértékelektron).

Az atomtörzs az atommag és a belső, nem vegyértékelektronok együttese. A nátriumatom atomtörzse a mag és az 1s² 2s² 2p⁶ elektronok, ezen kívül egyetlen 3s vegyértékelektronja van.

A nemesgázszerkezet a nemesgázatomok elektronszerkezete: a legkülső héjon 8 elektron (s² p⁶), a héliumnál 2. Ez különösen stabil elektronszerkezet. Más atomok elektron leadásával vagy felvételével, illetve közös elektronpárokkal érhetik el. Ne keverd össze a telített héjjal: a nemesgázszerkezet a külső 8 elektronról szól, a telített héj a 2n² elektronról.

Párosítatlan elektronok, telített héjak és alhéjak megszámolása

Az emelt írásbeli rendszeresen kérdezi a párosítatlan elektronok, a telített héjak és a telített alhéjak számát. Mindhárom a teljes elektronszerkezetből számolható.

• Párosítatlan elektronok: csak a nem teljesen betöltött alhéjakat kell nézni, a Hund-szabály szerint. Egy p-alhéjon 1, 2, 3, 4, 5 elektron mellett 1, 2, 3, 2, 1 a párosítatlan elektron. Egy d-alhéjon 1-5 elektron mind párosítatlan, 6 elektron mellett már csak 4. A vasnál (3d⁶) ezért 4 párosítatlan elektron van.
• Telített héj: amelyik héjon pontosan 2n² elektron van. A vasnál a K és az L héj telített, az M (3s² 3p⁶ 3d⁶, összesen 14 elektron) nem. A cinknél a K, az L és az M héj is telített.
• Telített alhéj: s², p⁶, d¹⁰, f¹⁴. A kriptonnak 8 telített alhéja van (1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 3d, 4s, 4p), a kalciumnak 6, a szilíciumnak 4.

Néhány eredmény, amit érdemes fejből tudni: a hidrogénnek 1, a kalciumnak 0, az oxigénnek 2, a foszfornak 3 párosítatlan elektronja van. A harmadik periódusban a foszforé a legtöbb.

Alapállapot és gerjesztett állapot

Az alapállapotú atom elektronjai a lehető legkisebb energiájú pályákon vannak. Ha az atom energiát vesz fel (hő, fény, elektromos kisülés), egy elektronja nagyobb energiájú pályára kerülhet. Ez a gerjesztett atom. A gerjesztett állapot nem stabil. Az elektron rövid időn belül visszakerül az alacsonyabb energiájú pályára, és a felvett energiát fény formájában kisugározza.

A kisugárzott fény energiája egyenlő a két állapot energiájának különbségével, a gerjesztési energiával. Ez minden elemre jellemző érték. Ha a fény a látható tartományba esik, színt látunk: ez a lángfestés magyarázata (6. szakasz).

A gerjesztés a kötések magyarázatában is szerepet kap. A szénatom alapállapotban 1s² 2s² 2p², vagyis 2 párosítatlan elektronja van. Gerjesztett állapotban egy 2s-elektron a 2p alhéjra lép: 1s² 2s¹ 2p³. Így 4 párosítatlan elektronja lesz, és ezért létesít a vegyületeiben 4 kovalens kötést.

6. Kísérletek

A hivatalos 2026-os kísérletlista egyetlen kísérletet sem rendel közvetlenül ehhez a témához. Az atomszerkezethez két kísérlet kapcsolódik szorosan: a lángfestés, amely az s-mező fémeinél a hivatalos követelmény része, és a radioaktív nyomjelzés gondolatkísérlete. Mindkettőnél az a lényeg, hogy a tapasztalatot az elektronszerkezetből, illetve az izotópok tulajdonságaiból magyarázd.

Lángfestés: a gerjesztett atom láthatóvá válik

Anyagok és eszközök: szilárd nátrium-klorid (NaCl), kálium-klorid (KCl), kalcium-klorid (CaCl₂) és réz(II)-szulfát (CuSO₄), mindegyik külön óraüvegen; kb. 1 mol/dm³-es sósav főzőpohárban; parafadugóba szúrt vasdrót (fogóként); gázégő vagy borszeszégő; gyufa; védőszemüveg.

A kísérlet lépései:

1. Gyújtsd meg az égőt.
2. Mártsd a vasdrót végét a sósavba, majd tartsd a lángba, amíg már nem színezi a lángot. Ez megtisztítja a drótot.
3. Mártsd a nedves drótvéget az egyik sóba, hogy néhány szemcse rátapadjon.
4. Tartsd a drót végét a láng szélébe, és figyeld a láng színét.
5. Minden új só előtt ismételd meg a sósavas tisztítást.

Balesetvédelem: a hosszú hajat fogd össze, éghető anyag ne legyen a láng közelében. A drótot csak a parafadugónál fogd, mert gyorsan felmelegszik. A sósav maró hatású: szembe, bőrre ne kerüljön, ha mégis, bő vízzel mosd le. Védőszemüveg kötelező. A réztartalmú hulladék a szervetlen hulladékgyűjtőbe kerül.

Tapasztalat: a nátrium-klorid sárgára, a kalcium-klorid téglavörösre, a réz(II)-szulfát zöldre, a kálium-klorid fakóibolyára festi a lángot. A kálium színét a nátriumszennyezés sárgája könnyen elnyomja, ezért kobaltüvegen át szokás nézni, amely a sárga fényt kiszűri.

KépekLángfestés: a négy só színe

Ugyanaz az égő, ugyanaz a drót, csak a só más. A szín a fémre jellemző: a gerjesztett fématom visszatéréskor ilyen színű fényt sugároz ki.

Forrás: Fotó: S k y r, CC BY 4.0, Wikimedia Commons

Magyarázat: a láng hőjén a só kis része atomokra bomlik (atomizálódik). A fématomok egyik elektronja energiát vesz fel, és nagyobb energiájú pályára lép: az atom gerjesztett állapotba kerül. A gerjesztett állapot nem stabil, az elektron visszalép, és a felvett energiát fényként kisugározza. A kisugárzott fény energiája a gerjesztési energia, ez minden elemre más, ezért a szín az elemre jellemző. A szín a fémtől függ, nem a savmaradéktól: a NaCl és a Na₂SO₄ is sárga lángot ad.

A folyamat vázlata a nátriumra (nem kémiai reakció, nem keletkezik új anyag):

Na (alapállapot) + energia -> Na* (gerjesztett)
Na* -> Na (alapállapot) + fény (sárga)

Várható eredmény becslése. Leírt kísérlet: egy ismeretlen fehér sót sósavval megnedvesített drótra veszel, és lángba tartod. A láng erős sárga színű lesz. Mit állíthatsz, és mit nem?

• Állíthatod: a só nátriumot tartalmaz, mert a sárga lángfestés a nátriumra jellemző.
• Nem állíthatod, mi az anion: a lángfestés csak a fémet mutatja ki. Az anionhoz külön kémcsőreakció kell.
• A fény színéből a gerjesztési energiára is következtethetsz. A rövidebb hullámhosszú fény (a zöld, az ibolya) nagyobb energiájú, mint a hosszabb hullámhosszú (a sárga, a vörös). A réz zöld fénye tehát nagyobb gerjesztési energiát jelez, mint a nátrium sárgája, a kalcium vörös fénye pedig kisebbet.

Leírt kísérlet: radioaktív nyomjelzés növényben

A kísérlet leírása: egy babnövény gyökerét olyan híg ólom(II)-nitrát-oldatba, Pb(NO₃)₂-oldatba állítják, amelyben az ólomatomok kis része radioaktív ólomizotóp. Néhány óra, majd néhány nap múlva sugárzásmérővel megmérik a gyökér, a szár és a levelek sugárzását. Iskolai laborban ez nem végezhető el, mert az ólomsók mérgezők, és a radioaktív anyag külön engedélyt kér.

Várható eredmény: először a gyökérben mérhető sugárzás, később egyre inkább a szárban és a levelekben is. A sugárzás erőssége arányos az odajutott ólom mennyiségével.

Magyarázat: a radioaktív és a stabil ólomizotóp elektronszerkezete azonos, ezért kémiailag ugyanúgy viselkednek. A növény nem tudja megkülönböztetni őket, ugyanolyan arányban veszi fel és szállítja mindkettőt. A radioaktív atom viszont sugárzásával jelzi a helyét. Ezért elég kevés radioaktív izotóp ahhoz, hogy az összes ólom útját kövessük. Ez Hevesy György izotópos nyomjelzésének elve.

Mi lenne, ha a radioaktív ólom helyett radioaktív jódot adnánk ugyanígy a növénynek? A mérés akkor a jód útját mutatná, nem az ólomét. A nyomjelzés mindig annak az elemnek a mozgását követi, amelyiknek az izotópját használjuk.

7. Problémamegoldás

Számolásnál a függvénytáblázat relatív atomtömegeivel dolgozz (H 1,0; O 16,0; Cl 35,5), az Avogadro-állandó 6,02 · 10²³ 1/mol. A végeredményt annyi értékes jegyre kerekítsd, amennyi a legkevésbé pontos adaté. A puszta végeredményért az írásbelin legfeljebb 1-2 pont jár, a levezetés lépései adják a pontot.

1. feladat: relatív atomtömeg az izotóp-összetételből

Feladat: a természetes klór 75,8%-a ³⁵Cl, 24,2%-a ³⁷Cl izotóp. Számítsd ki a klór relatív atomtömegét!

Megoldás:

1. A relatív atomtömeg az izotópok tömegszámának gyakorisággal súlyozott átlaga.
2. Aᵣ = 0,758 · 35 + 0,242 · 37 = 26,53 + 8,954 = 35,484
3. Kerekítve: Aᵣ(Cl) = 35,5.

Ellenőrzés: az eredmény a két tömegszám közé esik, és a gyakoribb ³⁵Cl-hez van közelebb. Egyezik a függvénytáblázat értékével. Az adatok 3 értékes jegyűek, ezért 3 értékes jegyre kerekítünk.

2. feladat: izotóp-összetétel a relatív atomtömegből

Feladat: a bórnak két stabil izotópja van, a ¹⁰B és a ¹¹B. A bór relatív atomtömege 10,8. Hány százalék a ¹⁰B izotóp aránya a természetes bórban?

Megoldás:

1. Legyen a ¹⁰B aránya x, ekkor a ¹¹B aránya 1 - x.
2. A súlyozott átlag: 10 · x + 11 · (1 - x) = 10,8
3. 11 - x = 10,8, ebből x = 0,200.
4. A természetes bór 20,0%-a ¹⁰B és 80,0%-a ¹¹B.

Ellenőrzés: a relatív atomtömeg (10,8) a 11-hez van közelebb, tehát a ¹¹B a gyakoribb. Ez egyezik az eredménnyel. Gyakori hiba, hogy valaki a két arányt felcseréli: ezt az ellenőrzés kiszűri.

3. feladat: részecskék száma vízben és nehézvízben

Feladat: van 9,00 g közönséges víz (¹H₂¹⁶O) és 9,00 g nehézvíz (D₂O, ²H₂¹⁶O). Melyikben van több proton, több neutron, illetve több elektron? Add meg a számukat!

Megoldás:

1. Egy molekula részecskéi. ¹H₂¹⁶O: 2 · 1 + 8 = 10 proton, 2 · 0 + 8 = 8 neutron, 10 elektron. D₂O: 10 proton, 2 · 1 + 8 = 10 neutron, 10 elektron.
2. Moláris tömegek: M(H₂O) = 18,0 g/mol, M(D₂O) = 2 · 2,0 + 16,0 = 20,0 g/mol.
3. Anyagmennyiségek: n(H₂O) = 9,00 g / 18,0 g/mol = 0,500 mol; n(D₂O) = 9,00 g / 20,0 g/mol = 0,450 mol.
4. Víz: protonok 0,500 mol · 10 = 5,00 mol, azaz 5,00 mol · 6,02 · 10²³ 1/mol = 3,01 · 10²⁴; neutronok 4,00 mol, azaz 2,41 · 10²⁴; elektronok ugyanannyi, mint a proton, 3,01 · 10²⁴.
5. Nehézvíz: protonok 0,450 mol · 10 = 4,50 mol, azaz 2,71 · 10²⁴; neutronok szintén 4,50 mol, azaz 2,71 · 10²⁴; elektronok 2,71 · 10²⁴.

Válasz: a közönséges vízben több a proton és az elektron, a nehézvízben több a neutron. Az ok: azonos tömegben kevesebb nehézvíz-molekula van, de egy nehézvíz-molekulában 2-vel több a neutron.

4. feladat: elektronszerkezet elemzése

Feladat: a) Melyik elem vegyértékelektron-szerkezete 3s² 3p⁴? Hány telített héja és hány párosítatlan elektronja van alapállapotú atomjának? b) Hány párosítatlan elektronja és hány telített héja van az alapállapotú vasatomnak? c) A cérium alapállapotú atomjának elektronszerkezete [Xe] 4f¹ 5d¹ 6s². Hány telített héja és hány párosítatlan elektronja van?

Megoldás:

1. a) A 3. héj a külső héj, tehát a 3. periódus eleme. Elektronszáma 2 + 8 + 6 = 16, ez a kén (S). Teljes szerkezet: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁴. Telített héj: a K (2) és az L (8), tehát 2. A 3p⁴ alhéjon a Hund-szabály szerint 2 elektron párban van, 2 párosítatlan: 2 párosítatlan elektron.
2. b) Fe: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁶ 4s². A 3d⁶: öt pályán először 5 elektron egyenként, a hatodik párosodik, így 4 párosítatlan elektron. Telített héj: K és L, tehát 2. Az M héjon 14 elektron van a lehetséges 18-ból.
3. c) A xenon szerkezete 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 5s² 5p⁶. Telített: K (2), L (8), M (18). Az N héj 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f¹, ez 32 helyett 19 elektron, nem telített. Tehát 3 telített héj. Párosítatlan: a 4f¹ és az 5d¹ elektron, tehát 2.

Tanulság: a telített héj számolásánál mindig a 2n²-et nézd, ne azt, hogy a héj „kívülről nézve” nemesgázszerkezetű-e.

5. feladat: felezési idő és kormeghatározás

Feladat: a ¹⁴C felezési ideje kb. 5700 év. Egy régészeti faleletben a ¹⁴C aránya az élő fáénak 25,0%-a. Körülbelül hány éves a lelet? Mennyi ¹⁴C marad még egy felezési idő után?

Megoldás:

1. Egy felezési idő alatt a radioaktív atomok fele bomlik el: 100% -> 50,0%.
2. Két felezési idő alatt: 50,0% -> 25,0%.
3. A lelet kora tehát 2 · 5700 év = kb. 11 400 év.
4. Még egy felezési idő után a ¹⁴C aránya 25,0% / 2 = 12,5% lesz.

Figyelj: két felezési idő alatt nem fogy el a ¹⁴C, csak a negyedére csökken. A felezés mindig a még meglévő mennyiségre vonatkozik.

8. Kapcsolódások

A szóbeli tételben a szerves és a szervetlen kémia keveredik, ezért az atomszerkezetet mindkét irányba kapcsolni kell.

Szerves kémia. A szénatom gerjesztett állapotban 4 párosítatlan elektront tartalmaz, ezért négy kovalens kötést létesít, például a metánban, CH₄. Ez a szerves vegyületek sokféleségének alapja. A ¹⁴C-es kormeghatározás szerves anyagokra (fa, csont, textil) működik, mert ezek szenét egykor élő szervezet vette fel. Az izotópos nyomjelzés a szerves reakciók mechanizmusát is felderíti. Ha az alkohol oxigénjét ¹⁸O izotóppal jelölik, az észterképzés után a jelölt oxigén az észterben található, nem a vízben. Ebből tudjuk, hogy a víz oxigénje a karbonsavból származik.

Szervetlen kémia. Az elektronszerkezetből következik az elemek viselkedése. A nátrium egyetlen 3s-elektronját könnyen leadja, és nemesgázszerkezetű Na⁺ ion lesz. A klór egy elektron felvételével éri el az argon szerkezetét, Cl⁻ ion lesz. A nemesgázok telített külső alhéjai magyarázzák a kis reakciókészségüket. A d-mező fémeinél (vas, réz, króm) a párosítatlan elektronok száma és a több lehetséges oxidációs szám a d-alhéj betöltöttségéből jön. A lángfestés az alkálifémek és több alkáliföldfém kimutatásának módja (a berillium és a magnézium nem festi a lángot). A hidrogén izotópjai, a deutérium és a trícium, a hidrogén tételének részei.

9. Tipikus hibák

• Tömegszám és relatív atomtömeg összekeverése. A tömegszám egy izotópra vonatkozik és egész szám (³⁵Cl: 35). A relatív atomtömeg az elem átlaga, és nem egész (Cl: 35,5).
• „Az argon M héja telített.” Nem az: az M héj 18 elektront fogadhat, az argonén 8 van. A nemesgázszerkezet (külső 8 elektron) nem azonos a telített héjjal (2n² elektron).
• A 3d a 4s előtt töltődik. Fordítva: a 4s kisebb energiájú, előbb telik be. A K és a Ca 19. és 20. elektronja a 4s-re kerül.
• A króm és a réz kivételének elfelejtése. Cr: [Ar] 3d⁵ 4s¹, Cu: [Ar] 3d¹⁰ 4s¹. Ha a szabályos sorrendet írod, rossz lesz a párosítatlan elektronok száma is.
• A Hund-szabály megszegése. A nitrogén 2p³ alhéján 3 párosítatlan elektron van, nem egy pár és egy egyedül álló. A vas 3d⁶ alhéján 4 párosítatlan elektron van, nem 2.
• „Az izotópok kémiai tulajdonsága különbözik.” Nem: elektronszerkezetük azonos, ezért kémiailag ugyanúgy viselkednek. A tömegükben és az ebből adódó fizikai tulajdonságokban térnek el.
• Az ion elektronszámának elszámolása. A ³⁷Cl⁻ ionban 18 elektron van, nem 17. A pozitív ion elektront adott le, a negatív felvett. A protonszám és a neutronszám ionnál sem változik.
• A d-mező vegyértékelektronjainak kihagyása. A vasnak 8 vegyértékelektronja van (3d⁶ 4s²), nem 2.

10. Jelentőség

Az atomszerkezet a kémia nyelvtana. Az elektronszerkezetből vezethető le a periódusos rendszer felépítése, az elemek fémes vagy nemfémes jellege, a kötések száma és típusa, a molekulák alakja. A következő tételek (periódusos rendszer, kémiai kötések, molekulák) mind erre épülnek.

A hétköznapokban is találkozol vele. A tűzijáték színei a fémsók lángfestéséből jönnek, a sós víz sárga lángja a gáztűzhelyen a nátrium lángfestése. Az orvosi izotópvizsgálatok (például a pajzsmirigyé) Hevesy György nyomjelzéses módszerére épülnek. A régészeti leletek korát a ¹⁴C-es kormeghatározás adja meg. Az elemek színképe alapján a csillagok anyagi összetétele is meghatározható.

11. Összefoglaló

• Az atom pozitív atommagból (protonok, neutronok) és negatív elektronfelhőből áll. A tömeg szinte teljes egészében a magban van, a térfogatot az elektronfelhő adja.
• A proton relatív töltése +1, a neutroné 0, az elektroné -1. A proton és a neutron relatív tömege 1, az elektroné elhanyagolható (kb. 1/1840).
• A rendszám a protonok száma, és meghatározza az elemet. A tömegszám a nukleonok (protonok és neutronok) száma: A = Z + N.
• Az izotópok azonos rendszámú, eltérő tömegszámú atomok. Kémiai tulajdonságaik azonosak, tömegük eltér.
• A relatív atomtömeg az izotópok gyakoriságával súlyozott átlag, ezért általában nem egész szám.
• A radioaktív izotópokat a gyógyászatban, a műszaki életben és a kormeghatározásban (¹⁴C) használják.
• Berzelius vezette be a mai vegyjeleket, atomtömegeket mért és több alapfogalmat alkotott. A Curie házaspár fedezte fel a polóniumot és a rádiumot. Hevesy György dolgozta ki az izotópos nyomjelzést (kémiai Nobel-díj, 1943).
• Egy héjon legfeljebb 2n² elektron, egy atompályán legfeljebb 2 elektron lehet. Az alhéjak kapacitása: s 2, p 6, d 10, f 14.
• Az elektronok az energiaminimum elve, a Pauli-elv és a Hund-szabály szerint töltik be a pályákat. A 4s alhéj a 3d előtt töltődik.
• A króm ([Ar] 3d⁵ 4s¹) és a réz ([Ar] 3d¹⁰ 4s¹) eltér a szabályos betöltéstől.
• A gerjesztett atom energiát vett fel, és visszatéréskor fényt sugároz ki. Ezen alapul a lángfestés.

12. Kulcsfogalmak

• Atommag - az atom pozitív töltésű, kis méretű központi része, protonokból és neutronokból áll.
• Nukleon - az atommag részecskéinek (protonnak és neutronnak) közös neve.
• Rendszám - az atommagban lévő protonok száma, ez határozza meg az elemet.
• Tömegszám - a protonok és a neutronok számának összege egy adott izotópban.
• Elem - azonos rendszámú atomokból álló anyag.
• Izotóp - azonos rendszámú, de eltérő tömegszámú (eltérő neutronszámú) atom.
• Relatív atomtömeg - az elem atomjainak átlagos tömege a ¹²C atom tömegének 1/12-éhez viszonyítva.
• Atompálya - az atommag körüli térrész, ahol az elektron nagy (kb. 90%-os) valószínűséggel tartózkodik, legfeljebb 2 elektronnal.
• Alhéj - egy héj azonos típusú (s, p, d vagy f) atompályáinak összessége.
• Pauli-elv - egy atompályán legfeljebb két, ellentétes spinű elektron lehet.
• Hund-szabály - az azonos energiájú pályákat az elektronok először egyenként, azonos spinnel töltik be.
• Párosítatlan elektron - egy atompályán egyedül álló elektron.
• Vegyértékelektron - a kémiai kötés kialakításában részt vevő elektron (főcsoportban a külső héj elektronjai).
• Atomtörzs - az atommag és a belső, nem vegyértékelektronok együttese.
• Gerjesztett atom - energiafelvétel után olyan atom, amelynek egy elektronja nagyobb energiájú pályán van, mint alapállapotban.
• Ne keverd össze: telített héj (2n² elektron van rajta) és nemesgázszerkezet (a külső héjon 8 elektron, a héliumnál 2).

13. Lehetséges vizsgakérdések és rövid válaszok

1. Milyen részecskékből épül fel az atom, és miért semleges?

Az atom atommagból és elektronfelhőből áll. A magban protonok (relatív töltés +1, relatív tömeg 1) és neutronok (töltés 0, tömeg 1) vannak, ezek a nukleonok. Az elektronfelhőben az elektronok (töltés -1, tömegük elhanyagolható) vannak. Az atom azért semleges, mert a protonok és az elektronok száma egyenlő. A protonok száma a rendszám, a nukleonoké a tömegszám.

2. Mi az izotóp, és miért azonos az izotópok kémiai viselkedése?

Az izotópok azonos rendszámú, de eltérő tömegszámú atomok: protonszámuk azonos, neutronszámuk különbözik. Elektronszámuk és elektronszerkezetük azonos. A kémiai viselkedést az elektronszerkezet szabja meg, ezért kémiailag ugyanúgy reagálnak. Tömegük eltér, így egyes fizikai tulajdonságaik különböznek. Példa a hidrogén három izotópja: a prócium, a deutérium és a radioaktív trícium.

3. Mi a különbség a tömegszám és a relatív atomtömeg között?

A tömegszám egy izotóp nukleonjainak száma, ezért mindig egész szám. A relatív atomtömeg az elemre vonatkozik: az izotópok gyakoriságával súlyozott átlagos atomtömeg, a ¹²C atom tömegének 1/12-éhez viszonyítva. Ezért általában nem egész szám. A klórnál a ³⁵Cl és a ³⁷Cl keveréke adja a 35,5-ös értéket. A relatív atomtömeg számértéke egyenlő a moláris tömeggel g/mol-ban.

4. Hogyan épül ki az alapállapotú atom elektronszerkezete?

Az elektronok az energiaminimum elve szerint a legkisebb energiájú szabad pályákat töltik be először. A Pauli-elv szerint egy pályán legfeljebb két, ellentétes spinű elektron lehet. A Hund-szabály szerint az azonos energiájú pályákon először egyenként, azonos spinnel helyezkednek el. Az alhéjak sorrendje 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p: a 4s a 3d előtt töltődik. Az első négy periódusban kivétel a króm (3d⁵ 4s¹) és a réz (3d¹⁰ 4s¹).

5. Hány párosítatlan elektronja és hány telített héja van a vasatomnak?

A vas elektronszerkezete 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁶ 4s². A 3d alhéj öt pályáján a Hund-szabály szerint öt elektron egyenként áll, a hatodik párosodik, így 4 párosítatlan elektron van. Telített héj az, amelyen 2n² elektron van: a K (2) és az L (8). Az M héjon 14 elektron van a lehetséges 18-ból, tehát nem telített. A vasnak 2 telített héja van.

6. Mi a gerjesztett atom, és hogyan magyarázza a lángfestést?

Gerjesztett az az atom, amelynek egy elektronja energiafelvétel után nagyobb energiájú pályára került. Ez az állapot nem stabil, az elektron visszalép, és a felvett energiát fényként kisugározza. A kisugárzott energia, a gerjesztési energia, minden elemre jellemző. Ha a látható tartományba esik, a láng színes lesz: a nátrium sárga, a kalcium téglavörös, a réz zöld, a kálium fakóibolya lángot ad. A lángfestés ezért egyes fémek kimutatására alkalmas.

7. Miért jelentős Hevesy György és a Curie házaspár munkássága?

A Curie házaspár 1898-ban felfedezte a polóniumot és a rádiumot, és bevezette a radioaktivitás fogalmát. Munkájuk megmutatta, hogy az atomnak belső szerkezete van. Hevesy György az izotópos nyomjelzést dolgozta ki: a radioaktív izotóp kémiailag ugyanúgy viselkedik, mint a stabil, de a sugárzása elárulja a helyét. Ezzel követhető egy elem útja élőlényekben és kémiai folyamatokban. Ezért megkapta az 1943-as kémiai Nobel-díjat, és a módszere ma az orvosi diagnosztika egyik alapja.

8. Miért mondjuk, hogy Berzelius munkássága meghatározza a mai kémiát?

Berzelius vezette be a mai vegyjeleket: az elemeket latin nevük kezdőbetűjével, szükség esetén egy második betűvel jelölte, és képleteiben az atomok arányát is feltüntette. Pontos mérésekkel sok elem atomtömegét meghatározta, ezzel megerősítette az atomelméletet. Fejlesztette a kémiai elemzés eljárásait, és elemeket fedezett fel. Ma is használt fogalmakat vezetett be: katalízis, izoméria, polimer, allotrópia. A kémia jelrendszere és szókincse tehát nagyrészt tőle származik.