Ionok képződése atomokból
Ha az atommal megfelelő mennyiségű energiát közlünk, akkor az atom legkönnyebben leszakítható elektronját az atommag vonzásából kiszakíthatjuk. Ekkor a semleges atomból pozitív töltésű ion (kation) képződik.
Az ionizációs energia azt fejezi ki, hogy mekkora energia szükséges ahhoz, hogy 1 mol alapállapotban levő szabad atomból, a legkönnyebben leszakítható elektront eltávolítsuk.
- Jele: Ei
- Mértékegysége: kj/mol
Sok semleges atom képes arra, hogy elektront vegyen fel, és stabilis negatív iont (anion) képezzen. Ennek a képességnek az elektronaffinitás a mértéke.
Az elektronaffinitás azt fejezi ki, hogy mekkora energia szükséges 1 mol gázhalmazállapotú negatív ionból a töltést okozó elektronok eltávolításához.
- Jele: Ea
- Mértékegysége: kj/mol
Az elektronegativitás a kötött atomok elektronvonzó képességét jellemzi. Az atomok elektronvonzó képességének nagy szerepe van abban, hogy az egyes atomokból milyen vegyületek keletkeznek
Az ionok méretét az ionsugárral jellemezzük. Értékét pikométerben adjuk meg. 1 pm = 10- 12 méter.
Molekulák képződése
Több atom összekapcsolódásával molekulák jönnek létre. A molekula képződés célja a nemesgáz-szerkezet elérése.
Két hidrogénatom összekapcsolódásakor kétféle elektromos kölcsönhatás lép fel.
Mindegyik atommag vonzást gyakorol a másik atom elektronjára. Az elektron felhők átfedik egymást. A két elektron kötést létesít, kötő elektronpárt hoz létre. Az atompályákból molekulapálya alakul ki. A pauli elv a molekulapályákra is érvényes, egy molekulapályán maximálisan két elektron lehet. A kötő elektronpár által létrehozott kötés a kovalens kötés.
Számolnunk kell az atommagok és az elektronok közötti taszítással is, ami a két atom közeledését megakadályozza. Meghatározott távolságban a vonzó és taszító hatások egyensúlyba kerülnek egymással, kialakul a stabilis hidrogén molekula.
Mindegyik atommag vonzást gyakorol a másik atom elektronjára. Az elektron felhők átfedik egymást. A két elektron kötést létesít, kötő elektronpárt hoz létre. Az atompályákból molekulapálya alakul ki. A pauli elv a molekulapályákra is érvényes, egy molekulapályán maximálisan két elektron lehet. A kötő elektronpár által létrehozott kötés a kovalens kötés.
Számolnunk kell az atommagok és az elektronok közötti taszítással is, ami a két atom közeledését megakadályozza. Meghatározott távolságban a vonzó és taszító hatások egyensúlyba kerülnek egymással, kialakul a stabilis hidrogén molekula.
Az elektronok megtalálási valószínűsége az atommagok közelében a legnagyobb, de jelentős a két atommag között is. Ha egy atompályán csak egy elektron van, párosítatlan elektronnak nevezzük, ha két elektron van egy atompályán, párosított elektronról beszélünk.
Ionok kialakulása
Az atom semleges, a magban lévő protonok és az elektronfelhőben lévő elektronok száma megegyezik. Azonban tudjuk, hogy léteznek pozitív és negatív töltésű ionok is a természetben. Gondoljunk csak az egyik legismertebb vegyületre, a konyhasóra, mely pozitív töltésű nátrium és negatív töltésű klorid ionokból áll. De hogyan és miért keletkeznek a semleges atomokból ionok?
Energiaközlés hatására a semleges atomból elektron szakadhat le. Így alakulnak ki a pozitív töltésű ionok. De vajon miért vesz fel egy semleges atom elektront?
Vizsgáljuk meg az atomban kötött elektronok által kialakított elektroneloszlást! A halogénatomok legkülső, vegyértékhéján a három p állapotban nincs jelen mind a hat elektron, csak öt, ami teljesen leárnyékolná az atommag pozitív töltését, egy hiányzik. Olyan az eredő töltéseloszlás, mint egy csutka, ahol nincs árnyékolva a mag pozitív töltése. Ezért húz magához az ilyen atom elektront.
Ha egy H-atomot egy másik H-atom közelít meg, az elektronokat a Coulomb-vonzás saját atommagjának a környezetében tartja. A H-atomok elektronjai a klasszikus fizika szerint mindaddig nem térhetnének molekulapályára, amíg a két atommagot elválasztó potenciál 2,2 aJ (a H-atom ionizációs energiája) energiánál alacsonyabb nem lesz. A kvantummechanika szerint viszont az átmenet ebben az esetben is megvalósulhat.
Ahhoz, hogy az elektront a számára energiatikailag tiltott területen kimutathassuk, helyét D x = b pontossággal kell lokalizálni. A Heisenberg-törvény szerint:
, vagyis 
elmosódottságot eredményez a sebességben, ami a mozgási energiában 
mértékű. Ebből becsülhetjük a behatolási mélységet egy egyszerű "potenciállépcső" esetében:
A behatolási mélység atomfizikai méretekben az elektron számára lehet számottevő. Az alagútjelenség mindennapos megnyilvánulása, amikor a fali áramcsatlakozásból az elektronok fémes forrasztás nélkül, molekuláris vastagságú gáton át a betett dugaszba áramlanak és áramot létesítenek. De alagúteffektus segítségével "bújik ki" az atommagból az a részecske is.
Földünkön különálló atomok alig fordulnak elő. A semleges atomok egy részéből ion alakul ki, de csak azokból az atomokból, amelyek elektronszerkezete majdnem nemesgáz. A többi atom viszont molekulákat alkot. Ahhoz, hogy megértsük a molekulák kialakulásának okát, és annak lényegét, vizsgáljuk meg a legegyszerűbb, a hidrogén molekula kialakulását. Először azonban nézzük meg a H2+ molekulaion kialakulását!
Rögzítsük gondolatban a két protont R távolságban egymástól, majd engedjük oda az elektront. Az elektront mindkét proton vonzza, ezért az szétterül a két proton teljes vonzástartományában. A molekulaion szerkezetét több kölcsönhatás alakítja ki, az elektron és a protonok közt lévő elektromos vonzás, az elektronhullám mozgási energiája és a két proton kölcsönös taszítása. Vagyis van egy legkisebb energiájú állapot, amelyben a mérések szerint a két proton távolsága R 
0,1 nm. A H2+ molekulaionban egyetlen elektron két atommag vonzástartományában van. Az ilyen elektronállapot neve molekulaállapot.
0,1 nm. A H2+ molekulaionban egyetlen elektron két atommag vonzástartományában van. Az ilyen elektronállapot neve molekulaállapot. A molekulaállapotban az elektron mozgási energiája alacsonyabb a nagyobb kiterjedés miatt, helyzeti energiája kisebb a több mag vonzása miatt, mintha atomi állapotban lenne. Ezért az elektron inkább molekulaállapotot alakít ki, és ezzel az atomokat molekulákká kapcsolja össze. Az atomoknak azt a kapcsolatát, amelyet molekulaállapotba került elektronok hoznak létre, kovalens kötésnek nevezzük.
A H2+ molekulaionból most már hozzuk létre a semleges H2 molekulát, amelyet úgy tehetünk meg, ha odaengedünk gondolatban még egy elektront. Az újabb elektron a Pauli elv szerint az előbb leírt molekulaállapotba kerülhet. De H3 molekula nem létezik, hiszen a Pauli elv szerint a harmadik elektron már nem kerülhet ebbe az állapotba. Vagyis nem alakulhat ki tetszőleges összetételű molekula, melyet úgy is neveznek, hogy a kémiai kötés �elített�
Ábra Marx könyvből
Ha egy H-atom nála jelentősen nagyobb elektronegativitással rendelkező A jelű atomhoz (F, O, N) kapcsolódik, akkor elektronja eltolódik az A jelű atom irányába. Az elektronnal így nagyon kismértékben árnyékolt proton erős elektromos mezőt létesít, amely eltorzítja a szomszédos molekulákat, így azokra vonzást fejt ki. Különösen erős a proton vonzó hatása, ha a közeledő molekulában is van egy erősen elektronegatív B jelű atom (F, O, N), nem nagy elektronegativitású atomokhoz kötve. Az ilyen B atom a szomszédos atomoktól elektronfelhőt von magára, így negatív töltéstöbbletre tesz szert. Az első molekula protonja és a második molekula elektronegatív atomja közt létrejövő elektromos vonzás a két molekula megfelelő felületi pontjainak összetapadását eredményezi. A protont kötő elektronpár és a B atom saját elektronpárja delokalizálódik a két molekula közt az A, B, H-t tartalmazó háromcentrumos molekulapályát alakítva ki. Mindez erősíti a vonzást. Így mintegy híd alakul ki a két molekula közt a protonból, ezért is nevezik gyakran ezt a kötést hidrogén-híd kötésnek.
Ábra Marx könyvből
Ha a vízmolekulák mozgása nem túl heves, akkor a hőmérséklet csökkenésével, egymással keresztben úgy rendeződnek el, hogy mindegyik molekula H-ban végződő része egy-egy másik molekula O-atomja felé mutasson, hidrogénkötést hozva létre. Ez az állapot nem csak alacsony energiát, hanem �zellős� szerkezetet is jelent, mint egy kártyavár. Ezért a víz,fagyás közben kiterjed!
A víz anomálisan magas fajhője is a hidrogénkötésekkel magyarázható. A víz hőmérsékletének emelkedésével erősödik a hőmozgás, csökken a hidrogénkötések száma, és a viszkozitás is. A hőmérséklet emeléséhez tehát nem csak a vízmolekulák mozgási energiáját kell növelni, hanem a hidrogénkötések felszakításához is munkavégzés szükséges. A nagyrészt vízből felépülő élőlények szervezete ezért jelentős hő ** felvételét és leadását képese elviselni anélkül, hogy testhőmérsékletük kritikus mértékben megváltozzon (és megszűnjön életműködésük).
Amikor a fehérje láncok meghatározott módon �sszegömbölyödnek�oly módon, hogy az így előálló óriásmolekula felülete meghatározott alakot vegyen fel (pl. enzimek), a lánc egyes részeit is hidrogénkötés rögzíti egymáshoz. Amikor denaturálódik a fehérje, akkor éppen ezek a kötések bomlanak fel és rendeződik másként el a molekula. Ilyen állapotban pedig nem tudja ellátni enzim funkcióját. Ezért veszélyesek az ezt előidéző nehézfémsók az élő szervezetre.
A DNS-molekulában a két lánc bázisait hidrogénkötés köti össze. Ebben az esetben nem lett volna �élszerű�a természet részéről elsőrendű kovalens kötéseket alkotni, mivel a szaporodás, illetve a sejt normál működése közben is szükség lehet a két lánc szétcsavarodására. Szaporodáskor a megkettőződés miatt, a sejt normál működése esetében pedig egy-egy hiányzó fehérje �egyártását� elősegítő, megfelelő RNS szál képződéséhez.
Ábra az Internetről nálunk
Teljesen szimmetrikus, apoláros molekulák, illetve bármely két atom közt is kialakul vonzó, úgynevezett Van der Waals-kölcsönhatás, hiszen azok pozitív és negatív részecskékből épülnek fel. Változó dipólusok alakulnak ki. A kölcsönhatás az elektronfelhő polározódásának eredménye, ezért az növekszik a tapadó molekulában található elektronok számának növekedtével. Különösen felerősödik akkor, ha a molekulák nagy felületen érintkeznek egymással.
A Van der Waals-erők jelenléte talán ismét a biokémiai folyamatokban a legérdekesebb. Az enzimek, rögzített alakkal, és egyben felületükön meghatározott töltéstérképpel rendelkező molekulák. Felületének egyik része szorosan, speciálisan ráillik arra a molekulára, amelynek átalakítása a feladata. A másik felülete az átalakítást végző molekulára illik, és így a két reakciópartnert szorosan egymás mellé illeszti. Ezenközben a nagyszámú felületi kölcsönhatásban az egyszerű Van der Waals- energia sokszorosa is felszabadulhat, amely a reakcióhoz szükséges aktiválási energiát biztosítja. Ez magyarázza az enzimek specifikusan katalizáló jellegét.
Ábra Marx könyvből
Az első magátalakítást, amely egyben elemáltalakítás volt az atommagot felfedező Rutherford hajtotta végre 1919-ben, amely a következő:
.A természetes radioaktív anyagok a részecskéit használta bombázó lövedékként és azt találta, hogy ezek néha eltalálnak egy-egy nitrogén atommagot, miközben a levegőben haladnak és abból egy hidrogén atommagot, vagyis protont ütnek ki. Az eseményt "lefényképezni" csak 1923-ban sikerült, vagyis a túltelített gőzben áthaladó részecskék nyomát láthatóvá tevő Wilson-féle ködkamrában. Ez után szinte az egész világon elkezdődtek a hasonló kísérletek.
Ködkamrás kép vagy ábra
A magfizika kimagasló éve 1932 volt, mivel ekkor fedezte fel Chadwick a neutront, amelynek létét Rutherford már 1920 óta sejtette. A felfedezés alapját szolgáltató jelenség a következő volt. Amikor beriliumot bombáztak a -részecskével, Ahogy az abban az időben "szokás" volt, úgy találták, hogy ennek következményeképp olyan áthatoló sugárzást kaptak, amely viszonylag vastag ólomlemezen is áthatol, nem ionizál, tehát nem rendelkezik töltéssel. A legtöbben azt gondolták, hogy kemény, nagy energiájú, g sugarakkal van dolguk. A reakció valójában a következő volt, amely napjainkban is az egyik lehetőség a neutronok előállítására:
.Ettől az évtől kezdve nagyon felgyorsulnak az események, amint azt látni fogjuk. A tudomány történetébe erőteljesen beleszól a politika, először a II. Világháború, majd az azt követő hidegháborús időszak. De nézzük sorjában az eseményeket!
Megjegyzés küldése