Kémiai alapok

A kémia tárgya

A kémia az anyag tulajdonságait és átalakulásait tanulmányozza. Anyagból van minden szilárd tárgy, ami körül vesz minket, de a folyadékok és gázok szintúgy. Sőt, mi magunk is anyagból vagyunk. Csak néhány dolog van körülöttünk, ami nem anyag. Például ilyen a gravitációs erő, ami láthatatlan, de mégiscsak jelen van a szobában, hiszen a padlóra szegez minket. A különböző erőkkel viszont inkább a fizika foglalkozik, és a középiskolai kémia csak érintőlegesen. Az anyag sokfajta tulajdonságát különböztetjük meg. Például kő sűrűbb, mint a víz, ezért a kő elmerül a vízben. Vagy a vas keményebb, mint a jég, ezért is lehet egy vasból készült jégcsákánnyal felkapaszkodni egy jégfalon. Egy jégből készült csákánnyal viszont nem lehet felmászni egy vasfalon. A kémiai átalakulásokra a legkézenfekvőbb példa a fa égése, hiszen ki ne ült volna már tábortűz mellett. A fa egy anyag, amely más anyagokká, például hamuvá alakul át. Az átalakuló fa fényt és hőt bocsájt ki az átalakulás során, amelyeket együtt tűznek nevezünk. A tűz szintén egy jelenség, ami nem anyag, de akkor jön létre, amikor az anyag átalakul.

 

 

Atom

Az összes anyag így vagy úgy, de atomokból épül fel. Az atom nagyon-nagyon kicsi. A mi érzékelésünk számára gyakorlatilag egy kiterjedés nélküli tárgyacskának tekinthető. Mivel az atom roppant kicsi, egy számunkra érzékelhető kicsi tárgyat is felfoghatatlanul sok atom épít fel. Például egy homokszemben több milliárdszor milliárd atom van. Az atomot, mint az anyagot felépítő nagyon-nagyon kicsi tárgyacskát, a tudomány részecskének nevezi.

Proton és elem

Az atom egyik alkotórésze a proton. Az atomok különböző számú protont tartalmazhatnak, és a protonszám alapvetően meghatározza az atomok tulajdonságait. Viszont az azonos protonszámú atomok kémiai tulajdonságaik tökéletesen megegyeznek egymással, ezért egy elemhez soroljuk őket. Például a 6 darab protont tartalmazó atomok a szén nevű elemhez tartoznak, amelynek a jele a C betű. A természetben 94 elem fordul elő, és a szénhez hasonlóan mindegyiknek van neve és egy vagy két betűből álló rövid jelölése. Például az egy protont tartalmazó atomok a hidrogén elembe tartoznak, amelynek a jele a H betű, a 8 protonnal rendelkező atomok az oxigén elembe, amelynek a jele az O betű és így tovább. Az elemek alapvető információit, mint például a protonszámukat vagy rövid jelölésüket a periódusos rendszer foglalja össze. A 94 természetben előforduló elemeknek a kémiai tulajdonságai többé vagy kevésbé eltérnek. Az elemek kémiai változatossága az egyik oka annak, hogy a körülöttünk megtalálható anyagok szintén rendkívül változatos tulajdonságúak.

Elektron és elektronszerkezet

Az atom egy másik alkotórésze az elektron. Ha az atomot, mint egy hagymát képzeljük el, akkor a protonok a hagyma közepén helyezkednek el, az elektronok meg a hagyma héjain, a protonok körül. Egy hagymahéjon csak korlátozott számú elektron helyezkedhet el. Ha egy atomban több elektron van, mint egy másikban, akkor több hagymahéjon fognak elhelyezkedni az elektronok benne. Az elektronok elhelyezkedését a képzeletbeli hagymahéjakon elektronszerkezetnek hívjuk. Az elektronszerkezetben lesznek a protonokhoz közel elhelyezkedő, és lesznek tőlük távol, az atom külső részén elhelyezkedő elektronok. Az elektronok száma mindig azonos a protonok számával egy atomban. Egy bizonyos elem atomjaiban eltérő számú proton van, mint a többi elem atomjaiban, következésképpen egy elemre jellemző elektronszám és elektronszerkezet is eltérő lesz a többi elemétől.

Vegyületek

A 94 természetben előforduló elem közül összesen 6-nak van stabil elektronszerkezete. A maradék 88 elem elektronszerkezete többé vagy kevésbé instabil. A fizikai valóság egyik legalapvetőbb törvényszerűsége miatt az elemek megpróbálják stabilizálni az elektronszerkezetüket, ha az instabil. A stabil elektronszerkezetet egy atom a külső elektronok leadásával, felvételével vagy közösbe adásával érheti el. Egy atom csak egy másik atomnak tud elektront leadni, vagy elektront felvenni tőle. Az elektronok közösbe adása is atomok között történhet csak meg. Köznapi megfogalmazással az atomok a külső elektronjaikkal egymás között csereberélnek, hogy elérjék a stabil elektronszerkezetet. A legtöbb esetben néhány elektron csereberéje elég a stabil elektronszerkezet megszerzéséhez. Például egy nátrium atom egy elektront ad át egy klór atomnak, hogy mindkét atom elektronszerkezete stabil legyen. Ugyancsak eléri egy oxigén atom és két hidrogén atom a stabil elektronszerkezetet, ha az oxigén egy-egy elektronját a közösbe adja a két hidrogén egy-egy elektronjával. A csereberélés után a cserében résztvevő elemek atomjainak együtt kell maradniuk, hogy az elektronszerkezetük stabilitása megmaradjon. Az így együtt maradó atomokat együttesét vegyületeknek hívjuk. Egy vegyületre nem csak a vegyületet alkotó elemek jellemzőek, hanem a vegyületet alkotó elemek atomjainak aránya is. Például a nátrium és a klór atomokból egy-egy arányban létrejövő vegyületet a konyhasó. A hidrogén atomokat és oxigén atomokat kettő-egy arányba tartalmazó vegyület meg a víz. Tehát a 88 természetben előforduló elem az elektronszerkezetének stabilizálásához vegyületeket alkot. Egy bizonyos elem nem feltétlen fog vegyületet alkotni bármelyik másikkal, viszont akár kettőnél több elem is alkothat egy vegyületet. A vegyületek kémiai tulajdonságait befolyásolják, hogy milyen elemekből épülnek fel, de az is, hogy az elem atomjainak arányai milyenek bennük. Az elemek kémiai változatossága mellett, a belőlük képződő vegyületek kémiai változatossága nagyobbrészt felel a bennünket körülvevő anyagok sokszínűségéért.

Kémiai kötések

Az atomok egymással történő elektron csereberélése az atomokat összeköti, ezért az atomok elektronok által kialakított kapcsolatát kémiai kötésnek hívjuk. Egészen pontosan elsőrendű kémiai kötésnek. Az atomok közötti elsőrendű kémiai kötésnek három fajtája van. Fémes kötés alakul ki az elemek fémeknek nevezett csoportjánál, ahol nagyszámú fématom ad elektronokat a közösbe, és a közösbe adott elektronok hozzátartoznak a nagyszámú fématom mindegyikéhez. A kovalens kötésben általában két atom ad a közösbe egy-egy elektront, és a két elektron csak is kizárólag a két atomhoz fog tartozni. Egy atom több kovalens kötést is létrehozhat, így akár több atom is egymáshoz kapcsolódhat kovalens kötésekkel. Ha egy elem atomjai elektronokat adnak le, és egy másik elem atomjai ezeket az elektronokat felveszik, akkor ionos kötés jön létre közöttük.

Kémiai részecskék

Kémiai részecskének hívjuk a nagyon-nagyon pici tárgyacskákat, amelyekből az anyag felépül. Az atom természetesen egy, a kémia részecskék közül. A protonoknak pozitív elektromos töltése van, amíg az elektronoknak azonos nagyságú, de negatív elektromos töltéssel rendelkeznek. Mivel az atomban a protonok és elektronok száma mindig megegyezik, az atom kívülről nézve semleges töltésű. Egy atomból elektron leadással vagy felvétellel ion jön létre. A protonok számához képest megváltozik ez elektronok száma az elektron leadás és felvétel miatt, tehát az ion pozitív vagy negatív elektromos töltéssel rendelkező kémiai részecske. Pont ezért nevezzük az elektron leadással és felvétellel létrejövő kémiai kötést ionos kötésnek. A harmadik kémiai részecske fajtában, a molekulában, általában viszonylag kis számú atom kapcsolódik össze kovalens kötésekkel. Egy vegyület kémiai tulajdonságait, nemcsak a vegyületet alkotó elemek minősége és aránya határozza meg, hanem az is, hogy milyen elsőrendű kémiai kötések tartják össze, illetve, hogy milyen kémiai részecskékből áll a vegyület.