Magyar Katolikus Lexikon > K > kémia


kémia: a →természettudományoknak az az ága, amely az atomok és molekulák elektronburkában végbemenő változásokkal foglalkozik. - A ~ szó eredete bizonytalan. Egyesek Egyiptom sötét humusztalajának nevével hozzák kapcsolatba (fekete=chemi), a régi egyiptomiak ugyanis a gyakorlati tapasztalatokból levont számos ~i ismerettel rendelkeztek. Mások a gör. ta khüta  ('amit öntöttek') kifejezésből vezetik le, melyet a fémolvasztásra alkalmaztak.

I. 1. Története. Az egyiptomiakon kívül számos ókori népnek (indusok, babilóniaiak, sumérok, görögök, rómaiak, kínaiak, stb.) voltak ismereteik, melyek a fémkinyeréssel és -földolgozással, bizonyos növényi eredetű italok és gyógyító célú kivonatok készítésével és az emberi élet számos más tevékenységével voltak kapcsolatban. A Szentírás szerint Noé bort készített (Ter 9,21), Mózes a keserű vizet egy fadarab bedobásával édessé tette (Kiv 15,25). - A késői ókorban ezek az ismeretek fölhalmozódtak, s az →alkímia kialakulásához vezettek, melyet később az arabok fejlesztettek tovább, s közvetítettek Eu-ba. Az alkimistáknak egyik fő célja az →arany előállítása volt más, könnyebben hozzáférhető és olcsóbb anyagokból. Bár e céljukat sohasem érhették el, erőfeszítéseik számos eszköz és eljárás fölfedezéséhez járultak hozzá, bizarr elméleteik sokszor hasznos gyakorlati eredménnyel társultak. - A ~ az a természettudomány, amely maga állítja elő kutatása tárgyait, az egyedi vegyületeket. Tud-nyá fejlődése erőteljesebben csak a 17. sz: kezdődött, amikor a vegyészek már arra törekedtek, hogy anyagkeverékek helyett többé-kevésbé tiszta anyagokkal dolgozzanak. Ennek elérésére sokáig a kristályosítás és a desztillálás volt a legfontosabb módszer, és csak 1950 u. terjedtek egyre jobban a kromatográfiás eljárások (M. Sz. Cvet, 1903). - A megismerés egy másik fontos eszköze volt és maradt a mai napig is a kísérletezés. Ennek technikája fokozatosan, nagyobb hirtelen változások nélkül fejlődött a 21. sz. szintre. E tekintetben ugrásszerű változást csak a szilárd fázisú szintézis technikájának (R. B. Merrifield, 1963) és a műszeres szerkezetvizsgálatnak a bevezetése jelentett. - A fejlődés egyik főösztönzője a gyakorlat által fölvetett kérdések megoldása volt. Így jelentett lényeges előrelépést egy-egy kulcsvegyület ipari előállításának kidolgozása (kénsavgyártás, C. Tenant, 1803; szódagyártás, N. Le Blanc, 1787;  ammoniaszintézis, F. Haber, C. Bosch, 1908). - A vegyületek forrása korábban szinte kizárólag a természet volt. Ezért volt fontos az első, kristályos természetes vegyületek, pl. növényi savak (C. W. Scheele, 1767-86) és nitrogéntartalmú bázisok (F. W. Sertürner, 1805) izolálása. E folyamat hasonló erőfeszítéssel folytatódik a mai napig. - Az új vegyületek másik forrása, a laboratóriumi és ipari előállítás ugyancsak egyre elterjedtebb lett. Szervetlen és szerves vegyületek átalakítását régóta ismerték, de szerves vegyület előállítása szervetlenből (F. Wöhler, 1824) elvi jelentőségű volt. Korábban ugyanis azt hitték, hogy ehhez az élőszervezetek életerejére („vis vitalis”) van szükség. - A vegyületek tisztaságának és szerkezetének megállapítására természetesen szükség volt megfelelő analitikai eljárásokra. Ezek nagyon sokáig elsősorban ~i módszerek voltak (J. von Liebig), és csak 1950 u. léptek be a nagy teljesítményű, műszeres, fizikai-~i vizsgáló módszerek. - A 19. sz: sorra fedezték föl a különböző ~i elemeket (közülük néhányat az ókorban is ismertek, s a legutolsókat a 20. sz: sikerült izolálni v. laboratóriumban előállítani). Ennek eredményeként jött létre az elemek periódusos rendszere (J. L. Mayer, D. I. Mengyelejev, 1870). - 1850 u. nagy lendületet kapott a szintetikus színezékek előállítása (W. H. Perkin, sen.), ami jelentősen meggyorsította az aromás vegyületek ~jának kialakulását. A természetes forrásokból v. laboratóriumban előállított vegyületek száma meredeken emelkedett, és ez ma is tart.  A 19. sz. végétől a 20. sz. közepéig terjedő időben izolálták az első vitamint (C. Eijkmann, 1886), az első hormont (J. Takamine, 1901), az első antibiotikumot (A. Fleming, 1928); fölfedezték az első kemoterápiás (P. Ehrlich, 1912) és az első rovarirtó szert (P. H. Müller, 1939), valamint az első, valóban hatékony pszichoterápiás vegyületet (Charpentier, 1953). - Mindezen eredményeknek részben oka, részben következménye volt az egyre nagyobb számú szintézismódszer kidolgozása. A ma ismert ~i alapreakciók 90%-a már 1900-ban ismert volt! - A gyakorlati kérdések megoldása lehetővé tette számos elméleti kérdés megválaszolását. Fontos lépés volt a kémiai elem fogalmának kidolgozása (R. Boyle, 1661), az átalakulások kvantitatív vizsgálata (A. L. Lavoisier, 1789), az állandó (J. L. Proust, 1797) és többszörös súlyviszonyok törv-ének megfogalmazása, mely az atomelmélet kialakulásához vezetett (J. Dalton, 1808); az izoméria felfedezése (J. von Liebig, F. Wöhler); a ma is használatos ~i képletek (J. J. Berzelius, 1814) bevezetése.

A szén atom négyvegyértékűségének (A. Kekulé, 1856) és a benzol gyűrűs szerkezetének (1865) a megállapítása, az optikai izoméria és a királis vegyületek fölfedezése (L. Pasteur, 1846), majd a szén atom tetraéderes térszerkezetének (J. A. Le Bel, J. H. van't Hoff, 1874) posztulálása megalapozta a sztereo~t, mely a 20. sz. közepén a konformációs analízis bevezetésével (D. Barton, 1950) teljesedett ki. - A fizikai ~ alapjainak lerakása a 19. sz. 2. felében történt [termodinamika, entrópia, (R. J. E. Clausius, 1850), reakciókinetika, sav-bázis elmélet (S. A. Arrhenius, 1887), elektrolitikus disszociáció, katalízis (W. Ostwald, 1889)]. A 20. sz. első évtizedeinek látványos fejlődése a →fizika területén gyorsan alkalmazást talált a ~ban is, és elősegítette az elektronelmélet kidolgozása révén a ~i folyamatok molekuláris szintű és legalább félkvantitatív értelmezését (G. N. Lewis, 1916, C. K. Ingold, 1925), amely az orbitálszimmetria megmaradása elvének fölfedezésében (R. B. Woodward, R. Hoffmann, 1965) érte el csúcspontját. - Bár az első szintetikus nagymolekulájú (polimer) vegyületet már a 20. sz. elején előállították (L. H. Baekeland, 1907), tömeges használatukra 1950 u. került sor. A természetes, biopolimérek csoportjában a 20. sz. első felében lerakták a cukor-, fehérje- és terpenoid~nak (szteránvázas hormonok), a második felében a nukleotidok ~jának alapjait. E fejlődés az első fehérje és nukleinsav szerkezetmeghatározását és szintézisét eredményezte, s közvetve az emberi genom szekvenciameghatározásában érte el leglátványosabb eredményét. - A fejlődési folyamatra a koronát olyan bonyolult vegyületek teljes szintézisének megvalósítása tette föl, mint a B12 vitaminé (R. B. Woodward, A. Eschenmoser, 1972) és a  brevetoxiné (K. C. Nicolaou, 1995).

2. A ~ gyakorlati jelentősége. A ~ különféle ágainak eredményeit az élet minden területén használják. A vas- és acélgyártás módszerei lehetővé tették az ipari forradalom látványos eredményeit, a kénsavgyártás a ~ szinte minden területén jelentős előrehaladást hozott, az ammónia nagyipari előállítása a műtrágyagyártás révén nagy mértékben megnövelte a mezőgazd. hozamokat. A szerves vegyületek laboratóriumi és ipari gyártása új gyógyszerek tömeges bevezetésével jelentősen hozzájárult a fertőzőbetegségek leküzdéséhez, és látványosan megnövelte az átlagos életkort. A polimer~ eddig nem ismert tulajdonságú anyagok sok tonnás tételben történő alkalmazását tette lehetővé, a színezék~ önmagában is hozzájárult a szerves ~ fejlődéséhez, azon túlmenően, hogy színesebbé tette világunkat, a szintetikus mosószerek megkönnyítették a házimunkát. -

3. A ~, a társdalom és a környezet kölcsönhatása. A ~ eredményei nélkül a modern világ gazd., társad. és szellemi élete elképzelhetetlen. Számos, eddig ismeretlen és a természetből közvetlenül nem nyerhető nyersanyagot és terméket lehet előállítani, amelyek tulajdonságai sokszor előnyösebbek, mint az eredeti nyersanyagokéi. Ugyanakkor a ~ kedvezőtlen hatásait is tapasztalhatjuk (→környezetszennyezés). A vegyipar, elsősorban a fémipar hulladékai erősen szennyezik a talajt, az élővizeket és a levegőt, a meggondolatlan vegyszerhasználat (pl. a növényvédőszerek túlzott használata a mezőgazd-ban) kipusztulással fenyeget számos élőfajt, sőt egy lehetséges, bár mindeddig csak korlátozott vegyi háborúnak is fontos eszközei az erősen mérgező termékek. Mindent el kell tehát követni, hogy a ~ áldásai mellett annak káros hatásait kiküszöböljük. Arra is rá kell mutatni, hogy nyersanyagforrásaink (elsősorban a földgáz és a kőolaj, valamint az erdők számos terméke) kimerülőben vannak: néhány száz év alatt föléljük azokat a természetes forrásokat, amelyek évek százmilliói folyamán keletkeztek.

II. Részterületei. A ~ rendkívül széles területén belül a szakosodás már a 19. sz: megindult és a 20. sz: nagyon fölgyorsult.

1. Általános (fizikai) ~. A ~i folyamatok egyetemes törvényeivel foglalkozik. Főbb részei: az atomok, molekulák (ionok, gyökök és egyéb részecskék is) és molekulahalmazok (kristályos állapot, folyadékok és gázok) törvényei, energiaváltozások és egyensúlyi állapotok (termodinamika), a ~i reakciók időbeli lefolyása (reakciókinetika), elektro~i változások (elektrolizis, elektrolitikus disszociáció). -

2. Szervetlen ~. Mindazon vegyületek szerkezetét, előállítását, ~i átalakulását és gyakorlati alkalmazását tanulmányozza, melyek fölépítésében a szén atom nem vesz részt, de a periódusos rendszer bármely más eleme részt vehet. A „szervetlen” molekulák fölépítésében elsősorban az ionviszonynak v. az erősen poláris kovalens kötésnek van szerepe, de kis polaritásu kovalens kötések is kialakulhatnak. Az átmeneti fémek legkülső elektronhéjain számos üres pálya van, amelyek külső ligandumoktól elektronpárokat vehetnek föl, ez a kovalens kötésnek egyik fajtája, amelyet koordinatív kötésnek (datív kötésnek) is hívnak. Ennek révén a kérdéses elektronhéj elektronokkal (koordinatívan) telítetté, vagyis stabilis elektronkonfigurációjúvá válik. A szervetlen vegyületek a ma ismert vegyületek (kb. 18 millió) mintegy 8%-át teszik ki, a Föld tömegének azonban túlnyomó részét alkotják. A Föld belsejének legnagyobb részét nehézfémek (vas, nikkel) és szervetlen vegyületeik (elsősorban oxidjaik), a külső földkérget a könnyebb fémek (magnézium, kalcium, alumínium) oxigénnel (oxidok), kénnel (szulfidok), szénnel (karbonátok) és szilíciummal (szilikátok) képezett sói építik föl. A földkéregben a fémek egy része elemi állapotban is előfordul (nemesfémek: arany, ezüst). A fémeket érceikből (oxidjaikból, stb.) különféle redukciós eljárásokkal állítják elő. A fémeknek különleges jelentőségük volt az emberi kultúra kialakulásában és ma is mindennapi életünkben. Ezt a szerepet az utóbbi években a →sziliciumvegyületek részben helyettesítették, jelentőségüket azonban mint tartószerkezetek ma is őrzik. -

3. Szerves ~: a szénvegyületek tulajdonságaival foglalkozik. A ma ismert vegyületek mintegy 90%-a szén atomot tartalmaz. A szén atom különleges tulajdonságai miatt ez a megkülönböztetés indokolt. A szénvegyületekben az atomok apoláris v. többé-kevésbé poláris kovalens kötésekkel kapcsolódnak össze, bár ritkábban az ionviszony is előfordul. A szén atom a periódusos rendszer egyetlen eleme, amely más elemek részvétele nélkül is képes stabilis és elvben korlátlan (a valóságban természetesen korlátozott) hosszúságú láncokat és tágasságú gyűrűket képezni, ezért nagy kiterjedésű molekulahálózatok kiépítésére alkalmas. Emellett a periódusos rendszer bármely eleme beépülhet a szénvegyületekbe. Ezért a molekuláris evolúció során a szénvegyületek igen nagy számban és változatosságban keletkeztek, s 1850 óta laboratóriumban és üzemekben is előállítják azokat. Különleges szerepük van az élet kialakulásában, az élőszervezetek fölépítésében és az életfolyamatokban. A szén tiszta elemi állapotban a gyémántban, a grafitban s az 1985: fölfedezett fullerénekben fordul elő. A legegyszerűbb szerves vegyület a metán. A ma ismert leghosszabb, egyetlen szénláncból álló egységes vegyület 400 szén atomot tartalmaz (a szükséges hidrogénatomokkal együtt). Ugyanakkor a gyémánt kizárólag szén atomokból álló, maximális elágazású hattagú gyűrűkből épül föl, és elvben végtelen (a gyakorlatban ugyancsak korlátozott) kiterjedésű kristályokat képez, amelyek egyetlen molekulának tekintendők. Mivel a második periódus közepén foglal helyet, sem negatív, sem pozitív hajlama nem kifejezett, de kivételesen (más atomokkal együtt) negatív v. pozitív töltésű részecskék (ionok)  formájában is fölléphet (elsősorban rövid életű szerkezetekként, amelyek ~i reakciók közben keletkeznek). A szén atom más szén atomokkal és/v. más atomokkal egyszeres, kétszeres és háromszoros kötéseket képezhet. A szerves vegyületek fontos, de nem nélkülözhetetlen komponensei a hidrogén, az oxigén és nitrogén, kisebb mértékben a halogének (fluor, klór, bróm, jód), a kén, a foszfor és több más nemfémes elem, de az utóbbi évtizedekben a közvetlen szén-fém kötéseket tartalmazó szerves vegyületek (fémorganikus vegyületek) ~ja is nagy mértékben fejlődött. - A csak szén atomokból és hidrogénatomokból fölépített nyíltláncú v. gyűrűs vegyületek a →szénhidrogének, amelyek a szerves vegyületek alapvegyületeinek tekintendők. Ha csak egyszeres szén-szén kötéseket tartalmaznak, telitett, ha többszörös szén-szén kötéseket is tartalmaznak, telitetlen szénhidrogéneknek nevezzük őket. A telitetlen szénhidrogének dihidrogénnel nemesfém katalizátor jelenlétében telitett szénhidrogénekké alakíthatók. A telitett szénhidrogénekből egy hidrogénatom eltávolításával levezethető csoportokat alkil csoportoknak hívjuk. A szénhidrogénekben egy v. több hidrogénatomot más atommal v. atomcsoporttal helyettesíthetünk. A szerves vegyületnek azokat az atomjait, amelyek nem hidrogénatomok v. szén atomok, heteroatomoknak, az ezekből fölépülő csoportokat funkciós csoportoknak nevezzük. A szerves vegyületek leggyakoribb funkciós csoportjai az egy kapcsolódási hellyel („vegyértékkel”) rendelkező halogének (fluor, klór, bróm, jód), a hidroxil csoport (-OH), az aminocsoport (-NH2), a két kapcsolódási hellyel rendelkező karbonil csoport, valamint az ezek kombinációjából kialakuló összetett funkciós csoportok, pl. a karboxil csoport. (-C(=O)OH), a karboxamidocsoport (-C(=O)NH2). -

A szénvegyületek néhány sajátos csoportját gyakorlati okokból külön is tárgyalni kell. a) Aromás vegyületek.  Olyan gyűrűs vegyületek, melyekben ciklikus delokalizált pályákon (4n+2)  elektron helyezkedik el. Az aromás vegyületek gyűrűje fölépülhet kizárólag szén atomokból, v. más (hetero–)atomok is részt vehetnek benne, tagszámuk lehet páros v. páratlan, lehet semleges, pozitív v. negatív töltésük, tartalmazhatnak több gyűrűt is. Az aromás delokalizáció nem korlátozódik  pályarendszerekre, hanem  aromás delokalizációt tartalmazó vegyületek is ismeretesek, sőt átmeneti állapotok is lehetnek aromás jellegűek. Az aromás vegyületek száma milliós nagyságrendű, közöttük számos gyakorlatilag fontos vegyület (gyógyszer, színezék, polimer stb.) van. - b) Heterociklusos vegyületek.  Az összes ismert szerves vegyületek több mint fele egy v. több olyan gyűrűt tartalmaz, amelynek fölépítésében heteroatomok is részt vesznek. Közülük azok a legfontosabbak, melyekben  öt- v. hattagú gyűrű található, és legalább egy(ik) heteroatom nitrogén. E vegyületeknek különleges jelentőségük van az élőszervezetekben végbemenő biokémiai folyamatokban. - c) Fémorganikus vegyületek. Jellemző tulajdonságuk, hogy bennük a szén és a fématom között közvetlen kötés jön létre. Mivel a fémes elemek atomjaiban a legkülső elektronhéj (sőt az alattuk levő egy v. két további elektronhéj is) üres pályákat tartalmaz, ezek különböző semleges v. töltéssel rendelkező ligandumok nem-kötő elektronpárjaival feltöltődhetnek stabilis elektron (nemesgáz) konfigurációra. Az így kialakuló kötések száma, jellege, erőssége és térbeli elrendeződése igen változatos, és a kialakuló kombinációk száma igen nagy. Bár jelentős részük levegőn és szobahőmérsékleten instabilis, mint reaktív köztitermékek fontosak. - d) Természetes vegyületek. Sokáig azt gondolták, hogy a szerves vegyületeket csak élőszervezetek építhetik föl (innen a nevük). F. Wöhler 1824: állított elő először laboratóriumban szerves vegyületet olyan kiindulási vegyületekből, amelyeket akkoriban nem tekintettek szerves vegyületeknek. Azóta a szerves vegyületek előállításának módszerei hatalmas mértékben fejlődtek, számos bonyolult szerkezetű természetes vegyületet és még több olyan vegyületet állítottak elő, amelyek élő szervezetekből egyáltalán nem ismeretesek. A sejtek által fölépített szerves vegyületek jelentősége azonban ma is nagy. Fontosabb csoportjaik a biopoliméreken (peptidek és fejérjék, oligo- és polinukleotidok, szénhidrátok-szacharidok) kívül az alkaloidok, glikozidok, flavonoidok, terpénvázas vegyületek (köztük karotinoidok és szteroidok), porfinoidok és korrinoidok, vitaminok, antibiotikumok stb. E csoportok részben szerkezetileg, részben funkcionálisan rokon vegyületeket tartalmaznak. Egyre növekvő számuk jelenleg megközelíti a 150 ezret. Köztük számos biológiailag fontos vegyület (gyógyszer, színezék, stb.) van. -

e) Polimér~. Poliméreknek azokat a nagy molekulájú szerves vegyületeket nevezzük, amelyekben kis molekulájú egységek kovalens kötésekkel kapcsolódnak össze. Molekulatömegük a néhány száztól a több millió dalton értékig terjedhet. A biopolimérek rendszerint többfajta monomérből (pl. a peptidek húszfajta aminosavból, a polinukleotidok négyfajta mononukleotidból) épülnek föl, és szerkezetükben (és funkciójukban) a monomér egységek sorrendje is fontos és jellegzetes. A szintetikus polimérek rendszerint egy-két fajta monomérből állnak, de magas molekulatömeggel rendelkeznek. Ez utóbbi vegyületeket a szerves ~i ipar egyes esetekben soktonnás tételben állítja elő. Gyakorlati felhasználásuk igen széles körű, a textilszálaktól  az elektromos szigetelőkön át a tartós épületszerkezeti elemekig sok területen alkalmazzák őket. -

4. Analitikai ~. Mivel a ~i tulajdonságokat  molekuláris szerkezetekre vezetjük vissza, a ~ egyik fontos módszere az analízis, vagyis a vegyületek szerkezetének (és térszerkezetének) és a vegyületkeverékek összetételének meghatározása. Míg az egyedi vegyületek szerkezetvizsgálata integráns része a szervetlen és szerves ~nak, vegyületkeverékek komponenseinek meghatározása külön tudománynak, az analitikai ~nak a feladata. Ez foglalkozik a természetes források (levegő, víz, talaj, stb) összetételének meghatározásával is. -

5. A ~ speciális ágai közül a fontosabbak: bio~, orvosi ~, gyógyszer~, növényvédőszer-~, élelmiszer~, színezék~, elektro~, kolloid~, műanyag~, környezetvédelmi ~, ~i technológia.

III. Kutatási módszerei. A ~ kisérletes tudomány, mely a természetből szerzi közvetlen tapasztalatait, s azokat elméletileg megalapozva és általánosítva törekszik gyakorlati felhasználásukra. A vizsgálat tárgyai a szerkezeti egységek (atomok, molekulák, izolált v. tömeges, aggregált állapotban). A szervetlen vegyületek egy kis része tiszta, kristályos állapotban (pl. a konyhasó, NaCl) megtalálható a természetben, másokat érceikből v. egyéb forrásokból (pl a nitrogént, az oxigént, a nemesgázokat a levegőből) ipari technológiával állítják elő. - Bár a széndioxid levegőből is nyerhető, a szerves vegyületek legfontosabb forrásai ma is az élő szervezetek, valamint a földgáz és a kőolaj (amelyek régen élt élőlények maradványaiból keletkeztek a földkéregben évmilliók alatt). A földgáz kismolekulájú légnemű agyagokból (pl. metán, etén stb.) áll; a kőolaj folyékony és oldott állapotú szerves vegyületek (alifás és aromás szénhidrogének, valamint nitrogén- és oxigéntartalmú származékaik) igen bonyolult összetételű elegye. A földgáz és kőolaj földolgozásával külön iparág, a petrol~ foglalkozik. - A természetes forrásokban a vegyületek általában nem tiszta állapotban fordulnak elő. A tiszta, egységes szerkezetű vegyületeket, amelyek a tudományos vizsgálatok elsődleges tárgyai, elválasztási és tisztítási módszerek alkalmazásával lehet nyerni. Ezek között a frakcionált desztillációt és változatos kromatográfiás módszereket alkalmazzák leggyakrabban. - Az elemeket és vegyületeket nemcsak természetes forrásokból lehet nyerni, hanem más vegyületek átalakításával mesterségesen is, laboratóriumi v. ipari méretben. Mivel ennek során legtöbbször egyszerűbb szerkezetű kiindulási anyagokból (eduktumokból) kapunk bonyolultabb szerkezetű termékeket (produktumokat), ezt a módszert szintézisnek nevezzük. A szintézis során általában arra kell törekedni, hogy a termékeket tiszta, egységes állapotban nyerjük ki. Egyedi vegyületek szerkezetére 1950-ig lényegében azok ~i tulajdonságaiból és kölcsönös egymásba átalakításaiból következtettek a kutatók. Bár ez a módszer lassú és egyes esetekben bizonytalan, alapvető ~i ismereteink forrása ez a módszer volt. Azóta a vegyületek szerkezetének meghatározására egyre inkább a vizsgálati anyagot általában nem károsító, érzékeny, nagy pontosságú és gyors fizikai-~i módszereket alkalmaznak. Ezek közül kiemelkednek a különféle spektroszkópiai módszerek, valamint a közvetlen eredményeket szolgáltató röntgendiffrakció. -

Mint minden természettud., a ~ is törekszik eredményeinek kvantitatív és minél általánosabb formában történő megadására. Erre kétségtelenül a legjobb eszköz a kvantum~ lenne. Mivel azonban már az igen egyszerű molekulák is a számítások szempontjából bonyolultnak tekintendők (pl. a dinitrogén két atommagból és 14 elektronból, a metán 5 atommagból és 10 elektronból áll), a kvantum~ ma is csak közelítő módszereket tud alkalmazni. E területen az utóbbi időben a nagy teljesítményű számítógépek alkalmazásával jelentős fejlődés következett be. A kivánatos pontosságot azonban még mindig nem lehetett elérni, ezért a kisérleti módszerek nélkülözhetetlenek. -

IV. Alapfogalmak (1. ábra). 1) Savak, bázisok, sók. Azokat a vegyületeket, amelyek protont adnak le (disszociálnak) egy konjugált (hozzárendelt) bázis keletkezése közben, savaknak, amelyek protont vesznek fel (asszociálnak) egy konjugált (hozzárendelt) sav keletkezése közben, bázisoknak nevezzük. A savak és bázisok erősségét az egyensúlyi, disszociációs állandóval (K) jellemezzük, amelynek negatív logaritmusa a disszociációs kitevő (pK). Ha a disszociáció savra vonatkozik, a disszociációs állandó, ill. kitevő „a” indexet, ha bázisra, „b” indexet kap. Az egyenletekből látható, hogy a bázis erősségét a konjugált sav disszociációs állandójával és kitevőjével is jellemezhetjük, ami azzal az előnnyel jár, hogy a kétféle disszociációt közös skálán adhatjuk meg. Az erős savak alacsony (egyes esetekben negatív) pKa-val, a gyenge savak magas pKa-val rendelkeznek. Ha a konjugált sav disszociációs állandója alacsony (vagyis erős sav), a neki megfelelő bázis gyenge, ha magas (a konjugált sav gyenge), a bázis erős. A pKa széles skálán változik. Az egyik legerősebb sav a perklórsav [HClO4, pKa = ~(-10)], az egyik legerősebb bázis a metide ion ([H3C-,  konjugált sava a metán, pKa = ~+48). A pKa értéke erősen függ az oldószertől. Erős savak ált. azok, amelyekben a proton nagy elektronegativitású atomhoz kötődik. A bázisok rendszerint nemkötő elektronpárjukkal kötnek meg protont. Ált. szabály, hogy az erősebb sav v. bázis kiszorítja sójából a gyengébbet. Amfoterek azok a vegyületek (pl. a víz), amelyek savként és bázisként is viselkedhetnek.- Egy másik, a protonra vonatkozó általánosan használt érték a vizes oldatok hidrogén ion koncentrációja, amelyet annak negatív logaritmusával (pH) jellemezünk. Vizes oldatok pH-ja 0 és 14 között változhat, a sejtek pH-ja 7 körüli érték. - Savak és bázisok egyesüléséből többé-kevésbé semleges sók képződnek, amelyek nagy polaritású oldószerekben, pl. vízben ionokra disszociálnak (elektrolitikus disszociáció). A sók pozitív és negatív töltésű részecskéit elektrosztatikus vonzás (ionviszony) tartja össze. Kristályrácsukban pozitív és negatív ionok váltakoznak. - 2) Oxidáció, redukció. A ~i folyamatokban az oxidáció oxigénfelvételt, hidrogénleadást v. elektronleadást, a redukció oxigénleadást, hidrogénfelvételt v. elektronfelvételt jelent. -

3) Alapreakciók. A ~i átalakulások legtöbbje három alapreakcióra vezethető vissza: szubsztitúció, elimináció és addició. A szubsztitúcióban a molekula egy funkciós csoportja egy másikra cserélődik ki, de a molekulák száma változatlan marad.  Az eliminációban a molekulák száma nő és rendszerint többszörös kötés jön létre, az addicióban a molekulák száma csökken és a többszörös kötések részben fölszakadnak. Ezeknek az alapreakcióknak a többszörös kombinációjából a legtöbb ~i átalakulás levezethető. -

4) A ~i reakciók megmaradási feltételei (sztöchiometria). A ~i reakciókat egyenletekben szoktuk felírni. Az egyenletek két oldalán, az atomok minőségének és mennyiségének, valamint az össztöltések (v. elektronszpinek) számának  azonosaknak kell lenni. -

5) A ~i reakciók termodinamikai feltétele. Az

~i reakcióban A és B az eduktumokat (kiindulási vegyületeket), C és D a produktumokat (termékeket), [A], [B], [C] és [D] a megfelelő koncentrációkat, K pedig a folyamat egyensúlyi állandóját jelenti. Ha

akkor

ahol G a reakció szabad entalpiája, H a reakció entalpiája, S a reakció entrópiája, T pedig a reakció hőmérséklete Kelvin fokban kifejezve (Gibbs-egyenlet). A ~i reakciók abban az irányban mennek önként végbe, amelyben a termékek (produktumok) szabad entalpiája alacsonyabb, mint a kiindulási vegyületeké, vagyis a reakció szabad entalpiája csökken (G értéke negatív). A szabad entalpia általában akkor negatív, ha a reakció során hő szabadul föl (H negatív), a rendszer entrópiája (rendezetlensége) pedig növekszik (S pozitív) (pl a rendszer molekuláinak száma növekszik kötésfölhasadás révén). Ha a reakcióban a stabilisabb termék képződik nagyobb mennyiségben, a reakció termodinamikai ellenőrzés alatt van. -

6) A ~i reakciók kinetikai feltétele. A reakciók végbemeneteléhez általában az is szükséges, hogy a kiindulási vegyületek magasabb energiájú, aktivált (átmeneti) állapotba (ÁÁ*) kerüljenek:

ahol k az átmeneti állapot képződésének sebességi állandója. A reakció sebessége függ az eduktumok koncentrációjától:

Minél kisebb az aktivált állapot szabad entalpiája (amely általában pozitív), annál gyorsabban megy végbe a reakció.

ahol R az egyetemes gázállandó és T az abszolút hőmérséklet. Ha adott reakcióban a gyorsabban képződő produktum keletkezik nagyobb mennyiségben, a reakció kinetikus (sebességi) ellenőrzés alatt van. A reakciók sebességére az eduktumok koncentrációján kívül jelentős hatással van az oldószer, a hőmérséklet és a katalizátor. Azokat az anyagokat, amelyek a reakciósebességet megnövelik anélkül, hogy a végtermékekben megjelennének, katalizátoroknak nevezzük. A katalizátor lehet sav v. bázis, negatív v. pozitív ion, és, elsősorban az élőszervezetekben, különleges felépítésű és nagy szelektivitású peptid (enzim). A katalizátornak mind a biokémiai, mind az ipari ~i folyamatokban nagy jelentősége van.

7) Konstitúció, konfiguráció, konformáció, izomériák (2. ábra). Ha két v. több molekula kvalitatív és kvantitatív összetétele, valamint (relatív) molekulatömege, tehát összegképlete megegyezik, szerkezete azonban különböző, a molekulák egymás izomérjei. - Ha a különbség a molekulákat összetartó kötések elrendeződésében (konnektivitásában) van, a molekulák egymásnak szerkezeti (konstitúciós) izomérjei. Egy adott összegképlethez igen sok szerkezeti izomér tartozhat (pl. a C20H42 összegképletű telített szénhidrogénhez elvben 366 319), amelyek tulajdonságai lehetnek nagyon hasonlók, de nagyon különbözők is. - A sztereoizomérekben a szerkezeti elemek térbeli elrendeződése különböző. Ha bennük adott atompárok téren át mért távolsága különböző, diasztereomérekről, ha azonosak, enantiomérekről van szó. - A diasztereomérek belső energiája, valamint fizikai és ~i tulajdonságai kis mértékben különböznek. Ha a diasztereomérek egyszeres (ritkábban többszörös) kötés mentén történő forgatással egymásba alakíthatók, az izoméreket konforméreknek (rotációs izoméreknek, rotaméreknek) hívjuk. - Az enantioméria kritériuma a belső szimmetriasík hiánya. Az enantiomérek mindig párban fordulnak elő, és olyan viszonyban vannak egymással, mint a jobbkéz és a balkéz, ezért királis („kezes”) molekuláknak hívjuk őket. Az enantiomérek csak olyan behatásokkal szemben mutatnak különbséget (sőt ellentétes viselkedést), amelyeknél az irány fontos (pl. kölcsönhatás egy másik királis molekulával, v. a síkban polározott fénnyel). A természetes és biológiailag fontos vegyületek jelentős része királis, de egyes csoportjaiban a két lehetséges kezesség (D és L, v. S és R) közül általában csak az egyik fordul elő, vagyis a természet homokirális. Ez a jelenség a gyenge nukleáris kölcsönhatás következménye, és az életfolyamatok szempontjából igen fontos. -

V. Az atomok és molekulák szerkezete. -

1. Az atom szerkezete. A ~i elemek atomjai atommagból és a körülötte elhelyezkedő elektronokból (elektronburok) épülnek föl. Az atommag pozitív elektromos töltésű protonokból és elektromosan semleges neutronokból áll. Az atommagok és elektronok tömegének összege adja az atom tömegét, amelynek legnagyobb része az atommagban koncentrálódik. A protonok pozitív töltését azonos számú, negatív töltésű elektron semlegesíti az elektronburokban. Adott atommag protonjainak száma  (= az elektronburok elektronjainak számával) azonos az elem rendszámával, vagyis a periódusos rendszerben (l. alább) elfoglalt helyszámával. Amennyiben az atom elektront ad le vagy vesz fel, pozitív, ill. negatív töltésű ionná alakul. Egy adott elem atommagja különböző számú neutront tartalmazhat. Az azonos rendszámú, de különböző tömegű atomokat izotópoknak nevezzük. A rendszám, tehát az elektronok száma döntően meghatározza az elem ~i tulajdonságait, azokat a neutronok száma csak másodlagosan és kismértékben módosítja. - Az atommagot körülvevő térnek azon részeit, amelyekben egy adott elektron tartózkodási valószínűsége maximális, elektronpályának nevezzük (3. ábra). Az elektronpályákat csomófelületek tagolják, amelyekben az elektron tartózkodási valószínűsége nulla. A csomófelületek számának emelkedésével emelkedik a pályák energiaszintje, és csökken az az energia, amely akkor szabadul föl, amikor elektron lép a pályára, vagy ahhoz szükséges, hogy egy elektront az adott pályáról eltávolítsunk. A pályák energiaszintjét elsősorban a főkvantumszám, kisebb mértékben a mellékkvantumszám jellemzi. Az azonos főkvantumszámú pályák K, L, M, N, O, P, Q betűkkel jelölt elektronhéjakba, ezeken belül az azonos mellékkvantumszámú pályák s, p, d, f  betűkkel jelölt alhéjakba rendeződnek. A főkvantumszám (n, értéke: 1, 2, 3, … n) a pálya magtól mért távolságával növekszik. A mellékkvantumszám (l, értéke maximálisan eggyel kisebb, mint a főkvantumszámé, 0, 1, 2,…n-1) a pálya csomósíkjainak számát és ezáltal alakját mutatja.  Így a 0 mellékvantumszámú s pályán nincs csomósík, és elektroneloszlása gömbhéjszerű, az 1 mellékkvantumszámú p pályán egy csomósík van és elektroneloszlása súlyzószerű. A magasabb mellékkvantumszámú d és f pályáknak az alakja bonyolultabb. A mágneses kvantumszám (m, értéke: 0, ±1, ±2,... ±(n-1) az azonos energiájú pályák térbeli elrendeződését jelzi, pl a három p pálya tengelye egymásra merőleges. Egy pályán maximálisan két elektron tartózkodhat, amelyek viselkedése külső mágneses térrel szemben ellentétes, ezt fejezi ki a szpinkvantum szám (ms, értéke: ±1/2). Az olyan atomot (v. molekulát), amelyben egy v. több elektronnak nincs ellentétes szpinű társa, gyöknek nevezzük. Egy atomban nem lehet két elektronnak mind a négy kvantumszáma azonos (Pauli-féle kizárási elv). -

2. A kémiai kötések (4. ábra). Az atomok kölcsönhatása révén molekulák jönnek létre. Atomok között általában párosszámú elektron létesít ~i kötést. A kötés révén az egyes atomok legkülsőbb elektronhéján az s és p (ritkábban d) pályák betöltődésével nemesgáz konfiguráció jön létre. -

A kölcsönhatások fajtái: A) A kémiai kötések alaptípusai : a) Kovalens kötés. Szoros értelemben vett ~i kötés atompályák kölcsönhatásból jön létre úgy, hogy két v. több elektront közösen használnak. Az atomok legkülső és többé-kevésbé hasonló energiaszintű pályái közötti kölcsönhatás révén új, a kölcsönható atomi pályákkal azonos számú molekulapálya (3. ábra) alakul ki, és ezek  energiaszintjük emelkedő sorrendjében töltődnek be a rendelkezésre álló elektronokkal. Az így kialakuló kötés a kovalens kötés. Ha mindkét elektront ugyanaz az atom adja, a kötést datív v. koordinatív kötésnek is mondjuk. A molekulapályák a legegyszerűbb esetben két atommagot (atomtörzset) vesznek körül, de bonyolultabb szerkezetű molekulákban is sok esetben úgy tekinthetők, mintha csak két atomtörzshöz tartoznának. Az ilyen pályákat, ill. kötéseket hívjuk lokalizáltaknak. Ha a kötés elektronsűrűsége a két atom közötti térrészben a legnagyobb, a kötést s kötésnek, ha e térrészen kívül maximális, p (d, …) kötésnek nevezzük. A kötés erősségét a kötési energia jellemzi, vagyis az az energiamennyiség, amely kialakulásakor fölszabadul és fölbontásához szükséges. Az egyszeres kovalens kötés energiája 200-500 kJ/mol érték között van. A ~i kötést továbbá jellemzi az atommagok közti, pikométerben (10-9 m) kifejezett kötéstávolság és az egymáshoz kapcsolt három atommag által bezárt szög, vagyis a vegyértékszög. Szomszédos atomoktól induló két kötés által bezárt vetületi szög a diéderes v. torziós szög. A kötéstávolságok, kötésszögek és torziós szögek együttese adja meg a molekula geometriáját. - A legegyszerűbb esetben a kovalens kötés két atomot köt össze két elektron közös használata révén. Ezen az egyszeres kötésen kívül azonban ismeretesek kétszeres (négyelektronos), háromszoros (hatelektronos), sőt kivételesen ritka esetben (fématomok között) négyszeres (nyolcelektronos) kötések is. A többszörös kötés energiája nagyobb, mint az analóg egyszeres kötésé, de kisebb, mint az egyszeres kötések energiájának kétszerese (háromszorosa stb.). Mivel a p (v. d) kötések energiája önmagában nem elég erős atomok összetartására, a többszörös kötés egy s és egy (v. több) p (és/v. d) kötésből állónak tekintendő. Mivel a p kötések elektronjai magasabb energiaszinten vannak, és lazábban kötődnek az atomtörzshöz, mint a s kötéseké, könnyebben hozzáférhetők és reakcióképesebbek. A kettős kötésből egy, a hármas  kötésből két (p) kötés viszonylag könnyen fölszakítható. -- b) Poláris kovalens kötés és ionviszony (4. ábra). Amennyiben a kovalens kötésben két, nem-azonos elektronegativitású atom vesz részt, körülöttük részleges pozitív és negatív töltés jelenik meg, vagyis a kötés poláris. Minél nagyobb a két kapcsolódó atom elektronegativitása között a különbség, annál polárisabb a kötés. A kisméretű kationok erősen polarizálnak, a nagyméretű anionok viszont könnyen polarizálhatók. A vegyületképződéskor kialakult elemi töltésszámot (mely -2-től +8-ig terjedhet) oxidációs számnak mondjuk. Az elektronegativitás függ az oxidációs számtól. Lehetséges, hogy a kapcsolódó atomok elektronegativitása között olyan nagy a különbség, hogy nincsenek közösen használt elektronjaik, hanem egy elektron az egyik atommag erőteréből a másikéba teljesen átkerül. Ilyenkor a kialakult ionok ellentétes töltése közötti elektrosztatikus vonzás tartja össze az atomokat. Ezt a kapcsolatot mondjuk ionviszonynak. - c) Fémes kötés. A periódusos rendszer elemeinek négyötöde fémes elem. A higany kivételével szobahőmérsékleten szilárd, kristályos halmazállapotúak. Legkülső elektronhéjukon 1 v. 2 (ritkább esetben 3 ) elektron van, amelyek könnyen leszakadhatnak. A kristályrács pontjaiban ezért pozitív töltésű ionok vannak, amelyek összességét veszik körül és tartják össze a szabaddá vált, mozgékony elektronok. Ezt a kapcsolatot mondjuk fémes kötésnek. Az elektromos áramot és a hőt többé-kevésbé jól vezetik. Egymással képezett elegyeik az →ötvözetek.- d) Másodlagos kötések (4. ábra) A molekulák atomjait elsősorban a kovalens kötés és az ionviszony tartja össze. Emellett azonban lényegesen kisebb energiájú kötések is létrejöhetnek egy adott molekulán belül (intramolekulárisan) v. két (esetleg több) molekula között (intermolekulárisan). Közülük kiemelkedő fontosságú a hidrogén kötés, amely a részleges kovalens kötésnek egy sajátos fajtája. A hidrogén különleges tulajdonsága, hogy egyszerre két atomhoz is kapcsolódhat, az egyikhez erősebben (kovalens kötéssel), a másikhoz lényegesen gyengébben (hidrogén kötéssel). Ha ugyanis a hidrogén erősen elektrovonzó atomhoz (F, O, N, stb.) kötődik, poláris kovalens kötés alakul ki, és a hidrogén atommagja körül csökken az elektronsűrűség. Ezt a hiányt pótolja egy szomszédos, nagy elektronsűrűségű atom (elsősorban N, O, F) nem-kötő (kötésben nem levő) elektronpárja. A hidrogén kötés sokkal gyengébb, mint az egyszeres kovalens kötés, energiája (kivételes esetektől eltekintve) 5-25 kJ/mol. Jelentősége a bio~ban is igen nagy. - A másodlagos kölcsönhatás másik fajtája az atomok elektronfelhőjének mozgékonysága következtében alakulhat ki. Ennek révén ugyanis a molekulákban részleges negatív és pozitív töltések (dipólusok) léphetnek föl állandó (dipólus-dipólus kölcsönhatás) v. időleges (diszperziós kölcsönhatás) jelleggel. A dipólusok intra- v. intermolekuláris kölcsönös vonzása ugyancsak hozzájárulhat a molekulák v. egyes részeik összetartásához. E másodlagos kötéseknek elsősorban a molekula alakjának meghatározásában és a molekulák közötti laza kapcsolatban van jelentőségük. - Végül a molekulák egymáshoz rögzülhetnek ~i kötések nélkül is, pl. úgy, amint a lánc egyes szemei egymásba kapaszkodnak. Mindezek a lehetőségek igen változatos szerkezetek kialakulását teszik lehetővé. -

B) Különleges kötésrendszerek (5.  ábra). a) Lineárisan konjugált kötésrendszerek. Ismeretesek, elsősorban a szerves ~ban, olyan vegyületek, amelyekben kettős kötések egyes kötésekkel váltakoznak. Legegyszerűbb képviselőjük a butadién. E molekulákban a s kötések lokalizáltaknak tekinthetők (két atomot kötnek össze), a p kötések pályái viszont egymással kölcsönhatásba léphetnek, nagyobb kiterjedésű delokalizált molekulapályákat hozva létre. A kölcsönhatás azonban nem olyan mértékű, hogy az egyes és kettős kötések közötti különbség eltűnjék, tehát a p kötések is lokalizáltak maradnak. Az ilyen kötésrendszereket konjugáltaknak mondjuk, mert a molekulák távolabbi részeit és azok tulajdonságait összekapcsolják. A konjugált kötésrendszer kialakulásának az feltétele, hogy a résztvevő atomok magjai (közel) egy síkban (koplanárisak) legyenek. Mivel a molekulákpályák kiterjedésével energiaszintjük csökken, a konjugált kettős kötésű vegyületek általában stabilisabbak, mint a kettős kötéseket nem-konjugált helyzetben tartalmazó izomérjeik. - b) Ciklikusan delokalizált (aromás) kötésrendszer. Van a gyűrűs szerves vegyületeknek egy különleges csoportja, amelyben p kötések is delokalizáltak. Ennek legtipikusabb képviselője a benzol. Ha szerkezetét a szén atom négyvegyértékűségét figyelembevéve akarjuk fölírni, a kettős kötéseket kétféle elrendeződésben (határszerkezetek) rajzolhatjuk be. A benzol 6 hidrogén atom felvételére alkalmas, telitetlen vegyület, reackiókészsége azonban sokkal kisebb, stabilitása viszont lényegesen nagyobb, mint az analóg aciklusos vegyületé. Sokirányú bizonyitékok igazolták, hogy a benzol egyetlen szerkezettel rendelkezik, amely azonban a két felírt határszerkezet közé esik, benne valamennyi szén-szén kötés azonos jellegű és kötéshossza az egyes és kettős kötés közé esik. Az ilyen vegyületeket aromás vegyületeknek nevezzük, és a szerves vegyületek jelentős alosztályát képezik. Az aromás vegyületek a vártnál lényegesen stabilisabbak, mert bennük gyűrűs p pályarendszer alakul ki, amelyet (4n+2) elektron (n=0,1,2,…) tölt be. Ismeretesek olyan gyűrűs delokalizált rendszerek is, amelyek 4n elektront tartalmaznak p pályákon, ezek az antiaromásnak nevezett vegyületek viszont sokkal kevésbé stabilisak, mint aciklikus analógjaik. Az antiaromás vegyületeknek nincs gyakorlati jelentősége. - c) Lineárisan delokalizált kötésrendszerek. Delokalizált p kötésrendszer lineáris formában is kialakulhat, ha páratlan számú atom vesz részt benne. A nátrium formiát nevű vegyületben a pozitív töltésű nátrium ion és a negatív töltésű formiát ion között ionviszony van. A formiát ion összetett szerkezet, amelyben a szén atom (poláris) kovalens kötéssel kapcsolódik a két oxigén atomhoz, szerkezetére azonban, a szén és oxigén atomok vegyértékét figyelembe véve, kétféle képlet (határszerkezet) írható föl. Ezek a képletek azt a látszatot keltik, hogy a két oxigén atom formálisan nem azonos kötéssel kapcsolódik a középső szén atomhoz, hanem a p kötés kétféleképpen helyezkedhet el. Kisérletesen igazolt tény, hogy a szén atom valójában mindkét oxigén atommal azonos jellegű kötést létesít, amely az egyszeres (s) és a kétszeres (sp) kötés között van. E köztes állapotot úgy lehet kifejezni, hogy a két képlet közé, amelyekben a formálisan egyszeres és kétszeres kötések helye fölcserélődik, kétfejű nyilat rajzolunk. Ezzel azt jelezzük, hogy a valódi szerkezet a két szerkezet (határszerkezet) között van. A határszerkezetekben az elektromos töltés is különböző helyzetben van feltüntetve, ami azt jelenti, hogy az elektromos töltés a tényleges szerkezetben megoszlik a két centrum között, vagyis mindkét oxigén atom körül részleges negatív töltés jelenik meg. A formiát ionban tehát nemcsak a p molekulapályák delokalizáltak, hanem a p kötések is. Mivel a formiát ionban a p elektronpárok  nem két, hanem három atomtörzshöz tartoznak, mozgásterük nagyobb, és a szerkezet alacsonyabb energiájú, tehát stabilisabb. Nagyon sokfajta delokalizált kötésrendszert ismerünk.

VI. Az elemek periódusos rendszere és az elemek kémiai tulajdonságai. Számos kémikus korábbi megfigyeléseit összefoglalva, 1869: J. L. Mayer (1830-95) az akkor ismert ~i elemeket periódikusan ismétlődő tulajdonságaik alapján rendszerbe sorolta. Vele csaknem egyidőben D. I. Mengyelejev (1834-1907) fölismerte a rendszer prognosztikus jelentőségét is. Mai formájában az elemek periódusos rendszere az atomok növekvő rendszámára épül (lásd a 6. ábrát). - A rendszer és az elektronhéjak pályarendszerének szerkezete között szoros összefüggés van. A pályák energiaszintje héjanként, ezen belül alhéjanként emelkedik, és az egyes elemeknél a pályák növekvő energiaszintjük sorrendjében töltődnek be elektronokkal. A K héjban (n=1) egy s pálya, az L héjban (n=2) egy s és három p pálya, a M héjban (n=3) egy s, három p és öt d pálya, az N héjban (n=4) egy s, három p, öt d és hét f pálya van, stb. Amint a három egymásba illeszkedő résztáblából látható, az elemek az s, p, d és f mezőkbe rendeződnek annak megfelelően, hogy milyen alhéjakba tartozó pályák töltődnek föl bennük elektronokkal. Addig nem lép második elektron egy pályára, amig ugyanazon alhéj minden pályáján nincs egy elektron (Hund szabály). - A periódusos rendszer a legegyszerűbb elemmel, a hidrogénnel kezdődik, magas rendszámú végén pedig nyitott. A magas rendszámú elemek nagy része igen rövid élettartamú, ezért csak képződésüket sikerült igen kis mennyiségben (esetleg csak néhány atom) megfigyelni. A 2000: biztosan ismert, legmagasabb, 109-es  rendszámú elem a meitnerium. - Míg az első három (K, L, M) periódusban az s és a p mező elemeinél a legkülső héj s és p pályáira kerül egy-egy elektron, a negyedik (N) periódustól kezdődően az s pálya betöltődése, vagyis az első (alkáli fémek) és második (alkáli földfémek) oszlop elemei után beiktatódnak a d mező elemei (átmeneti fémek), melyeknél a kívülről számított második elektronhéj d pályái töltődnek föl, s csak ezután következik a legkülső héj p pályáinak töltődése (a földfémektől a halogéneken át a nemesgázokig). A hatodik (P) periódustól kezdve a d mező első oszlopa után közbeiktatódnak az f mező elemei is (lantanoidok és aktinoidok), amelyeknél a kívülről számított harmadik elektronhéj f pályái töltődnek föl; ezt követően a kivülről számított második héj d pályáinak töltődése folytatódik, végül a periódus a legkülső elektronhéj p pályáinak betöltődésével fejeződik be a nemesgázoknál. Ezután ismét egy újabb elektronhéj töltődése kezdődik. Innen származik a tulajdonságok periodicitása. Mivel a ~i tulajdonságokat elsősorban a legkülső elektronhéj („vegyértékhéj”) betöltöttsége határozza meg, azok az elemek, amelyeknél belsőbb elektronhéj töltődik föl, ~i jellegükben kevésbé különböznek. - Az atomoknak a ~i tulajdonságok szempontjából fontos jellemzője az elektronegativitás, vagyis az elektronmegtartó-képesség. Az elemek elektronegativitása a periódusokban balról jobbra növekszik, az oszlopokban felülről lefelé csökken. A legelektronegatívabb elem a fluor, a legpozitívabb a cézium. A táblázat végén levő elemek és néhány ritka v. instabilis elem elektronegativitásáról, valamint a d és különösen az f mező elemei közötti elektronegativitás-különbségekről ismereteink bizonytalanok. ~i kötésben levő elem elektronegativitása attól is függ, hogy milyen (más) atom kapcsolódik hozzá. Az egyes periódusokban számos fizikai és ~i tulajdonság fokozatosan (rendszám, atomtömeg) v. periodikusan (elektronegativitás, ionizációs és a redukciós potenciál, atomsugár, ionsugár, atomtérfogat, atomsűrűség, stb.) változik. A periódusok elején álló elemek egy v. több elektron leadásával pozitív töltésű kationná, a periódusok végén (a nemesgázok előtt) álló elemek egy v. két elektron felvételével negatív töltésű anionná alakulnak, úgy, hogy legkülsőbb elektronhéjuk s és p pályái (8 elektronnal) teljesen betöltöttek (nemesgáz konfiguráció). - Az elemek közül a hidrogén és a hélium az →ősrobbanás közvetlen következményeként keletkeztek. A további elemek a csillagokban alakultak ki, amelyek lényegében hidrogént és héliumot tartalmazó ködök. Gravitáció által okozott összehúzódásuk révén hőmérsékletük emelkedett (10 millió Kelvin foktól 200-300 millió Kelvin fokig), és megkezdődött lépcsőzetes összeolvadásuk a 26-os rendszámú vas atommagig, amely a periódusos rendszer és a kozmosz legstabilisabb eleme. Ettől kezdve az atommagok stabilitása csökken. A magasabb rendszámú atommagok a szupernova-robbanások során képződnek még magasabb magas hőmérsékleten és nyomáson. Az így kialakult atommagok a világegyetem tágulásával és lehűlésével elektronokat vesznek föl pályarendszerükbe, és atomokká alakulnak.

1. Hidrogén. A legegyszerűbb elem. Bár formálisan a periódusos rendszer s mezőjébe tartozik, a rendszerben különleges helyet foglal el. Atommagját egyetlen elemi részecske, a proton képezi, egyben az egyik legstabilisabb elemi részecske is. A világegyetem leggyakoribb eleme, de a földkéregben csak kis mennyiségben fordul elő. Atomos állapotban (H.), pozitív (H+) és negatív (H-) töltésű ionként, valamint kétatomos gázmolekulaként (H2) létezik. Izotópjai a deutérium és a tricium. A legtöbb másik elemmel többé-kevésbé poláris kovalens kötést képez. -

2. Az s mező többi elemei. A periódusos rendszer első (hidrogén és alkálifémek) és a második (alkáli földfémek) oszlopának elemei, valamint formálisan a hélium tartoznak ide. A hidrogén és a hélium helyzete különleges, ezért az előbbit külön, az utóbbit a nemesgázok között a p mező elemeinél tárgyaljuk. Az alkáli fémek és alkáli földfémek atomjai legkülső elektronhéjukon s pályán egy v. két elektront tartalmaznak, amelyet könnyen leadnak, ezáltal egy v. két pozitív töltésű, stabilis, nemesgáz konfigurációjú ionokká alakulnak. Alacsony elektronegativitásuk a periódusos rendszerben balról jobbra növekszik, felülről lefelé csökken. Szilárd állapotban ionrácsot képeznek, amit a mozgékony elektronok tartanak össze. A természetben szabad állapotban nem fordulnak elő. Igen reakcióképesek, halogénekkel, vízzel és magasabb hőmérsékleten oxigénnel többé-kevésbé hevesen reagálnak, oxidjaik vízzel bázikus hidroxidokat adnak. A pozitív töltésű fémionok negatív töltésű ionokkal sókat képeznek, amelyek ionos kristályrácsában ionviszony az összetartó erő.

3. A p mező elemei és a hélium. Mivel bennük (a hélium kivételével) a legkülső elektronhéj p pályái töltődnek. az ide tartozó elemek egyes tulajdonságaik tekintetében jelentősen különböznek egymástól. A héliumban ugyan s pálya töltődik, de zárt elektronhéja miatt és tulajdonságai alapján az ebben a mezőben elhelyezkedő nemesgázokhoz hasonlít. A p mező oszlopai balról jobbra: a földfémek, a szén, a nitrogén és az oxigén csoport elemei, a halogének és a nemesgázok. A p mezőt egy lépcsőzetes vastag vonal kettéosztja. A lépcsőtől balra és lefelé fémes elemek, jobbra és fölfelé nemfémes elemek helyezkednek el. A határvonal azonban nem éles, és különösen a lépcső közelében elhelyezkedő elemeknél mindkét fajta tulajdonság jelentkezik (félfémek). - A fémes elemek többé-kevésbé poláris kovalens kötéseket képeznek egymással és más atomokkal. A hőt és az elektromososságot vezetik. A fémes jelleg alulról fölfelé és balról jobbra csökken. Oxidjaik vízzel bázisokat képeznek, a bór hidroxi származéka azonban savas jellegű, a lépcső közelében levőknél pedig mindkét jelleg megjelenik. A mező legbaloldalibb oszlopában még a kovalens kötésű vegyületek esetében is a legkülső héj egyik pályája üres, ez az elektronhiányos állapot elsősorban a bórnál és az alumíniumnál mutatkozik meg. Az alumínium és a szilícium a földkéreg kőzeteinek fontos komponense (utóbbi oxigénnel kombinálva nagykiterjedésű molekulahálózatok kialakítására is képes). - A nemfémes elemek a hőt és az elektromosságot nem vezetik. Elektronegativitásuk 2.0 fölött van, tehát elektronegatív elemek, ez a tulajdonságuk azonban balra és lefelé a periódusos rendszerben csökken. A felső, jobboldali sarok elemei elektronfelvétellel negatív töltésű ionokká alakulnak. Önmagukkal két- v. többatomos molekulákat képeznek, a nitrogén, oxigén, fluor és klór gáz halmazállapotú, a bróm folyadék, a többiek szilárdak, kristályos állapotban kovalens v. atomrácsot alkotnak. A nitrogén és az oxigén a levegő fontos alkotórészei. Egymással többé-kevésbé poláris kovalens kötésű vegyületeket, a fémekkel pedig, különösen a magasabb oxidációs számú alakjukban ionos szerkezetű sókat képeznek. A nitrogén hidrogénnel képezett vegyülete (ammonia, NH3) bázikus tulajdonságú, a többieké azonban többé-kevésbé savas. Oxidjaik vízzel savakat képeznek. A víznek (H2O), amely amfoter jellegű, különleges tulajdonságai és alapvető jelentősége van. A szén helyzete sajátos, ezért tárgyalása külön, a szerves ~ keretében történik. - A mező utolsó oszlopát a nemesgázok alkotják. Elemi állapotban egyatomos molekulák alakjában léteznek. Bár a hélium a világegyetem második leggyakoribb eleme, a Föld légkörében a többi nemesgázhoz hasonlóan csak kis mennyiségben fordul elő. Legkülső elektronhéjuk elektronnal  teljesen betöltött (nemesgáz-konfiguráció), és ez a tény ~i stabilitást kölcsönöz nekik. Más atomokkal csak laza asszociátumokat képeznek.   

4. A d mező elemei. Átmeneti fémek, amelyek elektronegativitása a periódusos rendszerben balról jobbra növekszik, felülről lefelé az első oszlopokban csökken, majd emelkedik. Legkülső elektronhéjukon egy v. két s elektront tartalmaznak, alatta pedig a d pálya fokozatosan feltöltődik. Nemcsak s, hanem d pályáról is leszakadhatnak elektronok, ezért magasabb (4-8)  oxidációs számú alakjukban sokszor színes ionokat képeznek, amelyekben kovalens kötések vannak. Kis vegyértékű sóikban ionviszony v. erősen poláris kovalens kötés van, az összetett ionokat mérsékelten poláris kovalens kötések tartják össze. Általában fémes tulajdonságúak, de reaktivitásuk balról jobbra csökken. Legkülső elektronhéjaik részben betöltetlenek, így készségesen vesznek föl elektronpárokat külső ligandumoktól, és ezáltal nemesgáz konfigurációt érnek el. Innen származik erős komplexképző hajlamuk. Egymás között gyakran különleges tulajdonságú ötvözeteket képeznek. A Földön a legnagyobb tömegben a nikkel és a vas fordul elő. Vízzel a mező szélein elhelyezkedő elemek oxidjai bázikus hidroxidokat, a középen elhelyezkedőké magasabb oxidációs számú alakjukban (króm, mangán)  oxisavakat adnak, a közbeesők pedig amfoterek. A d mező utolsó két oszlopának elemei tulajdonságaikban a p mező fémes elemeihez közelítenek.

5. Az f mező elemei. Összefoglaló néven ritka földfémeknek nevezik őket, mert a földkéregben fordulnak elő viszonylag kis mennyiségben. Első tagjukról a 6. periódusba tartozó elemeket lantanoidoknak, a 7. periódusba tartozókat aktinoidoknak hívják. A mező elemeinél a kívülről számított harmadik héj f pályái töltődnek föl, ezért elektronegativitásukban kis különbségek vannak, ~i tulajdonságaik hasonlók, és szétválasztásuk nehéz. Oxidjaik vízzel bázisokat adnak, bár az urán és a plutónium magasabb oxidjai vízzel savként viselkednek. A lantanoidok gyakorlati jelentősége kicsi. Az aktinoidok számos képviselőjét, a többi transzurán (urán utáni) elemhez hasonlóan, csak igen kis mennyiségben sikerült eddig előállítani, ezért róluk szóló ismereteink hiányosak. Az urán és a plutónium azonban az atomtechnika kifejlődésével fontossá, híressé és hírhedtté vált. →maghasadás

VII. A ~ szakirodalma. A ~ eredményeit több ezer folyóirat publikálja. Az eredmények földolgozását, regisztrálását és keresését igen fejlett számítógépes referenciarendszer teszi lehetővé. A legfontosabb adatbázisok: Chemical Abstracts: Több mint 17 millió vegyületleírást és további 11 millió vegyületszekvenciát  tartalmaz. CrossfireBeilstein:  8 millió szerves vegyület és 5 millió kémiai reakció leírását tartalmazza. Kronológiai indexe az 1771. évvel kezdődik. CrossfireGmelin: Adatbázisa az 1772. évvel kezdődik. 1,4 millió vegyület leírását tartalmazza. Mindhárom rendszer sokoldalú és könnyen kezelhető keresőrendszerrel dolgozik, amely egyaránt alkalmas vegyületek, ~i folyamatok és fogalmak keresésére.

VIII. Összefoglalva. A ~ a legegyszerűbb szerkezetek tanulmányozásától eljutott az igen bonyolultakéhoz (7. ábra). Az ember a laboratóriumban és a természet az élő sejtekben igen nagy változatosságban produkálja a vegyületeket. Kétségtelen, hogy a legnagyobb, határozott méretű, molekuláris szerkezetek a genetikus tulajdonságokat hordozó kromoszómák, amelyek mindegyike egyetlen makromolekulának tekinthető. A fullerén egy magas szimmetriájú, 20 hattagú és 12 öttagú gyűrűt tartalmazó, laboratóriumban előállított vegyület, melyben az egyes és kettős kötések helye időben is állandóan változik. A maitotoxin 101 sztereogén centrumot tartalmazó természetes molekula, egyúttal az egyik, jelenleg ismert legtoxikusabb vegyület. Semmi sem mutat arra, hogy a ~ fejlődése a közeljövőben lassulna. Szabó László

Kajtár Márton: Változatok négy elemre. Szerves ~. 1-2. köt. Bp., 1984. - Corey, E. J.-Xue-Min, C.: The Logic of Chemical Synthesis. New York, 1989. - Atkins, P. W.: A periódusos birodalom. Bp., 1995. - Balázs Lóránt: A ~ története. 1-2. köt. Uo., 1996. - Szántay Csaba: Elméleti szerves ~. Uo., 1996. - Furka Árpád: Szerves ~. Uo., 1998. - Atkins, P. W.: Fizikai ~. 1. köt: Egyensúly; 2. köt.: Szerkezet; 3. köt.: Változás. Uo., 1998. - Burger Kálmán: Az analitikai ~ alapjai. ~i és műszeres elemzés. Uo., 1999. - Greenwood, N. N.-Earnshow, A.: Az elemek ~ja. 1-3. köt. Uo., 1999. - Cotton, F. A.-Wilkinson, G.: Advanced Inorganic Chemistry. New York, 1999. - Smith, M.-March, J.: March's Advanced Organic Chemistry: Reactions, Mechanisms and Structure. Uo., 2000.