Az atomok szerkezete - az anyag elemi részecskéi, elektronok, protonok, neutronok
A természetben minden fizikai test az anyagnak nevezett anyagfajtából áll. Az anyagokat két fő csoportra osztják: egyszerű és összetett anyagokra.
Komplex anyagoknak nevezzük azokat az anyagokat, amelyek kémiai reakciók során más, egyszerűbb anyagokra bomlanak le. Az összetett anyagokkal ellentétben az egyszerű anyagok azok, amelyek kémiailag nem bonthatók még egyszerűbb anyagokra.
Példa egy összetett anyagra a víz, amely kémiai reakcióval két másik, egyszerűbb anyagra - hidrogénre és oxigénre - bomlik. Ami az utóbbi kettőt illeti, ezek már nem bonthatók le kémiailag egyszerűbb anyagokra, ezért egyszerű anyagok, vagy más szóval kémiai elemek.
A 19. század első felében a tudományban az a feltételezés élt, hogy a kémiai elemek változatlan anyagok, amelyeknek nincs közös kapcsolatuk egymással. Az orosz tudós, D. I. Mengyelejev (1834-1907) azonban először 1869-benfeltárja a kémiai elemek kapcsolatát, megmutatva, hogy mindegyikük minőségi jellemzője a mennyiségi jellemzőjüktől - az atomtömegtől - függ.
A kémiai elemek tulajdonságait tanulmányozva D. I. Mengyelejev észrevette, hogy tulajdonságaik atomtömegüktől függően időszakosan ismétlődnek. Ezt a periodicitást táblázat formájában mutatta meg, amely „Mengyelejev elemeinek periódusos rendszere” néven lépett be a tudományba.
Alább látható Mengyelejev modern periódusos rendszere a kémiai elemekről.
Atomok
A modern tudományos elképzelések szerint minden kémiai elem a legkisebb anyagi (anyagi) részecskék, az úgynevezett atomok gyűjteményéből áll.
Az atom egy kémiai elem legkisebb része, amely kémiailag már nem bontható le más, kisebb és egyszerűbb anyagrészecskékre.
A különböző természetű kémiai elemek atomjai fizikai-kémiai tulajdonságaikban, szerkezetükben, méretükben, tömegükben, atomsúlyukban, saját energiájukban és néhány egyéb tulajdonságukban különböznek egymástól. Például a hidrogénatom tulajdonságaiban és szerkezetében élesen eltér az oxigénatomtól, utóbbi pedig az uránatomtól stb.
A kémiai elemek atomjai rendkívül kis méretűek. Ha feltételesen feltételezzük, hogy az atomok gömb alakúak, akkor átmérőjüknek meg kell egyeznie a centiméter százmilliomod részével. Például egy hidrogénatom átmérője - a természet legkisebb atomja - a centiméter százmilliomod része (10-8 cm), és a legnagyobb atomok, például az uránatom átmérője nem haladja meg a háromszázat. milliomod centiméter (3 10-8 cm).Ezért a hidrogénatom annyiszor kisebb, mint az egy centiméter sugarú gömb, mint ahányszor az utóbbi kisebb, mint a földgömb.
Az atomok igen kis mérete miatt tömegük is nagyon kicsi. Például egy hidrogénatom tömege m = 1,67· 10-24 Ez azt jelenti, hogy egy gramm hidrogén körülbelül 6·1023 atomot tartalmaz.
A kémiai elemek atomtömegének hagyományos mértékegységéhez az oxigénatom tömegének 1/16-át veszik. A kémiai elem ezen atomtömegének megfelelően absztrakt számot nevezünk, amely azt jelzi, hogy egy adott kémiai elem tömege hányszor nagyobb, mint egy oxigénatom tömegének 1/16-a.
A D. I. Mengyelejev elemeinek periódusos rendszerében az összes kémiai elem atomtömege szerepel (lásd az elem neve alatti számot). Ebből a táblázatból láthatjuk, hogy a legkönnyebb atom a hidrogénatom, amelynek atomtömege 1,008. A szén atomtömege 12, az oxigén 16 és így tovább.
Ami a nehezebb kémiai elemeket illeti, azok atomtömege több mint kétszázszorosa a hidrogén atomtömegének. Tehát a higany atomértéke 200,6, a rádium 226 és így tovább. Minél nagyobb számsorrendet foglal el egy kémiai elem az elemek periódusos rendszerében, annál nagyobb az atomtömeg.
A kémiai elemek atomtömegének többségét törtszámként fejezzük ki. Ez bizonyos mértékig azzal magyarázható, hogy az ilyen kémiai elemek egy sor különböző atomtömegű, de azonos kémiai tulajdonságú atomból állnak.
Izotópoknak nevezzük azokat a kémiai elemeket, amelyek az elemek periódusos rendszerében azonos számot foglalnak el, és ezért azonos kémiai tulajdonságokkal rendelkeznek, de eltérő atomtömeggel.
Az izotópok a legtöbb kémiai elemben megtalálhatók, két izotóp van, kalcium - négy, cink - öt, ón - tizenegy stb. Sok izotóp a művészet révén nyerhető, ezek egy része nagy gyakorlati jelentőséggel bír.
Az anyag elemi részecskéi
Sokáig azt hitték, hogy a kémiai elemek atomjai jelentik az anyag oszthatóságának határát, vagyis mintegy a világegyetem elemi "építőkövei". A modern tudomány elutasítja ezt a hipotézist azzal, hogy megállapítja, hogy bármely kémiai elem atomja még kisebb anyagrészecskék halmaza, mint maga az atom.
Az anyag szerkezetének elektronelmélete szerint bármely kémiai elem atomja egy központi magból álló rendszer, amely körül az anyag "elemi" részecskéi, az úgynevezett elektronok keringenek. Az atommagok az általánosan elfogadott nézetek szerint "elemi" anyagrészecskék - protonok és neutronok - halmazából állnak.
Az atomok szerkezetének és a bennük zajló fizikai-kémiai folyamatok megértéséhez legalább röviden meg kell ismerkedni az atomokat alkotó elemi részecskék alapvető jellemzőivel.
Megállapítást nyert, hogy az elektron valódi részecske, amely a természetben megfigyelt legkisebb negatív elektromos töltéssel rendelkezik.
Ha feltételesen feltételezzük, hogy az elektron, mint részecske gömb alakú, akkor az elektron átmérője 4 ·10-13 cm legyen, azaz több tízezerszer kisebb, mint az egyes atomok átmérője.
Az elektronnak, mint minden más anyagrészecskének, van tömege. Az elektron „nyugalmi tömege”, vagyis a relatív nyugalmi állapotban birtokolt tömege egyenlő mo = 9,1 · 10-28 G.
Az elektron rendkívül kicsi "nyugalmi tömege" azt jelzi, hogy az elektron tehetetlenségi tulajdonságai rendkívül gyengék, ami azt jelenti, hogy az elektron váltakozó elektromos erő hatására sok milliárd periódusos frekvenciával oszcillálhat a térben. második.
Az elektron tömege olyan kicsi, hogy egy gramm elektron előállításához 1027 egységre van szükség. Annak érdekében, hogy legalább valami fizikai elképzelésünk legyen erről a kolosszálisan nagy számról, adunk egy példát. Ha egy gramm elektront egyenes vonalba lehetne rendezni egymáshoz közel, akkor négymilliárd kilométer hosszú láncot alkotnának.
Az elektron tömege, mint minden más anyagi mikrorészecske, mozgásának sebességétől függ. A relatív nyugalmi állapotban lévő elektronnak mechanikai természetű "nyugalmi tömege", hasonló bármely fizikai test tömegéhez. Ami az elektron "mozgástömegét" illeti, amely a mozgás sebességének növekedésével növekszik, elektromágneses eredetű. Ennek oka az elektromágneses mező jelenléte a mozgó elektronban, mint tömeggel és elektromágneses energiával rendelkező anyagfajtában.
Minél gyorsabban mozog az elektron, annál jobban megnyilvánulnak elektromágneses terének tehetetlenségi tulajdonságai, annál nagyobb ez utóbbi tömege és ennek megfelelően elektromágneses energiája. Mivel az elektron az elektromágneses terével egyetlen szervesen összefüggő anyagrendszert képvisel, ezért természetes, hogy az elektron elektromágneses mezejének impulzustömege közvetlenül magának az elektronnak tulajdonítható.
Az elektronnak a részecske tulajdonságain kívül hullámtulajdonságai is vannak.Kísérletileg megállapították, hogy az elektronok áramlása, mint a fényáramlás, hullámszerű mozgás formájában terjed. Az elektronáramlás térbeli hullámmozgásának természetét az elektronhullámok interferencia és diffrakciós jelenségei igazolják.
Elektronikus interferencia Az elektronok egymásra való szuperpozíciójának és az elektrondiffrakciónak a jelensége – ez az elektronhullámok elhajlásának jelensége annak a keskeny résnek a szélein, amelyen az elektronsugár áthalad. Ezért az elektron nem csak egy részecske, hanem egy «részecskehullám», amelynek hossza az elektron tömegétől és sebességétől függ.
Megállapították, hogy az elektron a transzlációs mozgása mellett a tengelye körül forgó mozgást is végez. Ezt a fajta elektronmozgást "spin"-nek nevezik (az angol "spin" szóból - orsó). Ennek a mozgásnak a hatására az elektron az elektromos töltésből adódó elektromos tulajdonságok mellett mágneses tulajdonságokat is szerez, ebből a szempontból egy elemi mágneshez hasonlít.
A proton egy valós részecske, amelynek pozitív elektromos töltése abszolút értékben egyenlő egy elektron elektromos töltésével.
A proton tömege 1,67 ·10-24 r, azaz körülbelül 1840-szer nagyobb, mint az elektron "nyugalmi tömege".
Az elektrontól és a protontól eltérően a neutronnak nincs elektromos töltése, azaz elektromosan semleges "elemi" anyagrészecske. A neutron tömege gyakorlatilag megegyezik a proton tömegével.
Az atomokat alkotó elektronok, protonok és neutronok kölcsönhatásba lépnek egymással. Különösen az elektronok és a protonok vonzzák egymást ellentétes elektromos töltésű részecskékként.Ugyanakkor az elektronból származó elektron és a protonból származó proton ugyanolyan elektromos töltésű részecskékként taszít.
Mindezek az elektromosan töltött részecskék kölcsönhatásba lépnek elektromos mezőikkel. Ezek a mezők egy speciális anyagfajtát alkotnak, amelyek fotonoknak nevezett elemi anyagrészecskék gyűjteményéből állnak. Minden fotonnak van egy szigorúan meghatározott energiamennyisége (energiakvantum).
Az elektromosan töltött anyagi anyagok részecskéinek kölcsönhatása fotonok egymással való cseréjén keresztül megy végbe. Az elektromosan töltött részecskék kölcsönhatási erejét általában elektromos erőnek nevezik.
Az atommagok neutronjai és protonjai szintén kölcsönhatásba lépnek egymással. Ez a köztük lévő kölcsönhatás azonban már nem elektromos téren keresztül megy végbe, hiszen a neutron egy elektromosan semleges anyagrészecske, hanem az ún. nukleáris mező.
Ez a mező is egy speciális anyagfajta, amely mezonoknak nevezett elemi anyagrészecskék gyűjteményéből áll... A neutronok és protonok kölcsönhatása a mezonok egymással való cseréjén keresztül megy végbe. A neutronok és protonok közötti kölcsönhatás erejét nukleáris erőnek nevezzük.
Megállapítást nyert, hogy a nukleáris erők az atommagokban rendkívül kis távolságra - körülbelül 10-13 cm-re - hatnak.
A nukleáris erők nagymértékben meghaladják az atommagban lévő protonok kölcsönös taszításának elektromos erőit. Ez oda vezet, hogy nemcsak az atommagok belsejében lévő protonok kölcsönös taszításának erőit képesek legyőzni, hanem nagyon erős magrendszereket is létrehozhatnak a protonok és neutronok gyűjteményéből.
Bármely atom atommagjának stabilitása két ütköző erő - a nukleáris (protonok és neutronok kölcsönös vonzása) és az elektromos (a protonok kölcsönös taszítása) - arányától függ.
Az atommagokban ható hatalmas nukleáris erők hozzájárulnak a neutronok és protonok egymásba való átalakulásához. A neutronok és protonok ezen kölcsönhatásai könnyebb elemi részecskék, például mezonok felszabadulásának vagy abszorpciójának eredményeként jönnek létre.
Az általunk tekintett részecskéket azért nevezzük eleminek, mert nem más, egyszerűbb anyagrészecskék halmazából állnak. De ugyanakkor nem szabad elfelejteni, hogy képesek egymásba átalakulni, a másik rovására keletkezni. Így ezek a részecskék néhány összetett képződmény, vagyis elemi természetük feltételes.
Az atomok kémiai szerkezete
Szerkezetében a legegyszerűbb atom a hidrogénatom. Csak két elemi részecske – egy proton és egy elektron – gyűjteményéből áll. A hidrogénatomrendszer protonja egy központi atommag szerepét tölti be, amely körül egy elektron egy bizonyos pályán forog. ábrán. Az 1. ábra sematikusan mutatja a hidrogénatom modelljét.
Rizs. 1. A hidrogénatom szerkezetének diagramja
Ez a modell csak hozzávetőlegesen közelíti a valóságot. Az a tény, hogy az elektronnak mint "részecskék hullámának" nincs a külső környezettől élesen elhatárolt térfogata. És ez azt jelenti, hogy nem az elektron pontos lineáris pályájáról kell beszélni, hanem egyfajta elektronfelhőről. Ebben az esetben az elektron leggyakrabban a felhő valamely középső vonalát foglalja el, amely az egyik lehetséges pályája az atomban.
Azt kell mondani, hogy maga az elektron pályája nem szigorúan változatlan és nem állandó az atomban - az elektron tömegének változása miatt bizonyos forgási mozgást is végez. Ezért az elektron mozgása egy atomban viszonylag bonyolult. Mivel a hidrogénatom magja (proton) és a körülötte keringő elektron ellentétes elektromos töltésűek, vonzzák egymást.
Ugyanakkor az elektron szabad energiája az atommag körül forogva centrifugális erőt fejleszt ki, amely hajlamos eltávolítani az atommagból. Ezért az atommag és az elektron közötti kölcsönös vonzás elektromos ereje és az elektronra ható centrifugális erő ellentétes erők.
Egyensúlyi állapotban az elektronjuk viszonylag stabil pozíciót foglal el az atom valamely pályáján. Mivel az elektron tömege nagyon kicsi, az atommag vonzási erejének egyensúlyba hozásához óriási sebességgel kell forognia, amely körülbelül 6,1015 fordulat/másodperc. Ez azt jelenti, hogy egy elektron a hidrogénatom rendszerében, mint bármely más atom, másodpercenként ezer kilométert meghaladó lineáris sebességgel mozog a pályáján.
Normál körülmények között egy elektron az atommaghoz legközelebbi pályán lévő atomban forog. Ugyanakkor a lehető legkisebb energiamennyiséggel rendelkezik. Ha ilyen vagy olyan okból, például az atomrendszerbe behatolt más anyagrészecskék hatására az elektron az atomtól távolabbi pályára kerül, akkor már valamivel nagyobb energiával rendelkezik.
Az elektron azonban jelentéktelen ideig ezen az új pályán marad, majd visszapörög az atommaghoz legközelebb eső pályára.Ezalatt feladja felesleges energiáját mágneses sugárzás kvantum – sugárzó energia – formájában (2. ábra).
Rizs. 2. Amikor egy elektron távoli pályáról egy atommaghoz közelebbi pályára kerül, akkor kvantum sugárzási energiát bocsát ki.
Minél több energiát kap az elektron kívülről, annál többet mozog az atommagtól legtávolabb lévő pályára, és annál nagyobb mennyiségű elektromágneses energiát bocsát ki, amikor az atommaghoz legközelebb eső pályára pörög.
A különböző pályákról az atommaghoz legközelebb eső pályára való átmenet során az elektron által kibocsátott energia mennyiségének mérésével megállapítható volt, hogy egy elektron a hidrogénatom rendszerében is ugyanúgy, mint bármely más pályán. atom, nem kerülhet véletlenszerű pályára, egy szigorúan meghatározott, ennek az energiának megfelelően meghatározott pályára, amelyet külső erő hatására kap. Azokat a pályákat, amelyeket egy elektron el tud foglalni egy atomban, megengedett pályáknak nevezzük.
Mivel a hidrogénatom magjának pozitív töltése (a proton töltése) és az elektron negatív töltése számszerűen egyenlő, össztöltésük nulla. Ez azt jelenti, hogy a hidrogénatom normál állapotában elektromosan semleges részecske.
Ez minden kémiai elem atomjára igaz: bármely kémiai elem atomja normál állapotában elektromosan semleges részecske a pozitív és negatív töltések számbeli egyenlősége miatt.
Mivel a hidrogénatom magja csak egy "elemi" részecskét - egy protont - tartalmaz, ennek az atommagnak az úgynevezett tömegszáma eggyel egyenlő. Bármely kémiai elem atommagjának tömegszáma az atommagot alkotó protonok és neutronok teljes száma.
A természetes hidrogén főként 1 tömegszámú atomok halmazából áll. Ugyanakkor tartalmaz egy másik típusú hidrogénatomot is, amelyek tömegszáma kettő. Ezeknek a nehéz hidrogénatomoknak a magjait, úgynevezett deuteronokat, két részecske alkotja, egy proton és egy neutron. A hidrogénnek ezt az izotópját deutériumnak nevezik.
A természetes hidrogén nagyon kis mennyiségű deutériumot tartalmaz. Minden hatezer könnyű hidrogénatomra (tömegszám 1) csak egy deutérium atom (nehézhidrogén) jut. A hidrogénnek van egy másik izotópja is, a szupernehéz hidrogén, az úgynevezett trícium. Ennek a hidrogénizotópnak az atommagjában három részecske található: egy proton és két neutron, amelyeket nukleáris erők kötnek össze. A trícium atommagjának tömegszáma három, vagyis a trícium atom háromszor nehezebb, mint a könnyű hidrogénatom.
Bár a hidrogénizotópok atomjai eltérő tömegűek, mégis ugyanazok a kémiai tulajdonságaik, például a könnyű hidrogén az oxigénnel kémiai reakcióba lépve komplex anyagot képez vele - vízzel. Hasonlóképpen, a hidrogén izotópja, a deutérium az oxigénnel egyesülve vizet képez, amelyet a közönséges vízzel ellentétben nehézvíznek neveznek. A nehézvizet széles körben használják nukleáris (atomi) energia előállítására.
Ezért az atomok kémiai tulajdonságai nem az atommagjuk tömegétől, hanem csak az atom elektronhéjának szerkezetétől függenek. Mivel a könnyű hidrogén, a deutérium és a trícium atomjainak azonos számú elektronja van (atomonként egy), ezek az izotópok azonos kémiai tulajdonságokkal rendelkeznek.
Nem véletlen, hogy a hidrogén kémiai elem az első számot foglalja el az elemek periódusos rendszerében.Az a tény, hogy van némi kapcsolat az elemek periódusos rendszerében szereplő egyes elemek száma és az adott elem atommagjának töltésének nagysága között. A következőképpen fogalmazható meg: az elemek periódusos rendszerében az egyes kémiai elemek sorszáma számszerűen megegyezik az adott elem magjának pozitív töltésével, tehát a körülötte keringő elektronok számával.
Mivel a hidrogén az elemek periódusos rendszerében az első számot foglalja el, ez azt jelenti, hogy az atommag pozitív töltése eggyel egyenlő, és egy elektron kering az atommag körül.
A hélium kémiai elem a második az elemek periódusos rendszerében. Ez azt jelenti, hogy az atommag pozitív elektromos töltése két egységgel egyenlő, azaz magjának két protont kell tartalmaznia, az atom elektronhéjában pedig két elektródát.
A természetes hélium két izotópból áll - nehéz és könnyű héliumból. A nehéz hélium tömegszáma négy. Ez azt jelenti, hogy a fent említett két protonon kívül még két neutronnak kell belépnie a nehéz hélium atom magjába. Ami a könnyű héliumot illeti, annak tömegszáma három, vagyis két proton mellett még egy neutronnak kell belépnie magjának összetételébe.
Azt találták, hogy a természetes héliumban a könnyű hélium atomok száma megközelítőleg egy milliomod része a nehéz génatomoknak. ábrán. A 3. ábra a hélium atom sematikus modelljét mutatja.
Rizs. 3. A hélium atom szerkezetének diagramja
A kémiai elemek atomjainak szerkezetének további bonyolítása az atommagokban található protonok és neutronok számának növekedéséből és egyidejűleg az atommagok körül forgó elektronok számának növekedéséből adódik (4. ábra). Az elemek periódusos rendszere segítségével könnyen meghatározható a különböző atomokat alkotó elektronok, protonok és neutronok száma.
Rizs. 4. Az atommagok felépítésének vázlatai: 1 — hélium, 2 — szén, 3 — oxigén
Egy kémiai elem szabályos száma megegyezik az atommagban lévő protonok számával és egyben az atommag körül keringő elektronok számával. Ami az atomtömeget illeti, ez megközelítőleg megegyezik az atom tömegszámával, vagyis az atommagban együtt lévő protonok és neutronok számával. Ezért egy elem atomtömegéből kivonva az elem rendszámával megegyező számot, meg lehet határozni, hogy egy adott atommag hány neutront tartalmaz.
Megállapítást nyert, hogy a könnyű kémiai elemek magjait, amelyek összetételében azonos számú proton és neutron van, nagyon nagy szilárdság jellemzi, mivel a nukleáris erők viszonylag nagyok. Például egy nehéz hélium atom magja rendkívül tartós, mert két protonból és két neutronból áll, amelyeket erős nukleáris erők kötnek össze.
A nehezebb kémiai elemek atomjainak atommagjai már összetételükben is egyenlőtlen számú protont és neutront tartalmaznak, ezért a kötésük az atommagban gyengébb, mint a könnyű kémiai elemek atommagjaiban. Ezeknek az elemeknek a magjai viszonylag könnyen széthasíthatók, ha atomi "lövedékekkel" (neutronokkal, héliummagokkal stb.) bombázzák őket.
Ami a legnehezebb kémiai elemeket, különösen a radioaktív elemeket illeti, azok magjai olyan alacsony szilárdságúak, hogy spontán módon szétesnek alkotóelemeikre. Például a 88 proton és 138 neutron kombinációjából álló rádium radioaktív elem atomjai spontán bomlanak, és a radon radioaktív elem atomjaivá válnak. Ez utóbbiak atomjai viszont felbomlanak alkotórészeikre, átmennek más elemek atomjaiba.
Miután röviden megismerkedtünk a kémiai elemek atommagjainak alkotórészeivel, nézzük meg az atomok elektronhéjának szerkezetét. Mint tudják, az elektronok csak szigorúan meghatározott pályákon keringhetnek az atommagok körül. Sőt, annyira össze vannak csoportosítva az egyes atomok elektronhéjában, hogy az egyes elektronhéjak megkülönböztethetők.
Minden héj bizonyos számú elektront tartalmazhat, amelyek nem haladják meg a szigorúan meghatározott számot. Tehát például az atommaghoz legközelebb eső első elektronhéjban legfeljebb két elektron lehet, a másodikban legfeljebb nyolc elektron stb.
Azoknak az atomoknak van a legstabilabb elektronhéjuk, amelyekben a külső elektronhéjak teljesen meg vannak töltve. Ez azt jelenti, hogy egy atom szilárdan tartja az összes elektronját, és nem kell kívülről további mennyiséget fogadnia belőlük. Például egy hélium atomban két elektron teljesen kitölti az első elektronhéjat, és egy neonatom tíz elektronból áll, amelyek közül az első kettő teljesen kitölti az első elektronhéjat, a többi pedig a másodikat (5. ábra).
Rizs. 5. A neonatom szerkezetének diagramja
Ezért a hélium és a neon atomok meglehetősen stabil elektronhéjakkal rendelkeznek, nem hajlamosak semmilyen mennyiségi változásra. Az ilyen elemek kémiailag semlegesek, azaz nem lépnek kémiai kölcsönhatásba más elemekkel.
A legtöbb kémiai elemnek azonban vannak olyan atomjai, ahol a külső elektronhéjak nincsenek teljesen tele elektronokkal. Például egy káliumatom tizenkilenc elektronból áll, amelyek közül tizennyolc teljesen kitölti az első három héjat, a tizenkilencedik elektron pedig a következő, kitöltetlen elektronhéjban van. A negyedik elektronhéj gyenge feltöltése elektronokkal ahhoz a tényhez vezet, hogy az atommag nagyon gyengén tartja a legkülső - a tizenkilencedik elektront, ezért az utóbbi könnyen eltávolítható az atomból. …
Vagy például az oxigénatom nyolc elektronból áll, amelyek közül kettő teljesen kitölti az első héjat, a maradék hat pedig a második héjban található. Így az oxigénatom második elektronhéjának felépítésének teljes befejezéséhez csak két elektron hiányzik belőle. Ezért az oxigénatom nemcsak szilárdan tartja hat elektronját a második héjban, hanem képes magához vonzani két hiányzó elektront, hogy kitöltse második elektronhéját. Ezt olyan elemek atomjaival való kémiai kombinálásával éri el, amelyekben a külső elektronok gyengén kapcsolódnak az atommagjukhoz.
Azok a kémiai elemek, amelyek atomjainak külső elektronrétegei nem teljesen tele vannak elektronokkal, általában kémiailag aktívak, vagyis szívesen lépnek kémiai kölcsönhatásba.
Tehát a kémiai elemek atomjaiban az elektronok szigorúan meghatározott sorrendben vannak elrendezve, és az atom elektronhéjában bekövetkező térbeli elrendezésükben vagy mennyiségükben bekövetkező bármilyen változás az utóbbi fizikai-kémiai tulajdonságainak megváltozásához vezet.
Az atomrendszerben lévő elektronok és protonok számának egyenlősége az oka annak, hogy a teljes elektromos töltése nulla. Ha az atomrendszerben az elektronok és protonok számának egyenlősége megsérül, akkor az atom elektromosan töltött rendszerré válik.
Ionnak nevezzük azt az atomot, amelynek rendszerében az ellentétes elektromos töltések egyensúlya megbomlik, mert elvesztette elektronjainak egy részét, vagy éppen ellenkezőleg, felesleget szerzett belőlük.
Ellenkezőleg, ha egy atom több elektront vesz fel, negatív ionná válik. Például egy klóratom, amely egy további elektront kapott, egyszeres töltésű negatív klórionná válik Cl-... Az oxigénatom, amely további két elektront kapott, kétszeresen töltött negatív oxigénion lesz O stb.
Az ionná vált atom a külső környezethez képest elektromosan töltött rendszerré válik. És ez azt jelenti, hogy az atom kezdett rendelkezni elektromos mezővel, amellyel együtt egyetlen anyagi rendszert alkot, és ezen a mezőn keresztül elektromos kölcsönhatást folytat más elektromosan töltött anyagrészecskékkel - ionokkal, elektronokkal, pozitív töltésű atommagokkal, stb.
A különböző ionok egymás vonzásának képessége az oka annak, hogy kémiailag egyesülnek, összetettebb anyagrészecskéket - molekulákat - képezve.
Végezetül meg kell jegyezni, hogy az atom méretei nagyon nagyok az őket alkotó valós részecskék méretéhez képest. A legösszetettebb atom magja az összes elektronnal együtt az atom térfogatának egymilliárd részét foglalja el. Egy egyszerű számítás azt mutatja, hogy ha egy köbméter platinát olyan szorosan meg lehet nyomni, hogy az atomon belüli és az atomközi terek eltűnnek, akkor körülbelül egy köbmilliméter térfogatot kapunk.