Samantekt

2.1 Fyrstu hugmyndir atómkenningarinnar

Forn-Grikkir settu fram þá tilgátu að efni væri samsett úr afar smáum eindum sem kallast frumeindir. Dalton setti fram þá kenningu að hvert frumefni hefði sína einkennandi tegund frumeinda sem væri frábrugðin frumeindum allra annarra frumefna í eiginleikum. Hann taldi einnig að frumeindir mismunandi frumefna gætu sameinast í föstum, smáum heiltöluhlutföllum og myndað efnasambönd. Öll sýni af tilteknu efnasambandi hafa sömu hlutföll frumefna miðað við massa. Þegar tvö frumefni mynda mismunandi efnasambönd sameinast tiltekinn massi annars frumefnisins ákveðnum massa hins frumefnisins í smáu heiltöluhlutfalli. Við hvers kyns efnabreytingar verða frumeindir hvorki til né eyðast.

2.2 Þróun atómkenningarinnar

Þótt enginn hafi í raun séð inn í frumeind hafa tilraunir leitt margt í ljós um byggingu hennar. Bakskautsgeislarör Thomsons sýndi fram á að frumeindir innihalda smáar, neikvætt hlaðnar eindir sem kallast rafeindir. Millikan uppgötvaði að til er grundvallarrafhleðsla — hleðsla rafeindarinnar. Gullþynnutilraun Rutherfords sýndi að frumeindir hafa lítinn, þéttan og jákvætt hlaðinn kjarna; jákvætt hlöðnu eindirnar í kjarnanum kallast róteindir. Chadwick uppgötvaði að kjarninn inniheldur einnig óhlaðnar eindir sem kallast nifteindir. Soddy sýndi fram á að frumeindir sama frumefnis geta verið mismunandi að massa, og kallast þær samsætur.

2.3 Atómbygging og táknmál

Frumeind er samsett úr litlum, jákvætt hlöðnum kjarna sem er umlukinn rafeindum. Kjarninn inniheldur róteindir og nifteindir, og er þvermál hans um það bil 100.000 sinnum minna en þvermál frumeindarinnar. Massi einnar frumeindar er venjulega gefinn upp í atómmassaeiningum (amu) og kallast atómmassi. Ein atómmassaeining (amu) skilgreinist sem nákvæmlega 1/12 af massa ¹²C-frumeindar og jafngildir 1,6605 × 10⁻²⁴ g.

Róteindir eru tiltölulega þungar eindir með hleðsluna 1+ og massann 1,0073 amu. Nifteindir eru tiltölulega þungar eindir án hleðslu og með massann 1,0087 amu. Rafeindir eru léttar eindir með hleðsluna 1− og massann 0,00055 amu. Fjöldi róteinda í kjarnanum kallast sætistala (Z) og er sá eiginleiki sem ákvarðar hvaða frumefni frumeindin tilheyrir. Samtala fjölda róteinda og nifteinda í kjarnanum kallast massatala og er hún, þegar hún er gefin upp í amu, um það bil jöfn massa frumeindarinnar. Frumeind er óhlaðin þegar hún inniheldur jafn margar rafeindir og róteindir.

Samsætur frumefnis eru frumeindir með sömu sætistölu en mismunandi massatölu; samsætur frumefnis eru því aðeins frábrugðnar hver annarri hvað varðar fjölda nifteinda í kjarnanum. Þegar frumefni sem fyrirfinnst í náttúrunni er samsett úr nokkrum samsætum er atómmassi frumefnisins meðaltal af massa þeirra samsætna. Efnatákn auðkenna frumeindir í efni og eru þau einnar, tveggja eða þriggja stafa skammstafanir fyrir frumeindirnar.

2.4 Efnaformúlur

Sameindaformúla notar efnatákn og lágvísa til að gefa upp nákvæman fjölda hverrar tegundar frumeinda í sameind eða efnasambandi. Reynsluformúla sýnir einfaldasta heiltöluhlutfall frumeinda í efnasambandi. Byggingarformúla sýnir hvernig frumeindirnar tengjast í sameindinni. Kúlu- og stafalíkön og rúmfyllingarlíkön sýna rúmfræðilega uppröðun frumeinda í sameind. Ísómerur eru efnasambönd með sömu sameindaformúlu en mismunandi uppröðun frumeinda.

2.5 Lotukerfið

Uppgötvun á reglubundinni endurtekningu svipaðra eiginleika meðal frumefna leiddi til mótunar lotukerfisins, þar sem frumefnunum er raðað eftir vaxandi sætistölu í raðir sem kallast lotur og dálka sem kallast flokkar. Frumefni í sama flokki lotukerfisins hafa svipaða efnafræðilega eiginleika. Frumefnum má skipta í málma, hálfmálma og málmleysingja, eða í aðalflokksfrumefni, hliðarmálma og innri hliðarmálma. Flokkar eru tölusettir frá 1 til 18 frá vinstri til hægri. Frumefnin í flokki 1 kallast alkalímálmar; þau í flokki 2 eru jarðalkalímálmar; þau í flokki 15 eru pniktógen; þau í flokki 16 eru kalkógen; þau í flokki 17 eru halógenar; og þau í flokki 18 eru eðalgastegundir.

2.6 Jóna- og sameindaefni

Málmar (sérstaklega þeir í flokkum 1 og 2) hafa tilhneigingu til að tapa þeim fjölda rafeinda sem skilur þá eftir með sama fjölda rafeinda og næstu eðalgastegund á undan í lotukerfinu, og myndast við það jákvætt hlaðin jón. Á sama hátt geta málmleysingjar (einkum þeir í flokkum 16 og 17, og í minna mæli þeir í flokki 15) tekið til sín þann fjölda rafeinda sem þarf til að frumeindirnar fái sama fjölda rafeinda og næstu eðalgastegund á eftir í lotukerfinu. Málmleysingjar hafa því tilhneigingu til að mynda neikvætt hlaðnar jónir. Jákvætt hlaðnar jónir kallast katjónir og neikvætt hlaðnar jónir kallast anjónir. Jónir geta ýmist verið einatóma (innihalda aðeins eina frumeind) eða fjölatóma (innihalda fleiri en eina frumeind).

Efnasambönd sem innihalda jónir kallast jónaefni og myndast þau yfirleitt úr málmum og málmleysingjum. Efnasambönd sem innihalda ekki jónir heldur eru gerð úr frumeindum sem eru bundnar þétt saman í sameindir (óhlaðnir hópar frumeinda sem hegða sér sem ein heild) kallast sameindaefni eða samgild efnasambönd. Sameindaefni myndast venjulega úr tveimur málmleysingjum.

2.7 Nafnakerfi efna

Efnafræðingar nota nafnakerfisreglur til að gefa efnasamböndum skýr heiti. Jónaefni og sameindaefni eru nefnd með nokkuð ólíkum aðferðum. Jónaefni úr tveimur frumefnum eru venjulega gerð úr málmi og málmleysingja. Nafn málmsins er ritað fyrst og þar á eftir kemur nafn málmleysingjans með endingunni breyttri í -íð. Til dæmis kallast K₂O kalíumoxíð. Ef málmurinn getur myndað jónir með mismunandi hleðslu er rómverskri tölu í sviga skeytt aftan við nafn málmsins til að tilgreina hleðsluna. Þannig er FeCl₂ járn(II)klóríð og FeCl₃ járn(III)klóríð. Sum efnasambönd innihalda fjölatóma jónir, og ætti að læra heiti algengustu fjölatóma jónanna utan að. Sameindaefni geta myndað efnasambönd með mismunandi hlutföllum frumefna sinna, og því eru forskeyti notuð til að tilgreina fjölda frumeinda hvers frumefnis í sameind efnasambandsins. Dæmi um þetta eru SF₆, brennisteinshexaflúoríð, og N₂O₄, tvíköfnunarefnistetraoxíð. Sýrur eru mikilvægur flokkur efnasambanda sem innihalda vetni og lúta sérstökum nafnakerfisreglum. Tvíefnissýrur fá íslensk sýruheiti sem oft eru mynduð með vetnis-; HCl(aq) er saltsýra. Súrefnissýrur eru nefndar með því að breyta endingu anjónsins (-at í -sýra og -ít í -sýrlingur); H₂CO₃ er kolsýra.