Irving Langmuir
(18811957)

Az elektronok elrendezése az atomokban és a molekulákban

The Journal of the American Chemical Society 41, 868934 (1919)

in: Henry Marshall Leicester: A Source Book in Chemistry 19001950
(Harvard University Press, Cambridge, Massachusetts, 1968)


Az atomszerkezet kérdését elsõsorban a fizikusok tárgyalják, akik kevéssé törõdnek a kémiai tulajdonságokkal, amelyeket végsõ soron atomszerkezeti elmélettel kell megmagyarázni. A kémiai tulajdonságok és viszonyok átfogó ismeretének, mint amilyet a periódusos rendszer is összegez, jobb alapot kell szolgáltatnia az atomszerkezeti elmélethez, mint a tisztán fizikai összefüggéseket tükrözõ, viszonylag kevés fizikai adatnak.

Kossel és Lewis jelentõs sikereket ért el a probléma ilyen jellegû kezelése terén. A jelen dolgozat ezeket az elméleteket kívánja továbbfejleszteni és némiképp módosítani.

...

A jelen dolgozatban bemutatott elmélet lényegében a Lewis-féle "köbös atom" elméletének kiterjesztése. A legtömörebben a következõ posztulátumok alapján fogalmazható meg.

1. Az atomokban az elektronok vagy állnak, vagy az atomban meghatározott helyek körül forognak, keringenek vagy oszcillálnak. A legstabilabb atomokban, nevezetesen az iners gázokban, az elektronok helyzete szimmetrikus egy síkra, amelyet ekvatoriális síknak nevezünk, és az atom közepén elhelyezkedõ magon halad át. Az ekvatoriális síkban nem fekszenek elektronok. Erre a síkra merõlegesen van egy szimmetriatengely (poláris tengely), amelyen 4 másodlagos szimmetriasík halad át, egymással 45 o-os szöget bezárva. Ezek az atomok tehát egy tetragonális kristály szimmetriáját mutatják.

2. Az elektronok minden atomban koncentrikus, (csaknem) gömb alakú, azonos vastagságú héjakon oszlanak el. Tehát a héjak átlagos sugara az 1, 2, 3, 4 számtani sort alkotja, effektív felületük az 1:22:32:42 arányt követi.

3. Mindegyik héj cellákra oszlik vagy a cellák azonos területet foglalnak el héjaikban, és az 1. posztulátum által megkövetelt szimmetria szerint oszlanak el a héjak felületén. Tehát az elsõ héj 2 cellát, a második 8, a harmadik 18, a negyedik 32 cellát tartalmaz.

4. Az elsõ héjon minden cella csak egy elektront tartalmazhat, de minden másik héjon egyet vagy kettõt tartalmazhat. Minden belsõ héjnak meg kell telnie a megfelelõ számú elektronnal, mielõtt a külsõ héjra is jutna elektron. A külsõ héjon egyetlen cella sem tatalmazhat két elektront addig, amíg abban a rétegben az összes többi cella legalább egyet nem tartalmaz.

5. Az azonos cellában levõ két elektron nem taszítja vagy vonzza egymást nagy erõvel. Ez valószínûleg azt jelenti, hogy egy mágneses vonzás (Parson-féle mágneses elmélet) csaknem kioltja az elektrosztatikus taszítást.

6. Ha a külsõ héjon kevés elektron van, az elektronok elrendezését az alsó elektronok (mágneses?) vonzása határozza meg. De ha az elektronok száma nõ, különösen ha a réteg csaknem teljes, az alsó elektronok és a külsõ héjon levõ elektronok elektrosztatikus taszítása válik dominánssá.

7. Az atomok tulajdonságait elsõsorban a külsõ héjon levõ elektronok száma és elrendezése határozza meg, valamint az, hogy az atom milyen könnyen tud elektronok leadásával vagy felvételével stabilabb alakot ölteni.

8. Az iners gázoknak megfelelõ stabil és szimmetrikus elektronelrendezést erõs belsõ és gyenge külsõ erõterek jellemzik. Minél kisebb a rendszám, annál gyengébb a külsõ tér.

9. A legstabilabb elektronelrendezés a héliumatom két elektronjának elrendezése. Stabil pár tartozhat még: a) egyetlen hidrogénmaghoz, b) két hidorgénmaghoz, c) egy hidrogénmaghoz és egy másik atom kerneléhez, két kernelhez (nagyon ritka).

10. A következõ legstabilabb elektronelrendezés az oktett, tehát egy 8 elektronból álló csoport, amilyen a neonatom második héján van. Minden atom, amelynek a rendszáma 20-nál kisebb, és 3-nál több elektronja van a külsõ héján, tendenciát mutat arra, hogy elegendõ elektront vegyen fel oktettjének kialakításához.

11. Két oktettnek lehet egy, két vagy néha 3 közös elektronpárja. Egy oktett egy, két, három vagy négy elektronpárt oszthat meg egy, két, három vagy négy másik oktettel. Egy oktett egy vagy több elektronpárján megfelelõ számú hidrogénmag osztozhat. Egyetlen elektronon sem osztozhat két oktettnél több.

Az elmélet megmagyarázza az összes elem periodikus tulajdonságait, beleértve a nyolc csoportot és a ritkaföldfémeket. Sikeresen magyarázza az elemek mágneses tulajdonságait, és ugyanolyan jól alkalmazható az úgynevezett fizikai tulajdonságokra, például a forráspontra, fagyáspontra, elektromos vezetõképességre stb., mint a "kémiai tulajdonságokra". Mind a poláros, mind a nem poláros anyagok vegyértékének egyszerû elméletéhez vezet. A szerves vegyületek esetében az eredmények azonosak a szokásos vegyérték-elmélet eredményeivel, míg az oxigén-, nitrogén-, klór-, kén- és foszforvegyületek esetében az új elmélet a szerves vegyületekre is vonatkozik, noha a szokásos vegyérték-elmélet szinte teljesen kudarcot vall.

Ez az elmélet azoknak a vegyületeknek a szerkezetét is megmagyarázza, amelyek a Werner-elmélet szerint másodrendû, 4-es koordinációs számú vegyületek. A jelen elmélet szerint ezeket a vegyületeket inkább tipikus elsõdleges vegyértékkel rendelkezõ vegyületeknek kell tekinteni.

A vegyérték-elmélet a következõ egyszerû egyenleten alapul:

e = 8n 2p,

ahol e a molekula összes atomjának héjain rendelkezésre álló elektronok teljes száma, n a külsõ héjakat képezõ oktettek száma, és p az oktettek közös elektronpárjainak száma. Ez az egyenlet az elsõdleges vegyérték követelményének teljes matematikai megfogalmazása, amely nemcsak a szerves, hanem a szervetlen vegyületek esetére is érvényes.

Az elmélet nagyon határozott elképzelésekhez vezet a molekulák elektronjainak helyzetét vagy a vegyületek térrácsát illetõen. A nitrogén-, a szén-monoxid, a hidrogén-cianid és a NO molekulák szerkezete kivételesnek bizonyul annyiból, hogy a molekulában mindkét atom kernele egyetlen oktetten belül van. Ez magyarázza a nitrogén és a szén-monoxid gyakorlatilag azonos "fizikai" tulajdonságait és a nitrogénmolekula szokatlan közömbösségét.

A posztulátumok alkalmazásával kapott eredmények olyan szembeszökõek, hogy a posztulátumok helyességét bizonyíthatják.

Ezek a következtetések azonban nem egyeztethetõk össze a Bohr-féle atomelmélettel. Bohr stacionárius állapotai igen szoros hasonlóságot mutatnak a jelen elméletben posztulált cellás szerkezettel. Feltûnõ hasonlóságot találunk J. J. Thomson atomszerkezeti elméletével is, amelyben Thomson feltételezi, hogy a vonzóerõk bizonyos erõcsövekre korlátozódnak.
 


Kémiatörténet http://www.kfki.hu/chemonet/
http://www.chemonet.hu/