Veszprémi Tamás, Veszprémi Tamás veszpremi.tamas@vbk.bme.hu

Általános kémia

Negyedik, átdolgozott kiadás

4. kiad.

14.4.1. A molekulák alakja

Már megint? Az előző pontban is éppen ezt gyúrtuk! Valóban, csakhogy ott az atomokat hallgatólagosan adott méretű gombócoknak tekintettük. Úgy is mondhatjuk, hogy igazából a molekula atommagjainak elhelyezkedését vizsgáltuk. Az atomok méretét pedig önkényesen az elektron tartózkodási valószínűségének mondjuk 90%ával definiáltuk. Ezen is érdemes egy kicsit elgondolkozni.

Az elmúlt száz évben sokat változott a világ, és benne az elképzelésünk arról, hogyan is néz ki egy molekula. Mindazonáltal, a klasszikus vegyértékfogalom alapján még ma is sokak szeme előtt lebeg az a kép, melyben az atomokat kis vonalkák, „vegyértékek” kötik össze egymással. Más modellek az atomok relatív méretét veszik alapul, hogy a molekulát többékevésbé átlapoló gömbök alakjában képzeljék el (11.43. ábra).

11.43. ábra. A víz néhány szokásos molekulamodellje

Próbáljunk a kvantummechanikai leírás alapján modellt adni! Modellünk alapja, szilárd váza továbbra is atommagokból áll, melyeket az elektronok eloszlása, burka vesz körül. Az elektronsűrűségeloszlás exponenciálisan csökken az atommagoktól távolodva. Ez olvasható ki például a 10.18. vagy a 11.4. ábrán (ahol ugyan a Ψfüggvény menete látható, de a Ψ2 is hasonló eloszlású).

11.44. ábra. Többelektronos atom elektronsűrűsége az egyes pályákon vett elektronsűrűségek összege

Amennyiben az atomon több elektron található különböző pályákon, a teljes atomi elektronsűrűség az egyes pályák elektronsűrűségeinek összege. Ennek az lehet a következménye, hogy az exponenciális lecsengés kissé „zilált” külsőt ölt, hiszen pl. a 2s pályán egy kis elektronsűrűségmaximum van az atommagtól picit távolabb, a 2p pályán pedig éppen az atommagban zérus a sűrűség (11.44. ábra). A további, nagyobb kvantumszámú pályák még változatosabbak egyre több apró huplival. Mindazonáltal, ha összegezzük a pályák elektronsűrűségeit, továbbra is az atommagból kiinduló lecsengő exponenciális dominál.

11.45. ábra. Kétatomos molekula elektronsűrűségeloszlása a molekulatengely mentén

A 11.45. ábrán egy hipotetikus kétatomos molekula (legyen pl. HF) elektronsűrűségének menetét tüntettük fel a molekula tengelye mentén. Az egyszerűség kedvéért most kisimítottuk az előbb tárgyalt huplikat, viszont felhívjuk a figyelmet az A atom elektronsűrűségén nyíllal jelölt tartományra. A lecsengő exponenciálison a kis duzzanat egy magányos elektronpárt képvisel. Ellentétben a hiedelemmel, a magányos elektronpár nem hoz létre maximumot az elektronsűrűség eloszlásában, legfeljebb csak egy kis „zavart” a csökkenő elektronsűrűségben. Mai tudásunk szerint a sűrűségnek csak az atommagokban van számottevő maximuma. Nagy ritkán, ha a csillagok állása, az atomtávolságok és egyéb körülmények éppen megfelelőek, előfordulhat, hogy az atomok között is kialakul egy picurka maximum. Jó például szolgálnak erre az elektridek: az alkálifémek nagy nyomáson (lásd 11.1.5. pont), vagy például az Na2He nemesgázvegyület (lásd Nature Chemistry, 9. kötet, 409. oldal, 2017, illetve az 5. fejezet 76. példája), melyben a pozitív nátriumionokat a közöttük levő térben koncentrálódó elektronpárok egyensúlyozzák ki, nem pedig a Heatomok, melyek a molekulában továbbra is semlegesek.

A magoktól távolodva vajon hol vágjuk le az exponenciálist? Hol van az egyik atom vége és hol kezdődik a másik atom? Ez nyilván megállapodás kérdése, ámde ettől függ az atomok mérete és a molekula alakja!

11.46. ábra. A vízmolekula alakja különböző elektronsűrűség-határok mellett

A 11.46. ábrán a vízmolekula alakját, körvonalait rajzoltuk meg különböző elektronsűrűséghatárok mellett. Az a) ábrán a burkolófelületet nagy elektronsűrűségnél választottuk. Csak az oxigén körül látható némi elektronfelhő, a hidrogén atommagok csupaszok. Az oxigén körüli felület sem gömb alakú, jelezvén a molekula síkjára merőleges orientációjú magányos elektronpárt, valamint a pillanatnyilag nem is látható hidrogéneket. Csökkentve a sűrűséghatárt, az oxigén körüli burkolófelület egyre jobban hízik. Hamarosan megjelennek a hidrogénatomok elektroneloszlásai apró, különálló pamacsok formájában b). A kis pamacsok egyre nőnek, ugyanakkor az oxigén elektronsűrűségén a hidrogénekkel szemközt „pattanások” jelennek meg c). A d) ábra azt a helyzetet mutatja, mikor a kis pamacsok éppen összefolynak az oxigén elektroneloszlásával. Az e) ábrán a három különálló elektronfelhő már jól láthatóan eggyé olvad: lám kialakult a H2Omolekula. A következő ábrákon már jó vastag és egyre hízó elektronburkokat láthatunk. Végül a j) ábrán – igen kis elektronsűrűséget véve határnak – a molekula alakja közeledik a gömbszimmetriához.

11.47 ábra. Az etil-alkohol alakja különböző elektronsűrűség-határok mellett

A 11.47. ábrán hasonló képsorozat látható az etilalkoholmolekulára. Érdemes megfigyelni, hogy az oxigénhez kötődő hidrogén elektronfelhője később jelenik meg a színen, mint a többi hidrogéné, de sokkal gyorsabban fejlődik. A c) ábrán már össze is olvad az oxigénével, tisztán jelezve azt a jól ismert kémiai tapasztalatot, hogy az –OHcsoport önálló funkciós csoportként működik. Még nem alakultak ki, de már jól láthatóak az elkülönült –CH3– és –CH2csoportok. A d) ábra alapján arra következtethetünk, hogy a –CH3 és –CH2csoportok együttesen etil-csoportot alkotnak (ezt is alátámasztja a kémiai tapasztalat). Itt már kifejlődött a „táncoló kiskutya” ábrája, amikor az –OH– és az etil-csoport egybeolvad. Tovább csökkentve a határként választott elektronsűrűséget, a kiskutya egyre hízik, majd elveszti kutyaformáját, és végül úgy kigömbölyödik, mint egy malac… Mit malac, mint egy kövér lufi! Kellően kis elektronsűrűséget választva, a határoló felület minden molekulára gömbszerű.

A fentiek alapján látható, hogy az atomnak nincs igazából határozott mérete, a molekulának pedig határozott alakja, az alakot a képzeletünk sugallja. Mostantól kezdve tehát az olvasóra van bízva, hogy a fönti határok képzeletbeli meghúzásával milyen alakot képzel a molekulához. Mindenesetre azt megjegyezzük, hogy a gömbalakkal nagyot nem tévedhet. (Csak kissé nagy lesz a molekula…)

Tartalomjegyzék

Kiadó: Akadémiai Kiadó

Online megjelenés éve: 2026

Nyomtatott megjelenés éve: 2026

ISBN: 978 963 664 114 6

Kémia

A kémiának számos ága létezik (szerves, szervetlen, fizikai, analitikai, bio- és polimer-kémia stb.), de általános kémia nevű diszciplínát nem ismerünk. Mégis: a General Chemistry, Allgemeine Chemie, Общая химия kifejezések jól ismertek az egész világon. A világ minden részén százszámra találhatók ilyen címmel könyvek, és aligha van olyan egyetemi kémia fakultás, ahol ez a tantárgy ismeretlen. Az általános kémia kurzusok és könyvünk célja az, hogy az olvasó középiskolából hozott kémiai ismereteit olyan szintre segítse, amelyre a fenti szaktárgyak alapozhatnak. Feladata az alapfogalmak definiálása, mintegy a kémiai nyelv alapszókincsének megismertetése, a fontosabb fizikai és kémiai jelenségek és összefüggések megvilágítása.

A könyv több – tipográfiailag is elkülönített – szinten használható. Anyaga a középiskolai kémiától elvezet az egyetemek másod- és harmadéves fizikai kémia tárgyáig. A fontos jelenségek mellé a haladók számára mélyebb magyarázatokat mellékel, melyeket a kezdők nyugodtan átugorhatnak anélkül, hogy ez gátolná a fő gondolat-menet megértését. Az olvasót számos érdekesség, tudománytörténeti kitekintés, rengeteg színes ábra, fénykép és több száz kidolgozott példa is segíti.

Könyvünk elsőrendű célja tehát adott: bevezetés vagy inkább átvezetés a felsőfokú kémiába. A megcélzott olvasókör is adott: érdeklődő középiskolásoknak éppúgy szól, mint első- és másodéves, kémiát tanuló egyetemi hallgatóknak. Emellett ajánlható a középiskolák kémiatanárainak is: számos, a középiskolákban is könnyen használható anyagot tartalmaz – másként, mint ahogyan a középiskolákban általában tanítani szokás. Végül, de nem utolsósorban ajánljuk a könyvet mindazoknak, akik bármikor, bármilyen szinten belekóstoltak vagy belemerültek a kémia izgalmas világába.

Hivatkozás: https://mersz.hu/altalanos-kemia-uj//

BibTeX EndNote Mendeley Zotero