Telített szénhidrogének (Saturated hydrocarbons)

Telített szénhidrogének

A telített nyílt láncú szénvegyületeket az érvényes nevezéktan szerint alkánoknak nevezzük. Hagyományosan paraffinoknak nevezték őket.

Alkánok

A növekvő szénatomszámmal fokozatosan növekszik a forráspont értéke. Az olvadáspont is emelkedik a szénatomszámmal. Az alkánok apoláris molekulák vízben nem oldódnak. Oldódásuk csak apoláris oldószerben várható, a cseppfolyós alkánok (benzin) oldják a szilárd halmazállapotúakat.

Kémiai sajátosságaik: Elegendő levegő jelenlétében szén-dioxiddá és vízzé égnek el. A reakció mindig exoterm – hőtermelő – éppen ezért használják energiatermelésre.

Hőbontás: A szénhidrogének kötései magasabb hőmérsékleten felhasadnak, ezeket a kémiai változásokat iparilag is kihasználják.

Krakkolás: A krakkolás enyhe hőbontási folyamatot jelent, amikor nagyobb szénatomszámú szénhidrogének szénláncából „letörnek”, és így rövidebb szénláncú szénhidrogéneket nyernek.

Szubsztitúiós reakció: A szusztitúció olyan kémiai folyamat, amelynek során a kiindulási molekula egy vagy több hidrogén atomját más atomra cserélik ki.

Cikloalkánok: A telített (csak egyszeres kötést tartalmazó) gyűrűs szénhidrogéneket cikloalkánoknak nevezzük. A cikloalkánok is homológ sort alkotnak, amelynek általános összegképlete: CnH2n. Elnevezésük az alkánokéhoz hasonló, csak a megfelelő szénatomszámú név elé a „ciklo” szót tesszük. Fizikai és kémiai tulajdonságaik nagyon hasonlítanak a nekik megfelelő szénatomszámú alkánok tulajdonságaihoz.

Metán CH4: A metán a legegyszerűbb szénhidrogén. A metán színtelen, szagtalan gáz. Apoláris szerkezetéből következően vízben nem, apoláris oldószerekben oldódik. Magasabb hőmérsékleten többféle kémiai reakcióban vesz részt, és jelentős, mint vegyipari alapanyag. Energiatermelésre nagy égéshője miatt alkalmas CH4+2O2®CO2+2H2O. Standard állapotban nem reagál az oxigénnel, de levegővel elegyedve már szikrának a hatására is robban.

Szobahőmérsékleten a klór nem reagál a metánnal, de ultraibolya fénnyel megvilágítva vagy 400-500 C°-ra felmelegítve a reakció megindul, és katalizátor nélkül végbemegy. Klórozása iparilag is fontos szubsztitúciós reakció CH2CL2+CL2®CHCL3+HCL (kloroform). A metán hőbontása, levegőtől elzárt hevítést jelent. CH4®C+2H2 (gumigyártás).

Előfordulás: A földgáz legnagyobb mennyiségben metánt tartalmaz, ma gyakorlatilag a földgázból nyerik.

Felhasználás: Energiaforrás, vegyipari alapanyag.

Telített szénhidrogének (alkánok, parafinnok)

A telített szénhidrogének alkothatnak elágazás nélküli láncot (nyílt szénhidrogének), elágazást tartalmazó láncot és gyűrűvé (zárt) is záródhatnak. Az alábbiak elsősorban az elágazás nélküli, nyílt szénhidrogénekre vonatkoznak.

Elnevezés: az alkánok neve mindig -án szótagra végződik.

1. Sorold fel az első tíz alkánt, ad meg szerkezeti- és összegképletüket!

2. Ismételd át, hogyan alakul ki a kovalens kötés!

Fizikai tulajdonságaik: a nyílt láncú, elágazás nélküli, telített szénhidrogének apolárisak. A butánig gáz, az oktadekánig folyadék, a magasabb szénatomszámúak szilárd halmazállapotúak.

Kémiai tulajdonságaik: elektronszerkezetük nagyon kiegyensúlyozott, sem elektronhiányuk, sem elektromfeleslegük nincs a molekulán belül. Ennek megfelelően nem túl reakcióképes vegyületek.

A metán ultraibolya fény hatására reagál halogénekkel. Egyik hidrogénjét halogénre cseréli.

CH₄ + Cl₂ = CH₃Cl + HCl

A kémiai átalakulás neve: szubsztitúció. Az olyan kémiai átalakulásokat, amelyek eredményeként a kiindulási molekula egyik atomja vagy atomcsoportja más atomra vagy atomcsoportra cserélődik ki szubsztitúciónak nevezzük.

Meggyújtva a levegő oxigénjével tökéletes égés mellett reagálnak. A reakció neve: oxidáció.

CH₄ + 2O₂ = CO₂ + 2H₂O

A paraffinok vízben gyakorlatilag nem oldódnak.

Előfordulásuk: földgáz, kőolaj

Felhasználásuk: energiaforrások

Érdemes meglátogatnod az alábbi oktatási oldalakat!

Metán, telített szénhidrogének.

Kiegészítés:* a szénláncok elágazásokat, oldalláncokat is tartalmazhatnak. Tulajdonságaik megismerése előtt szükséges a csoport fogalmának megismerése, amely így hangzik: a mulekula általunk tetszőlegesen körülhatárolt egy-egy részlete. Ha a csoport csak egy hidrogénatommal tartalmaz kevesebbet, mint egy alkánmolekula, akkor úgy nevezzük el, hogy az azonos szénatomszámú alkán nevének -án végződését -il végződéssel helyettesítjük. Pl: metil-csoport -CH₃.

Két vagy három szénatom csak egyféleképpen kapcsolódhat lánccá, négy szénatom kapcsolódására azonban már két lehetőség van. Az azonos összegképletű, de különböző szerkezetű molekulákat egymás konstitúciós izomerjeinek nevezzük. (A molekulát felépítő atomok kapcsolódási sorrendjét a molekula konstitúciójának nevezzük.) Nézzük meg a jelenséget a bután példáján! Ha nem ágazik el a szénlánc a vegyület neve: bután, ha közepén van egy elágazás izomerje a butánnak, elnevezése: izobután.

Balra bután, jobbra izobután.

Abban az esetben, ha a szénlánc gyűrűvé záródik a szénhidrogénlánc neve elé illesztjük a ciklo szócskát. Pl.: ciklopropán, ciklobután... A képen a ciklohexán látható. Sok olyan természetes és mesterséges vegyületet ismerünk, amelynek molekuláiban a szénatomok többgyűrűs vázat alkotnak. Ezek közül most a szteroidokat említjük meg, melyek közös "alapvegyülete" a szteránváz (más néven gonán).

Telítetlen szénhidrogének (Unsaturated hydrocarbons)

A telítetlen szénhidrogének molekuláiban egy vagy több szénatompár között kettő, illetve hármas kötés van.

Alkének

Az alkének egy kettős kötésű szénatompárt tartalmazó szénhidrogének. A nevezéktan szerint az ebbe a csoportba tartozó minden szénhidrogén nevének a végződése -én. Az alkéneket is homológ sorba rendezhetjük. Általános összegképletük: CnH2n

Az alkének fizikai állandói a szénatomszám növekedésével fokozatosan változnak. Apoláris szerkezetűek, apoláris oldószerekben oldódnak. Éghetőek, addícióra és polimerizációra képesek. Fontos ipari jelentősége van, pl. a propén polimerizációjának, mely a nagy mennyiségben gyártott polipropilén nevű műanyag monomerje. Előállításuk a kőolaj hőbontásával történik.

Etén (etilén) CH2=CH2: Az etén színtelen, édeskés szagú gáz. Vízben nem, apoláris oldószerekben oldódik. A többi szénhidrogénhez hasonlóan éghető gáz. Mivel a molekulában gyengébb p kötés van ez könnyen felszakad, ezért az etén már szobahőmérsékleten is reakcióképes.

Addíciós reakció: Az olyan kémiai reakciókat, amelyekben két vagy több molekula melléktermék nélkül egyesül egymással, addíciónak (egyesülésnek) nevezzük.

Polimerizációs reakció: A polimerizáció során sok telítetlen molekula óriásmolekulává egyesül. Ily módon akár több ezer molekulából létrejövő hosszú láncmolekulák is keletkezhetnek. A keletkező anyag az egyik legfontosabb műanyag, a polietilén: CH2=CH2® -CH2-CH2-CH2-. Az etént a kőolaj hőbontásával állítják elő. Ma a legnagyobb mértékben felhasznált szerves vegyipari alapanyag.

Alkinek

Az alkinek egy hármas kötést tartalmazó szénhidrogének. A nevezéktan szerint az ebbe a csoportba tartozó minden szénhidrogén nevének a végződése -in. Az alkinek homológ sort alkotnak, általános összegképletük CnH2n-2.

Etin (acetilén) HCºCH: Az etin színtelen, szagtalan gáz. Vízben kevéssé oldódik, de az aceton jól oldja. Az etin erősen kormozó és világító lánggal ég. Ha tiszta oxigénnel keverve gyújtják meg, igen magas hőmérsékletű a lángja, így hegesztésre használják. Az alkénekhez hasonlóan addíciós reakcióra hajlamos, amelynek polimerizációs terméke a PVC (poli-vinil-klorid) nevű műanyag.

Előállítása: A földgázból történik.

Telítetlen szénhidrogének

A telítetlen szénhidrogénekben a ligandumok száma nem maximális, azaz van olyan szénatom, amelynek ligandumszáma kevesebb négynél! Ezek hidrogénnel telíthetők és így alkánokhoz, cikloalkánokhoz ill. származékaikhoz jutunk.

Ezeknél a molekuláknál már van π-kötés:

• alkének, cikloalkének esetében kettős kötés,
  
• alkinek esetében hármas kötés,
  
• aromás szénhidrogének esetében π-elektronsextett található.

Alkének (olefinek)

Az alkánokból hidrogénelvonással vezethetők le. Legegyszerűbb képviselője az etén (triviális nevén az etilén) CH₂ = CH₂.

Az alkének esetében is levezethető a homológsor (ls. alkánok):

• CH₂ = CH₂ etén (etilén)
  
• CH₂ = CH - CH₃ propén (propilén)
  
• CH₂ = CH - CH₂ - CH₃ butén (butilén)

Általános képletük: C_nH_2n {gyűrűs olefineknél: C_nH_{2n - 2} ).

Izoméria

• Konstitúciós izoméria (n > 3)
  
  A négy szénatomos buténtól kezdve többféle molekula is levezethető, melyeknek összegképlete azonos, de eltérő a szerkezeti képlete, azaz az atomok kapcsolódási sorrendje!
  
  Látható, hogy a négy szénatomos buténból három izomer vezethető le. Ez több, mint az azonos
  szénatomszámú telített szénhidrogén - a bután - esetében (ahol két izomer van).
  
  
• Cisz - transz izoméria
  
  Akkor lép fel, ha az alkén és származékaiban a kettős kötéssel összekapcsolt szénatomokhoz eltérő ligandumok (szubsztituensek) kapcsolódnak! Lássuk példaként a 2-butén két sztereoizomerjét:
  
  A sztereoizoméria oka az, hogy a kettős kötés rögzíti a molekula síkját, körülötte a molekula nem képes elfordulni (itt nincs szabad rotáció), így a ligandumok térbeli helyzete eltérő lesz.
  Látható az ábrán, hogy a két molekula egyes fizikai tulajdonságaikban eltérnek egymástól (ls. forráspont).
  
  
• Optikai izoméria
  

Elnevezés (olefin - "olajképző")

1. A leghosszabb szénlánc megválasztása; benne kell lennie a kettős kötésnek!
   
2. A név végződése: - én.
   
3. A kettős kötés számozása; ott kell kezdeni, ahova a kettős kötés a láncéghez közelebb esik (ls. előbb: 1-butén; 2-butén)
4. Szubsztituensek megnevezése; helyzetüket számmal kell megadni.
   

• Azokat a molekulákat, melyekben két kettős kötés található diéneknek (diolefinek) nevezzük.
  
  CH₂ = CH - CH = CH₂ 1,3-butadién
  
  
• Azokat a molekulákat, melyekben sok kettős kötés található poliéneknek (poliolefinek) nevezzük (pl. kaucsuk, karotinoidok).
  

Fizikai tulajdonság

• Halmazállapot: lehetnek gázok - cseppfolyós - szilárd halmazállapotúak a szénatomszám illetve a molekula alakja függvényében.
  
• Apolárosak; lehetnek polárosak is (cisz-izomer molekulán belül asszimetria van, aminek következtében dipólus kialakulhat).

Előállítás

• Ipari előállítás
  
  
  

  Kis mennyiségben földgázban és kőolajban megtalálhatók. Krakkolás után melléktermékként ún. krakkgázok keletkeznek, melyekben szintén megtalálhatók.

  
  
• Alkánok dehidrogénezésével (hidrogénátvivő katalizátorral).
  
  CH₃ - CH₂ - CH₃  CH₂ = CH - CH₃ (magas hőmérséklet; alacsony nyomás!)
  
  
  
• Alkil-halogenidekből dehidrohalogénezéssel.
  
  R - CH₂ -CH₂ - X R - CH = CH₂ ELIMINÁCIÓS REAKCIÓ
  
  (R - alkil-csoport; X - halogénatom; HX - hidrogén-halogenid)
  
  
• Dehidratálással alkoholokból.
  
  R - CH₂ - CH₂ - OH R - CH = CH₂ ELIMINÁCIÓS REAKCIÓ
  
  (elimináció: egy vagy több atom, illetve atomcsoport kilépése a molekulából)
  
  
  
• Vicinális ("szomszédos") dihalogén-származékokból.
  

Kémiai tulajdonságok

• Reakcióképesebbek, mint a paraffinok.
  
  
• Jellemző reakcióik:
  
  - addíció (két vagy több molekula egyesül; nem keletkezik óriásmolekula),
  - polimerizáció (azonos molekulák melléktermék nélküli egyesülése, melynek során óriásmolekula keletkezik).
  
  
• Halogénaddíció:
  
  CH₂ = CH₂ + Br₂ Br - CH₂ - CH₂ - Br
  1,2- dibróm-etán
  
  Savaddíció:
  
  A reakció során elvileg kétféle terméket kaphatnánk, de a tapasztalat azt mutatja, hogy csak egyféle halogénezett származék keletkezik, mégpedig a 2-klór-propán!
  
  

Markovnyikov-szabály:

Egy savnak egy alkán C = C kötésére történő addíciójakor a -H ahhoz a C-atomhoz kapcsolódik, amelyhez eleve több H-atom kapcsolódott!

• Vízaddíci
  
  
• Hidrogénaddíció
  
  
• Oxidáció
  Kormozó lánggal égnek.
  
  
• Polimerizáció

Diének, Poliének
(diolefinek, poliolefinek)

Homológsort alkotnak.

Általános képlet:

• diének: C_nH_2n-2; C_nH_2n-4(ciklusos),
  
• poliének: C_nH_2n+2-2x (ha nyílt láncú, és x a kettős kötések száma).

Elnevezés

• A molekula nevének végződése: -dién; poli…-én
  
• Triviális név: izoprén / kaucsuk, karotin (ez utóbbiak poliének!).
  
• IUPAC név: 2-metil-1,3- butadién.

Izoméria

• Konstitúciós
  
• Diéneknél n > 3 esetén.
  
• Poliéneknél van.
  
• Cisz-transz
  
  Mindkét esetben lehetséges.
  
  
• Optikai

Csoportosítás

• A kettős kötés száma szerint:
  
• diének
  
• poliének
  
• A kettős kötés elhelyezkedése szerint
  
• Kumulált (a kettős kötések egymás szomszédjában helyezkednek el)
  
  R₂ - C = C = C - R₂ (általános képlet)
  
  
• Izolált (a kettős kötések egymástól "távol" helyezkednek el)
  R₂ - C = CH - (CH₂)₄ - CH = C - R₂ (általános képlet)
  
  
• Konjugált {a kettős és az egyes kötések váltakozva helyezkednek el s így speciális delokalizált elektronokból álló kötésrendszer jön létre (fontos biológiai szerepet betöltő molekulák tartoznak ide!)}
  
  R₂ - C = CH - CH = C - R₂ (általános képlet)

Kémiai tulajdonságok

• Addíció
  
• Polimerizáció

Tömegspektroszkópia (Mass spectrometry)

Tömegspektroszkópia

Az atomok ionjai elektromos és mágneses mezővel kölcsönhatásba lépnek. E mezőkön áthaladva eltérülnek az eredeti mozgásirányuktól. Az eltérülés mértékéből kiszámíthatjuk az ion tömegét. Az ion így mért tömegéből levonva az elektronok tömegét, megkapjuk az atommag tömegét. A q töltésű m tömegű ion U gyorsító feszültségen áthaladva v sebességre tesz szert: qU=mv2/2. A v sebességű ionokat homogén mágneses mezőbe vezetik, az indukcióvonalakra merőleges síkban. Ekkor az ionok a Lorentz-erő hatására R sugarú körpályán állnak.

A tömegspektrometria vagy tömegspektroszkópia (MS - Mass Spectrometry) nagyműszeres analitikai módszer töltött anyagi részecskék tömegének meghatározására. Az adott ionok elektromágneses térrel való kölcsönhatásra tömeg/töltés hányadosuk alapján szétválnak valamilyen módon. A tömegspektrometria legfőbb felhasználása tiszta szerves komponensek képletének és a fragmentálódási folyamatok révén a vegyületek szerkezetének a meghatározására is. A tömegspektroszkópia nagy érzékenységű ( akár fg!), széles tömegtartományú, jól reprodukálható, szelektív, valamint elválasztástechnikai módszerekkel, így például gázkromatográfiával (GC-MS), folyadékkromatográfiával (LC-MS) vagy kapilláris elektroforézissel (CE-MS) kombinálható a megfelelő interface hozzákapcsolásával. A mérés során felvesszük a tömegspektrumot, mely relatív intenzitást ábrázol a tömeg/töltés hányados függvényében.

A tömegspektrométerek három részt mindenképpen kell tartalmazniuk:

• ionforrást
• (tömeg)analizátort
• és detektort

A tömegspektrometriás mérések lépései:

• A mintából ionok készítése
• A ionok a különböző tömeg/töltés arány szerinti elválasztása
• A ionok detektálása
• Adatgyűjtés, a tömegspektrum felvétele

A tömegspektrometria főbb felhasználási területei:

• Ismeretlen minták meghatározása a molekulák és fragmentumaik alapján
• Izotóp-összetétel meghatározása egy vegyületben
• A fragmentálási folyamatok alapján a vegyület szerkezetének meghatározása
• Bizonyos körülmények között kvantitatív meghatározásra is alkalmas
• Egyéb fizikai, kémiai és biológiai tulajdonságok vizsgálata

 tömegspektroszkópia – Atomok, molekulák tömegének meghatározására szolgáló módszer. Történetileg a csősugarak (gázkisüléseknél a katód résén kilépő részecskék) Goldstein (1886) által történt felfedezéséig nyúlik vissza. Wien mutatta meg, hogy ezek a sugarak pozitív töltésű ionok. Elektromos és mágneses terekkel való eltérítéssel Thomson, az elektron felfedezője vizsgál­ta ezeket a sugarakat.
Megfigyelte, hogy merőleges elektromos és mágneses tér a sugarakat irányukra merőleges parabolák sorozata mentén téríti el (Thomson-parabolák). Megállapította, hogy az egyes parabolák csak az ionok tömeg/töltés (m/e) arányától függenek, így a töltés ismeretében az ionok tömege meghatározható. Ezzel a módszerrel fedezték fel a neon izotópjait.

A Dempster által kifejlesztett tömegspektrográfban a felgyorsított ionokat egy mágneses tér 180 fokra téríti el, éles vonalakra fókuszálva azokat az m/e aránytól függően. Így fedezték fel az urán 235-ös izotópját (1935). A módszer­rel az adott izotóp gyakorisága is meghatározható (pl. az urán 235 és 238 tömegszámú izotópjainak gyakorisági aránya 1:139). Hasonló módszerekkel az izotópok szétválasztása is lehetséges. (Az atombomba előállításához Lawrence dúsította az urán 235-ös izotópját a Calutron készülékben.) A nagyfelbontású és automatizált tömegspektrometriát a biológiai (pl. makro­molekulák szerkezete) és az orvosi (pl. kórmeghatározás) kutatásokban is alkalmazzák.

Tömegdefektus (tömeghiány) ( Mass defect (mass deficit))

Rutherford:

He²⁺ ionokkal aranyfüstlemezt bombázott. A He²⁺ ionok nagy része háborítatlanul haladt át a lemezen. Az atom pozitív töltésű, nagy tömegű, kis átmérőjű alkotórészét atommagnak nevezte el. Az atommag tömegének mérése a megfelelő atom vagy ion tömegének mérésével oldható meg. Kísérleti tapasztalat szerint az atommagok tömege közelítőleg egyenlő a hidrogénatommag tömegének egész számszorosával. MA~= A×MP. Az 'A' a tömegszám.
Az atommag elektromos töltését legegyeszerűbben az atomi elektronok vizsgálatával megoldani. Ha egy nagy energiával haladó elektron vagy foton az n=1 főkvantumszámú állapotból kilöki az egyik ott lévő elektront, akkor a megüresedett állapotba a magasabb energiaszintek valamelyikéről egy atomi elektron hamarosan lezuhan fotonkisugárzás közben. Ahhoz, hogy az elektron tatósan benn legyen az atommagban, az E_m=10^-10 J-nál jóval mélyebb elektromos energiára lenne szükség. Az elektron bezártságból való mozgását az elektromos vonzás nem képes féken tartani.

Tömegspektroszkópia:

Az atomok ionjai elektromos és mágneses mezővel kölcsönhatásba lépnek. E mezőkön áthaladva eltérülnek az eredeti mozgásirányuktól. Az eltérülés mértékéből kiszámíthatjuk az ion tömegét. Az ion így mért tömegéből levonva az elektronok tömegét, megkapjuk az atommag tömegét. A q töltésű m tömegű ion U gyorsító feszültségen áthaladva v sebességre tesz szert: qU=mv²/2. A v sebességű ionokat homogén mágneses mezőbe vezetik, az indukcióvonalakra merőleges síkban. Ekkor az ionok a Lorentz-erő hatására R sugarú körpályán állnak.

Tömegdefektus:

(Tömeghiány) Az atommagot alkotó nukleonok tömegösszegének és az atommag tömegének a különbsége. A tapasztalat szerint az atommag tömege kisebb, mint a magot alkotó részecskék tömegének összege. A tömegdefektus az atom stabilitása métrékének tekinthető, ugyanis a tömeg energia ekvivalencia törvény értelmében a tömegdefektusnak megfelelő energiamennyiséget kell közölniük a maggal, hogy alkotórészeire bomoljék. A tömegdefektus egyenértékű a magnak nukleonokból való keletkezése alkalmával felszabadult energiával. Az atomenergia hasznosítása a atommagátalakításnál a kiindulási és végtermékek tömegkülönbségének megfelelő magenergia hasznosítását jelenti.

Könnyű magok:

2H, a deuteron egy protonból és egy neutronból összeállt atommag. A 2He, azaz két proton már nem marad egyedül. A protonok között fellépő elektromos taszítás és a szűk tartományra bezárt protonok mozgása fölött nem képes úrrá lenni a két proton nukleáris kölcsönhatása. 2He atommag nem létezik. A 3H, 3He, 4He atommagok léteznek. Egy-egy nukleon mind több másik nukleon erős vonzását érzi: rohamosan mélyül az egy nukleonra jutó kölcsönhatási energia. Mégis, a 2 protont és 3 neutront tartalmazó 5He izotóp, vagy a 3 protont és 2 neutront tartalmazó 5Li izotóp nem létezik a természetben.

Nehéz magok:

A nagyobb atommagokban egy-egy nukleon csak szomszédainak nukleáris vonzását érzi, a távolabb lévőket nem, hiszen a nukleáris kölcsönhatás hatótávolsága kisebb a mag átmérőjénél. Így az atommag belsejében egy-egy nukleon nukleáris energiája független a mag összes nukleonlainak a számától.
Az atommag felületének közelében egy-egy nukleont nem szimmetrikusan vesznek körül társai. A felületi nukleon b sugarú környezete részbe üres. Ezért a felületen lévő nukleonoknak nem olyan mély a nukleáris energiájuk, mint a belül lévőknek.

Energiavölgy:

Egyetlen nukleonra átlagosan jutó energia. A térfogati energiából egy-egy nukleonra minden atommagban ugyanannyi jut.: Ezt megemeli a felületi energia, mégpedig elsősorban a kisebb magoknál, mert ezeknél a nukleonok nagyobb hányada kerül a felületre. Sok proton a Coulomb-energiatagot növeli. Ha a protonok és a neutronok száma nagyon különbözik, akkor pedig a Pauli-tag nagy. Mivel a nagyobb tömegszámú atommagokban szükségszerűen több a proton is, a Coulomb- és a Pauli-tag járuléka a tömegszám növekedtével emelkedik. Az energiavölgy legmélyebb pontját az A=56, Z=26, azaz az ⁵⁶Fe tájékán találjuk. A kisebb magok felé a völgy meredeken emelkedik, mert viszonylag nagy a felületi energiajárulék. A nagyobb magok irányában a völgy lankásan fut felfelé: a növekvő protonszám emeli a Coulomb-energiát. Ez a proton-neutron-arány eltolásával kissé mérsékeli a Pauli-energia, ezért a völgy elkanyarodik az A tengely irányába, a nagyobb tömegszámú magok legmélyebb energiájú állapotát jelentős neutrontúlsúly jellemzi.

Nukleáris kölcsönhatás: 

Az atomag alkotórészeit összetartó erő. Rövid hatótávolságúak, s más erőtípusokkal nem azonosíthatók. A hatótávolságon belül levő nukleonok igen nagy erővel vonzzák egymást, ezért a mag stabilitása nagy. A magok kötési energiája nem a tömegszám négyzetével (A2), hanem csak A-val arányos. Jellegzetes tulajdonsága még, hogy függetlenek a nukleonok töltési állapotától.

Rádioaktivitás:

Egyes elemek azon tulajdonsága, hogy minden külső beavatkozás nélkül, radióaktív sugárzás kibocsátása közben elbomlanak, és más elemekké alakulnak. A természetes rádióaktivítás a természetben előforduló néhány elemnek és izotópjainak tulajdonsága. A 80-nál nagyobb elemek rendszámú elemek és néhány könnyebb elem izotópjai rádioaktívak. Mesterségesen rádioaktívak azok az elemek és elemek izotópjai, amelyek a természetben nem fordulnak elő, és mesterségesen, atommáglyában, gyorsító berendezésekben atom robbanásakor, rádioaktív besugárzás hatására lezajló magreakciókban keletkeznek. A rádióaktív bomlás sebességét a felezési idővel, illetve a bomlási állandóval jellemezzük. A bomlás sebessége független a külső tényezőktől.

A rádióaktív bomlásnál fellépő rádióaktív sugárzás 3 fajtáját ismerjük: alfa-béta-gamma sugarakat. Az 'a' sugarak kétszeresen ionizált héliumatomok, a bomlás után kettővel kisebb rendszámú, néggyel kisebb atomsúlyú elemet kapunk. A 'b' bomlásnál a neutrino is kilép az anyagból. A mag atomsúlya az elektron kis tömege miatt nem változik, rendszáma viszont növekszik. A neutron protonná vagy a proton neutronná alakul át elektron kibocsátása vagy elnyelése révén. A 'g' sugárzás igen rövid hullámhosszú, nagy energiájú, nagy áthatolóképességű elektromágneses sugárzás, amely mindig csak 'a' vagy 'b' sugárzással fordul elő. A rádióaktiv bomlás által keletkezett új elem gyakran ismét rádioaktív. Az aktivitás mértékegysége az 1 becquerel (bomlás/s). 

Maghasadás: 

Az atommagok energia-felszabadulással járó széthasadása. Hahn és Strassmann fedezte fel, hogy a nehéz atommagok neutronok, nagy sebességű elektromos töltéssel bíró részecskék vagy gamma sugarak hatására könnyebb atommagokká hasadhatnak szét. A maghasadáskor keletkezett részecskék összes tömege kisebb, mint a hasadó mag tömege. E tömegkülönbség alakul át energiává. A felszabaduló energia legnagyobb részét a hasadási ternékek mozgási energiája teszi ki; kisebb része rádioaktiv sugárzás formájában jelentkezik. A hasadási termékek a másodperc törtrészétől több ezer évig terjedő idő alatt stabilis magokká alakulnak át. Minden egyes mag hasadásakor átlagban két vagy több neutron keletkezik, s ezek újabb maghasadásokat hozhatnak létre. Ha a hasadó anyag mennyisége elég nagy, akkor elérhető az az állapot, melynél a neutronok s ezzel együtt a maghasadások száma állandó marad, vagy rohamosan nő (láncreakció). Ha pl. urániumból a kritikus tömegnél több kerül együvé, akkor a nagy sebességgel lefolyó láncreakció következtében hirtelen nagy mennyiségű energia szabadul fel, robbanás jön létre.

Láncreakció:

Olyan egymás után következő, nagy sebességű reakciók sorozata, amelyek mindegyikében keletkezik egy, a következő lánctag gyors lefolyását okozó termék. Maghasadási láncreakció megy végbe az atommáglyában és az atombombában. A láncreakciót egy vagy néhány neutron indítja meg. A neutron hasít pl. egy U²³⁵ magot. A hasadáskor felszabaduló neutronok további uránmagokat hasítanak. Itt újabb neutronok termelődnek, ezek ismét hasítanak. Önfenntartó hasadási láncreakciók csak akkor tudnak létrejönni, ha időegység alatt a hasadáskor termelődött neutronok száma meghaladja a hasadóanyagból eltávozott és különféle szennyeződéseken hasadás nélkül elnyelődött neutronok számát. A hasadóanyagoknak ezért egyrészt nagymértékben mentesnek kell lenniük, nehogy túl sok neutron távozzék belőlük hasítás nélkül. Azt a hasadóanyag-méretet vagy tömeget, ahol már létrejöhet önfenntartó láncreakció, kritikus méretnek, vagy kritikus tömegnek nevezzük.

Atomreaktor:

Az atommag energiáját gyakorlatilag hasznosítható méretekben felszabadító berendezés, melyben a magreakciók lefolyása szabályozható. Megkülönböztetünk a könnyű atommagok egyesülésén alapuló fúziós reaktort és a magok hasadásakor felszabaduló energiát hasznosító hasadási reaktort. Az atomreaktor energiatermelő anyagai a hasadó kémiai elemek. A hasadó anyagok atommagjai kis energiájú, lassú neutronok hatására két középnehéz magra hasadnak szét, miközben néhány gyors neutron szabadul fel. Ezeket felszabadítva újabb maghasadások jöhetnek létre, és így a folyamat láncreakció alakjában folytatódik. A nagy sebességgel szétrepülő középnehéz atommagok kinetikus energiája súrlódással hővé alakul, így jelentkezik hasznosítható formában az atomenergia. A neutronok lassítására moderátorokat használnak (grafit, nehézvíz, víz). A gyors neutronok a moderátor atomjaival többször ütközve, fokozatosan lefékeződnek. A neutronfölösleget, amelynek növekedése robbanáshoz vezetne, kadmium vagy bórkarbid rudakkal nyeletik el, ezeket automatikus szabályozó berendezések vezérlik.

Magfúzió:

Atommagok energiafelszabadulással járó egyesülése. Könnyű atommagok igen nagy hőmérsékleten nehezebb magokká egyesülhetnek. Az egyesüléskor keletkezett mag tömege kisebb az egyesülő magok tömegének összegénél. Az így fellépő tömegkülönbségnek megfelelő energia a keletkező új részek mozgási energiájává alakul át. Az elemek atomjai több millió fokos hőmérsékleten sokszorosan ionizált atommagokká és elektronokká bomlanak szét (plazmaállapot). A nagy hőmérséklet következtében a plazmát alkotó atommagok között az ütközések igen gyakoriakká válnak, s a magok sebessége is megnövekszik. Ez lehetővé teszi, hogy egyes magok a közöttük ható elektromos taszító erőt legyőzve elég nagy valószínűséggel egyesüljenek. A magfúzió sebessége adott hőmérséklet és nyomás mellett az egyesülő magok anyagi minőségétől függ.

Töltésmegosztás törvénye (Charge sharing law)

 Coulomb törvénye

2 pontszerű töltés között ható erő egyenesen arányos a 2 töltés szorzatával és fordítottan arányos a közöttük lévő távolság négyzetével. 1 C a töltése annak a pontszerű testnek, amely egy ugyanakkora töltésű pontszerű testen 1m távból 9*10 a kilencediken erővel taszít.

Coulomb-erő 

Két pontszerű elektromos töltés (Q₁ és Q₂) között ható erő egyenesen arányos a két töltés szorzatával és fordítottan arányos a közöttük lévő távolság négyzetével.

Skaláris alakban 

Coulomb megfogalmazásában

ahol

F a két töltés között fellépő erő,

Q₁ és Q₂ a töltések nagysága,

r a töltések közti távolság,

k_C a Coulomb-féle arányossági tényező

k_C értéke 8,988×10⁹ Nm²C^-2 (ε₀ a teret alkotó közegre jellemző dielektromos állandó (vagy más néven relatív permittivitás), értéke légüres térben 8,854×10^‒12 C²N^-1m^-2).

Vektoriális alakban

Helyezzünk el a térben egy pontszerű Q₀ töltést, ez legyen a koordinátarendszer origója. A Q₀ töltés egy (sztatikus) elektromos teret hoz létre maga körül. Ha elhelyezünk a koordinátarendszer pontjában egy másik töltést, akkor a töltésre ható erő:

ahol

a két töltés közt ható erő vektora,

Q₀ és a pontszerű testek elektromos töltése,

az töltés helyvektora,

az irányú egységvektor.

A töltött részecskék között fellépő erőhatást Coulomb-erőnek nevezzük. Két azonos pólusú töltött részecske taszítja, két különböző vonzza egymást.

Megjegyzés 

A Coulomb-törvényhez hasonló a p₁ és p₂ mágneses pólusok között fellépő (magnetosztatikus) erőhatás mértékét megadó képlet:

ahol

F a két mágneses pólus között fellépő erő,

p₁ és p₂ a mágneses töltések nagysága,

r a töltések közti távolság,

K_m egy mértékegységrendszertől függő arányossági tényező és

μ a közeg mágneses permeabilitása.

Töltésmegosztás törvénye

Környezetétől elszigetelt rendszerben az elektromos töltés mennyisége megmarad.