Allt efni sem er umhverfis okkur er gert úr afar smáum einingum sem kallast atóm. Þessar smæstu einingar efnis raða sér saman eftir ákveðnum reglum og mynda þannig allar tegundir efnis í alheiminum. Fundist hafa 118 gerðir atóma og eru fleiri að bætast við hópinn með árunum. Atóm af einhverri einni gerð eru kölluð einu nafni frumefni.
Þó atóm séu sannarlega smæsta efniseiningin þá eru atóm samsett úr þrem öreindum, sem eru: róteindir, rafeindir og nifteindir. Róteindirnar og nifteindirnar eru í kjarna atómsins en rafeindirnar sveima umhverfis kjarnann. Róteindir hafa jákvæða rafhleðslu (+1) og rafeindir hafa neikvæða rafhleðslu (-1) en nifteindirnar eru óhlaðnar. Fjöldi róteinda og rafeinda í óhlöðnum atómum er alltaf sá sami.
Öll þekkt frumefni hafa sinn sess í lotukerfinu og eru flokkuð þar eftir efnaeiginleikum sínum. Hver gerð frumefnis hefur sitt frumefnatákn í lotukerfinu og er algengt að þar komi fram nafn frumefnis, sætistala þess, mólmassi og fleira.
Frumefnatáknin eru ýmist einn eða tveir stafir þar sem fyrri stafurinn er hafður stór (D: Fe, Na, S, O, Cl, o.s.frv.) og frumefnin hafa öll sitt heiti. Þegar frumefnin mynda efnasambönd fá þau nöfn eftir IUPAC nafnakerfi sem byggir að miklu leiti á nöfnum frumefnanna.
Sætistala frumefnisins er númer þess í lotukerfinu en sætistalan gefur okkur einnig fjölda róteinda í kjarna atóms af þeirri gerð. T.d. er Fe (sem er járn) með sætistöluna 26 og hefur því 26 róteindir í kjarna. Þar sem atóm eru alltaf án hleðslu verða því einnig að vera 26 rafeindir á sveimi umhverfis kjarna járnatóms til að núlla út jákvæða hleðslu róteindanna.
Magn frumefna í náttúru jarðar getur verið afar misjafnt, sum eru afar algeng eins og súrefni (O) og járn (Fe) en önnur eru sjaldgæf eins og xenon (Xe). Þess má geta að meginþorri frumefnanna í mannslíkamanum eru kolefni (C), súrefni (O), nitur (N) og vetni (H) en vetni er einnig algengasta frumefnið í alheiminum.
Samsætur og massatala
Massi atóma grundvallast á fjölda þeirra róteinda, rafeinda og nifteinda sem eru í atóminu. Eins og áður hefur komið fram er fjöldi róteinda sá sami og sætistala atómsins. Fjöldi rafeinda er svo sá sami og fjöldi róteinda af því gefnu að atómið hafi enga rafhleðslu.
Fjöldi nifteinda getur hinsvegar verið breytilegur á milli atóma sama frumefnis. Ein gerð af frumefni getur haft tvær, þrjár, eða jafnvel fleiri undirgerðir eftir fjölda nifteinda í kjarna atómsins. Þessar undirgerðir frumefnis kallast samsætur frumefnisins. Samsætur eru atóm sem hafa sama fjölda róteinda í kjarna en mismunandi fjölda nifteinda. Þannig eru til tvær samsætur af liþíum sem hvor fyrir sig hefur 3 róteindir í kjarna en önnur samsætan hefur 3 nifteindir en hin hefur 4 nifteindir í kjarna sínum.
Til að gera greinamun á samsætum eru notað fyrirbæri sem kallast massatölur, en massatala er heildarfjöldi einda í kjarna atómsins, þ.e. samanlagður fjöldi róteinda og nifteinda í atómi gefur massatölu þess. Þetta er hægt að setja upp í jöfnu á forminu
A = Z + N
Þar sem A er massatala, Z er róteindafjöldi og N er nifteindafjöldi. Samsætur eru oft táknaðar á tvennskonar máta. Annars vegar þar sem massatalan kemur í kjölfarið á frumefnatákninu (D: O-18 þar sem 18 er massatala súrefnis samsætunnar) eða sem veldistákn á undan frumefnatákninu ( D: 18O þar sem 18 er aftur massatalan).
Sýnidæmi 1
Við höfum samsætuna C-13. Finnu fjölda róteinda, rafeinda og nifteinda í þessari samsætu.
Sætistala C (kolefnis) er númer þess í lotukerfinu en það er 6. Það þýðir að kolefni (C) er með 6 róteindir.
Atómið er óhlaðið þannig að rafeindafjöldin er sá sami og róteindafjöldinn eða 6 rafeindir.
Massatalan er gefin sem 13. Til að finna nifteindafjöldann þarf ég að finna mismuninn á massatölu og sætistölu en hann er 13 – 6 = 7 nifteindir.
Atómmassi.
Massi atóms, kallaður atómmassi, er samanlagður massi allra öreinda sem eru í atóminu á frádregnum massa vegna kjarnakrafta sem binda öreindinar saman. Massa öreinda má sjá í töflu hér að neðan.
| Róteindir | Nifteindir | Rafeindir | |
| Hleðsla | +1 | Óhlaðið | -1 |
| Massi [kg] | 1,67262*10-27 | 1,67493*10-27 | 9,10939*10-31 |
| Massi [amu] | 1,00735 | 1,00935 | 0,000548 |
Þar sem hluti af heildarmassa öreindanna fer í kjarnakrafta er ekki hægt að leggja massa öreindanna einfaldlega saman til að fá út massa atóms heldur þarf að mæla atómmassa hverrar samsætu í massagreini (mælitæki sem getur mælt massa smárra einda). Það vill þó svo til að fyrir þorra frumefna þá er atómmassi hverrar samsætu innan við 2% frá massatölu samsæturnar.
Þegar unnið er með frumefni er oftast ekki unnið með sérstakar samsætur frumefnisins heldur náttúrulegt frumefni. Það þýðir að atómmassinn sem skal nota er vegið meðaltal af náttúrulegum hlutföllum þeirra samsæta sem tilheyra frumefninu. T.d. eru hlutföll vetnis í náttúrunni þannig að 99,99% af vetni er H-1, 0,01% af vetni er H-2 og örlítið af vetni er H-3. Út frá þessu fæst að náttúrulegur atómmassi vetnis er 1,008 atm.
Þess skal þó geta að náttúrulegur atómmassi er gagnslaust gildi í þeirri merkingu. Ef við þurfum að vinna með atómmassa þá erum við að vinna með stakar samsætur. Hinsvegar er stærð sem kallast mólmassi notuð þegar við erum að vinna með mikið magn af atómum og sameindum en mólmassi frumefna er sama tala og náttúrulegur atómmassi þeirra, þó með eininguna gr/mól. En fjallað er um mólmassa í hlutanum um efnahvörf og mólreikninga.
Sýnidæmi 2
Rafeindaskipan
Rafeindir í atómum raða sér mjög skipulega umhverfis kjarna atómsins á hvolf en efnaeiginleikar atómanna ráðast af því hvernig rafeindirnar raðast á þessi hvolf. Eftir því sem rafeindum fjöldar í kringum atóm koma þau sér fyrir á fleiri hvolfum. Stærsta frumefnið sem þekkt er í dag hefur rafeindir á 7 aðalhvolfum. Hvolfin eru tölsett út frá kjarna atómsins þar sem orka hvolfsins eykst eftir því sem fjær dregur kjarnanum.
Fjöldi rafeinda sem getur komið sér fyrir á hverju hvolfi eykst einnig eftir eftirfarandi reglu 2n^2 (tvö n í öðu veldi) þar sem n er tölunúmer hvolfsins. Þar sem rafeindir leitast við að hafa sem lægsta orku þá raðast þær alltaf fyrst á lægsta ófyllta hvolfið þar til það fyllist og svo koll af kolli. T.d er klór með samtals 17 rafeindir og rafeindirnar raðast þannig að 2 rafeindir er á fyrsta aðalhvolfi, 8 rafeindir á öðru aðalhvolfi, og síðan 7 á þriðja aðalhvolfi.
á myndinni gefa til kynna.
Innan hvers aðalhvolfs má svo finna undirhvolf. Undirhvolfin eru fjögur sem kallast s, p, d og f. Þá geta s-undirhvolf tekið við tveim rafeindum, p-undirhvolf geta tekið við sex rafeindum, d-undirhvolf geta tekið við tíu rafeindum og f-undirhvolf geta tekið við fjórtán rafeindum. Reglan fyrir röðun rafeinda undirhvolf er sú sama og aðalhvolfin, þ.e að rafeindir raðast fyrst á orkulægsta lausa hvolfið og svo koll af kolli þar til allar rafeindir hafa fengi sinn sess. Þessi röðun rafeinda er kölluð rafeindaskipan atóms.
Hægt er að nota myndina hér til hægri til að raða undirhvolfunum í orkuröð sýna. Örunum er einfaldlega fylgt eftir þar til nægilegur fjöldi undirhvolfa er komin fyrir það atóm sem verið er að finna rafeindaskipan.
Einnig er hægt að nota lotukerfið til að rita rafeindaskipan. Í því tilfelli þarf að skipta lotukerfinu upp í flokka eins og sést á mynd hér að neðan. Flokkarnir tákna þá það svigrúm sem inniheldur síðustu rafeindir atómsins. T.d. er sink (Zn) í 3d, sem þýðir að síðustu rafeindir þess eru í 3d svigrúminu. Aðrar rafeindir raða sér í þau svigrúm sem koma fyrir á undan 3d svigrúminu.
Hér fyrir neðan er síðan myndband sem sýnir hvernig þetta er gert.
Jónir
Atóm geta misst eða tekið við rafeindum við ákveðnar aðstæður. Þegar slíkt gerist þá breytist hleðsla atómsins og við köllum það jón. Hafi atóm tekið við rafeind verður hleðsla þess neikvæð sem samsvaran fjölda rafeinda sem atómið tók við. Hafi hinsvegar atóm misst rafeind verður hleðsla þess jákvæð sem samsvarar fjölda rafeinda sem atómið missti. Klóratóm getur til dæmis tekið við einni rafeind og fær þá hleðsluna 1- og magnesíumatóm getur gefið frá sér tvær rafeindir og fengið þá hleðsluna 2+.
Fjöldi rafeinda sem að atóm tekur við eða gefur frá sér er ekki tilviljanakenndur. Atóm leitast við að ná orkulægsta formi sínu. Fyrir fyrstu 20 frumefnin í lotukerfinu gildir svokölluð átturegla en hún segir að jónir leitist við að hafa sömu rafeindaskipan og eðalgastegundirnar sem hafa öll átta rafeindir á sýnu ysta rafeindahvolfi, fyrir utan helíum (He) sem hefur tvær, en eðalgastegundirnar eru einmitt afar stöðug og óhvarfgjörn frumefni.
Sem einfalda nálgun má ímynda sér rafeindahvolfin sem brautir umhverfis kjarnann líkt og pláneturnar sveima umhverfis sóluna. Slíkt er þó ekki rétt mynd en það er gott að vinna með það form. Rafeindirnar raða sér síðan á þessar brautir eftir fyrrgreindum reglum. Eins og sjá má á myndunum þá hefur magnesíumatóm 12 rafeindir sem raða sér þannig að tvær rafeindir eru á fyrsta hvolfi, 8 rafeindir eru á öðru hvolfi og 2 rafeindir eru á þriðja hvolfi. Til að mynda stöðuga jón þarf magnesíumatómið því að gefa frá sér tvær rafeindir, fær þannig átta rafeindir á ysta hvolf sitt og myndar stöðuga magnesíumjón með hleðsluna 2+.
Á sama máta má sjá að flúoratóm myndar flúorjón með einni neikvæðri hleðslu og álatóm mynda áljón með þremur jákvæðum hleðslum. Þetta gerist þó ekki í tómarúmi, heldur þarf alltaf að vera til staðar bæði atóm sem taka við rafeindum og atóm sem gefa frá sér rafeindir. Þetta skoðum við nánar í sameindahlutanum.
Efnin sem hafa hærri sætistölu en 20 mynda auðvitað einnig jónir, en reglur um myndun þeirra er flóknari og fjölbreyttari og er utan þess sviðs sem þetta kennsluefni spannar. Hægt að fá töflu með öllum þeim gerðum jóna sem myndast. Þar má sjá að t.d. geta hliðarmálmarnir myndað nokkrar gerðir af jákvætt hlöðnum jónum og önnur frumefni geta myndað bæði jákvætt og neikvætt hlaðnar jónir.
Gildisrafeindir
Gildisrafeindir eru þær rafeindir sem staðsettar eru á yfirborði atóms. Þetta eru þær rafeindir sem hafa mest um efnaeiginleika frumefna að segja. Fjöldi gildisrafeinda atóms ræðst af rafeindaskipan frumefnisins en þær rafeindir sem eru í síðustu undirhvolfum atómsins teljast til gildisrafeinda þess. Fyrir þungu frumefnin getur þetta verið eilítið flókið en fyrir fyrstu tuttugu frumefnin má nýta lotukerfið til að finna fjölda gildisrafeinda.
Í flestum lotukerfum er tala sem er rituð ofan við dálka lotukerfisins, t.d I A, II A, III A og svo framvegis. Rómverska talan táknar fjölda gildisrafeinda atóms fyrir frumefnin sem eru í þeim dálki. T.d. eru gildirrafeindir flúors ( Frumefnatákn: F) því 7 talsins.
Sýnidæmi 3
