ATOMEN

Grunden för all kemi är en föreståelse för hur en atom är uppbyggd. Namnet atom betyder odelbar och det var så de första vetenskaps-männen såg det. Idag vet vi att en atom består av ett antal mindre beståndsdelar med specifika egenskaper.

Mycket av diskussionerna i detta avsnitt borde du känna igen från högstadiets kemiundervisning, så förhoppningsvis är inte allt nytt utan bara en repetition. Atomen är så liten att det inte går att se en enskild atom eller delarna i den.  Den rådande atommodellen har dock visat sig hålla mot alla observationer vi kan göra, så det är denna modell av verkligen som all kemiundervisning utgår från.

I atomernas finns det positiva protoner och oladdade neutroner. Dessa står för i stort sett hela atomens massa. Runt dessa rör sig elektroner i olika banor. Dessa har negativ laddning och fösvinnande liten massa i jämförelse med kärnpartiklarna.

Massan hos protoner, neutroner och elektroner är så liten att man istället valt att använda den universella massenehen (u). Massan för protoner och neutroner är då nästan 1 och för elektroner cirka 0,0005 – protoner och neutroner väger alltså nästan 2000 gånger mer än elektronerna.

Alla grundämnen har ett bestämt antal protoner och för att atomen skall vara elektriskt neutral finns det lika många elektroner.  Väte har till exempel en proton och en elektron, kol har sex protoner och sex elektroner. Antalet neutroner kan dock variera för samma grundämne. För att definiera hur atomen är uppbyggd måste vi därför införa några tydliga begrepp:

Atomnummer – visar antalet protoner och neutroner hos atomen
Masstal – den totala massan hos atomen, vilket är summan av massorna hos atomens protoner och neutroner.
Isotop – Detta är varianter av samma grundämne. Väte har till exempel isotoperna 1H, 2H och 3H. 
Nuklid – en bestämd form av en atom där antalet neutroner är definierad. Väte har till exempel nukliderna 1H utan neutroner, 2H med en neutron och 3H med två neutroner.

I tabellen till höger visas några grundämnen och förekomsten av deras vanliga olika isotoper. Det är tydligt att en av nukliderna dominerar och att de andra endast förekommer till liten del. Detta syns också i det periodiska systemet, där masstalet sällan är ett heltal utan ett medelvärde av de olika isotoperna.

Det är oftast enkelt att se vilken isotop som dominerar genom att se på masstalet för grundämnet –  masstalet är ofta nära ett heltal  och då är det bara att avrunda uppåt eller neråt. Vissa grundämnen är lite knepigare, till exempel klor. De flesta tabeller anger masstal runt 35,5 u för klor. Enligt tabllen till höger förekommer det två vanliga nuklider av klor – 35Cl och 37Cl.  Masstalet bräknas då ut enligt följande:

(35 x 0,775) + (37 x 0,245) = 35,5 u

Atomnumret visar bara antalet protoner och elektroner. Masstalet anger atomens totala massa. Är masstalet inte ett heltal finns det olika isotoper av grundämnet.

Elektronskal

Elektronerna rör sig runt atomkärnan med ljusets hastighet (300 000 km/s). Det är därför svårt att ange var en ensklid elektron befinner sig vid en viss tidpunkt. Man tänker sig därför att elektronerna rör sig i olika banor runt kärnan, men eftersom alla elektroner inte kan få plats på samma avstånd från atomkärnan befinner sig dessa på olika energinivåer. Den första energinivån kan bara innehålla två elektroner. Ju längre ut från atomkärnan man kommer desto fler elektroner kan varje ny energinivå innehålla. Tidigare betecknades dessa energinivåer som "skal" där bokstäverna K, L, M, N osv angav hur långt från kärnan elektronerna befann sig. De flesta använder idag istället siffrorna 1, 2, 3 osv.

Man tänka tänka sig denna struktur som en miniatyrvariant av solsystemet – solen i mitten är atomkärnan och planeterna som cirkulerar runt solen är elektronerna. Det mesta i en atom är därför bara tomrum.

Orbitaler

Alla skal utom det innersta är dessutom uppdelade i olika energinivåer inom skalet. Dessa kallas orbitaler. För skal numer två (L-skalet) finns det två orbitaler – s-orbitalen som kan innehålla två elektroner och p-orbitalerna som kan innehålla sex elektroner. Skal nummer tre (M-skalet) har tre orbitaler. Observera att energierna nu börjar överlappa varandra så att den lägsta energinivån i skal fyra har lägre energi än den högsta energinivån i skal nummer tre. 

I orbitalerna rör sig elektronerna i par med olika ritning, men  fördelningen följer "bussprincipen"  – finns det en ledig plats tar den nya elektronen denna. Detta syns tydligt i tabellen nedan. Helium har de båda elektronerna i den innersta s-orbitalen. Beryllium har den andra s-orbitalen fylld. Elektronerna hos bor, kol och kväve hittar lediga platser i p-orbitalerna så det är först med syre som den nya elektronen måste dela plats i en d-orbital.

För att visa hur fördelningen av elektroner ser ut i en atom används skrivsättet längst till höger i tabellen.  1s2 anger att det finns två elektroner i det första skalets s-orbital. 1s2 2s2 2p3 visar att det finns två elektroner i det första skalets s-orbital, två elektroner i det andra skalets s-orbital och tre elektroner i det andra skalets p-orbitaler.

Uppbyggnaden av det periodiska systemet baseras på hur antalet protoner och elektroner ökar för varje nytt grundämne. De ämnen som finns i samma kolumn (grupp) har lika många elektroner i det yttersta skalet. Dessa kallas  valenselektroner och det är egentligen bara dessa som kemister är intresserade av eftersom det är  valenselektronerna som styr alla kemiska reaktioner  och bestämmer de flesta av olika ämnens egenskaper. I det periodiska systemet rader sorteras alla grundämnen som har elektroner i samma skal.

Detta är i grunden samma bild som till vänster, med skillnaden att alla elektroner markerats med en pil i de olika orbitalerna. Här syns det tydligt att  gemensamt för grupp 1 är att de alla har en ensam elektron i det yttersta skalet, i grupp två finns det två elektroner, i grupp tre finns det tre elektroner, osv.

Atomradie

Eftersom elektronerna rör sig så snabbt kan vi inte bestämma exakt var en elektron befinner sig vid ett visst tillfälle, utan  vi kan bara ange en sannolikhet för var elektronenen kan befinna sig.  Detta gör att det är svårt att bestämma hur stor en atom av ett visst grundämne är. 

Det finns anledning att ha ett värde på atomens storlek i många kemiska diskussioner, så för att ändå få ett värde har man bestämt att sätta storleken efter den diameter där 95 % av alla elektroner befinner sig. 

Attraktion och repellering

Elektronerna hålls på plats av attraktionskraften från atomkärnans protoner – olika laddning attraherar ju varandra. Eftersom protoner och elektroner har samma laddning i alla atomer, innebär detta att  de elektroner som befinner sig längst bort från atomkärnan påverkas  minst av atom-kärnans protoner. Ju större atomen är desto svagare hålls alltså valenselektronerna kvar. 

Elektronerna stöter också bort varandra – lika laddning repellerar. Detta innebär att elektronerna försöker placera sig så långt bort från varandra som möjligt

Vänstra bilden visar hur protonerna attraherar elektronerna. Den högra bilden visar hur elektronerna repellerar varandra. 

Du kan ändra denna exempeltext. Lorem ipsum dolor sit amet, consectetuer adipiscing elit. Donec libero. Suspendisse bibendum. Cras id urna. Morbi tincidunt, orci ac convallis aliquam, lectus turpis varius lorem, eu posuere nunc justo tempus leo. Donec mattis, purus nec placerat bibendum, dui pede condimentum odio, ac blandit ante orci ut diam.

Exciterade elektroner

Du kan ändra denna exempeltext. Lorem ipsum dolor sit amet, consectetuer adipiscing elit. Donec libero. Suspendisse bibendum. Cras id urna. Morbi tincidunt, orci ac convallis aliquam, lectus turpis varius lorem, eu posuere nunc justo tempus leo. Donec mattis, purus nec placerat bibendum, dui pede condimentum odio, ac blandit ante orci ut diam.

Du kan ändra denna exempeltext. Lorem ipsum dolor sit amet, consectetuer adipiscing elit. Donec libero. Suspendisse bibendum. Cras id urna. Morbi tincidunt, orci ac convallis aliquam, lectus turpis varius lorem, eu posuere nunc justo tempus leo. Donec mattis, purus nec placerat bibendum, dui pede condimentum odio, ac blandit ante orci ut diam.