Promień atomowy - Atomic radius

Schemat atomu helu, przedstawiający gęstość prawdopodobieństwa elektronów w odcieniach szarości.

Promienia atomowego z pierwiastka jest miarą wielkości jej węgla , zwykle średnio lub typowej odległości od centrum pierścienia na granicy sąsiednich skorup z elektronami . Ponieważ granica nie jest dobrze zdefiniowaną jednostką fizyczną, istnieją różne nierównoważne definicje promienia atomowego. Cztery powszechnie stosowane definicje promienia atomowego: Van der Waalsa promieniu , jonowego promieniu , promień metalicznej i kowalencyjne promieniu . Zazwyczaj, z powodu trudności w wyodrębnieniu atomów w celu oddzielnego pomiaru ich promieni, promień atomowy jest mierzony w stanie związanym chemicznie; jednak obliczenia teoretyczne są oczywiście prostsze, gdy rozważa się atomy oddzielnie. Zależności od środowiska, sondy i stanu prowadzą do wielu definicji.

W zależności od definicji, termin może dotyczyć atomów w materii skondensowanej , wiązaniach kowalencyjnych w cząsteczkach lub w stanach zjonizowanych i wzbudzonych ; a jego wartość można uzyskać poprzez pomiary eksperymentalne lub obliczyć na podstawie modeli teoretycznych. Wartość promienia może zależeć od stanu i kontekstu atomu.

Elektrony nie mają określonych orbit ani ostro określonych zasięgów. Ich pozycje należy raczej opisać jako rozkłady prawdopodobieństwa, które zmniejszają się stopniowo w miarę oddalania się od jądra, bez ostrego odcięcia; są one określane jako orbitale atomowe lub chmury elektronowe. Co więcej, w skondensowanej materii i cząsteczkach chmury elektronowe atomów zwykle w pewnym stopniu nakładają się na siebie, a niektóre elektrony mogą wędrować po dużym obszarze obejmującym dwa lub więcej atomów.

Zgodnie z większością definicji promienie izolowanych neutralnych atomów wahają się od 30 do 300 pm ( bilionowych części metra) lub od 0,3 do 3 angströms . Dlatego promień atomu jest ponad 10 000 razy większy od promienia jego jądra (1–10 fm ) i mniej niż 1/1000 długości fali światła widzialnego (400–700 nm ).

Przybliżony kształt cząsteczki etanolu , CH ₃ CH ₂ OH. Każdy atom jest modelowany przez sferę o promieniu Van der Waalsa elementu .

Do wielu celów atomy można modelować jako kule. To tylko zgrubne przybliżenie, ale może dostarczyć wyjaśnień ilościowych i przewidywań dla wielu zjawisk, takich jak gęstość cieczy i ciał stałych, dyfuzja płynów przez sita molekularne , układ atomów i jonów w kryształach oraz wielkość i kształt cząsteczek .

Historia

W 1920 r., niedługo po tym, jak stało się możliwe określenie rozmiarów atomów za pomocą krystalografii rentgenowskiej , zasugerowano, że wszystkie atomy tego samego pierwiastka mają takie same promienie. Jednak w 1923 roku, kiedy dostępnych było więcej danych dotyczących kryształów, odkryto, że przybliżenie atomu jako kuli niekoniecznie jest prawdziwe przy porównywaniu tego samego atomu w różnych strukturach krystalicznych.

Definicje

Szeroko stosowane definicje promienia atomowego obejmują:

• Promień van der Waalsa : W najprostszej definicji połowa minimalnej odległości między jądrami dwóch atomów pierwiastka, które nie są w inny sposób związane oddziaływaniami kowalencyjnymi lub metalicznymi. Promień Van der Waalsa można określić nawet dla pierwiastków (takich jak metale), w których siły Van der Waalsa są zdominowane przez inne interakcje. Ponieważ oddziaływania Van der Waalsa powstają w wyniku kwantowych fluktuacji polaryzacji atomowej, polaryzowalność (którą zwykle można łatwiej zmierzyć lub obliczyć) można wykorzystać do pośredniego określenia promienia Van der Waalsa.

• Promień jonowy : nominalny promień jonów pierwiastka w określonym stanie jonizacji, wyprowadzony z odległości jąder atomowych w solach krystalicznych zawierających ten jon. W zasadzie, odstęp między dwoma sąsiadującymi przeciwnie naładowanymi jonami (The długość na wiązanie jonowe między nimi), powinna być równa sumie promieni jonową.
• Promień kowalencyjny : nominalny promień atomów pierwiastka związanego kowalencyjnie z innymi atomami, wyprowadzony z separacji jąder atomowych w cząsteczkach. W zasadzie odległość między dwoma atomami, które są ze sobą połączone w cząsteczce (długość tego wiązania kowalencyjnego) powinna być równa sumie ich promieni kowalencyjnych.
• Promień metaliczny : nominalny promień atomów pierwiastka połączonego z innymi atomami wiązaniami metalicznymi .
• Promień Bohra : promień orbity elektronu o najniższej energii przewidziany przez model atomu Bohra (1913). Ma zastosowanie tylko do atomów i jonów z pojedynczym elektronem, takich jak wodór , pojedynczo zjonizowany hel i pozyton . Chociaż sam model jest już przestarzały, promień Bohra dla atomu wodoru jest nadal uważany za ważną stałą fizyczną.

Empirycznie mierzony promień atomowy

Poniższa tabela przedstawia empirycznie zmierzone promienie kowalencyjne pierwiastków, opublikowane przez JC Slatera w 1964. Wartości podane są w pikometrach (pm lub 1× ^10-12  m), z dokładnością około 5 pm. Odcień pudełka zmienia się od czerwonego do żółtego wraz ze wzrostem promienia; szary oznacza brak danych.

Wyjaśnienie ogólnych trendów

Wykres porównujący promień atomowy pierwiastków o liczbach atomowych 1–100. Dokładność ±5 po południu.

Sposób, w jaki promień atomowy zmienia się wraz ze wzrostem liczby atomowej, można wytłumaczyć układem elektronów w powłokach o stałej pojemności. Powłoki są zazwyczaj wypełnione w kolejności rosnącego promienia, ponieważ ujemnie naładowane elektrony są przyciągane przez dodatnio naładowane protony w jądrze. Wraz ze wzrostem liczby atomowej w każdym rzędzie układu okresowego, dodatkowe elektrony trafiają do tej samej zewnętrznej powłoki; którego promień stopniowo się kurczy, ze względu na rosnący ładunek jądrowy. W gazie szlachetnym zewnętrzna powłoka jest całkowicie wypełniona; w związku z tym dodatkowy elektron następnego metalu alkalicznego trafi do następnej powłoki zewnętrznej, biorąc pod uwagę nagły wzrost promienia atomu.

Rosnący ładunek jądrowy jest częściowo równoważony przez rosnącą liczbę elektronów, zjawisko znane jako ekranowanie ; co wyjaśnia, dlaczego rozmiar atomów zwykle rośnie w dół każdej kolumny. Jest jednak jeden godny uwagi wyjątek, znany jako skurcz lantanowców : blok pierwiastków 5d jest znacznie mniejszy niż można by się spodziewać, ze względu na słabe ekranowanie elektronów 4f.

Zasadniczo promień atomowy zmniejsza się w okresach z powodu rosnącej liczby protonów. Dlatego przyciąganie między protonami i elektronami jest większe, ponieważ przyciągają się przeciwne ładunki, a więcej protonów tworzy silniejszy ładunek. Większe przyciąganie przyciąga elektrony bliżej protonów, zmniejszając rozmiar cząstki. Dlatego promień atomowy maleje. Wraz z grupami zwiększa się promień atomowy. Dzieje się tak, ponieważ istnieje więcej poziomów energii, a zatem większa odległość między protonami i elektronami. Ponadto ekranowanie elektronów powoduje zmniejszenie przyciągania, więc pozostałe elektrony mogą oddalić się dalej od dodatnio naładowanego jądra. Dlatego zwiększa się rozmiar lub promień atomowy.

Poniższa tabela podsumowuje główne zjawiska, które wpływają na promień atomowy pierwiastka:

Skurcz lantanowców

Elektrony w podpowłoce 4f- , która jest stopniowo wypełniana od lantanu ( Z  = 57) do iterbu ( Z  = 70), nie są szczególnie skuteczne w ekranowaniu rosnącego ładunku jądrowego od dalszych podpowłok. Pierwiastki bezpośrednio za lantanowcami mają promienie atomowe, które są mniejsze niż można by się spodziewać i które są prawie identyczne z promieniami atomowymi pierwiastków bezpośrednio nad nimi. Dlatego lutet jest w rzeczywistości nieco mniejszy niż itr , hafn ma praktycznie taki sam promień atomowy (i skład chemiczny) jak cyrkon , a tantal ma promień atomowy podobny do niobu i tak dalej. Efekt skurczu lantanowców jest zauważalny aż do platyny ( Z  = 78), po czym jest maskowany przez efekt relatywistyczny znany jako efekt pary obojętnej .

Ze względu na skurcz lantanowców można wyciągnąć 5 następujących obserwacji:

1. Wielkość jonów Ln ³⁺ regularnie maleje wraz z liczbą atomową. Zgodnie z regułami Fajansa zmniejszenie wielkości jonów Ln ³⁺ zwiększa charakter kowalencyjny i zmniejsza charakter zasadowy między jonami Ln ³⁺ i OH ⁻ w Ln(OH) ₃ , do tego stopnia, że ​​Yb(OH) ₃ i Lu( OH) ₃ może z trudem rozpuszczać się w gorącym stężonym NaOH. Stąd rząd wielkości Ln ³⁺ jest podany:
   La ³⁺ > Ce ³⁺ > ..., ... > Lu ³⁺ .
2. Ich promienie jonowe regularnie się zmniejszają.
3. Obserwuje się regularny spadek ich tendencji do działania jako środek redukujący, wraz ze wzrostem liczby atomowej.
4. Drugi i trzeci rząd elementów przejściowych bloku d mają dość zbliżone właściwości.
5. W konsekwencji pierwiastki te występują razem w naturalnych minerałach i są trudne do rozdzielenia.

skurcz d-blokowy

Skurcz bloku d jest mniej wyraźny niż skurcz lantanowca, ale wynika z podobnej przyczyny. W tym przypadku to słaba zdolność ekranowania elektronów 3d wpływa na promienie atomowe i chemię pierwiastków bezpośrednio po pierwszym rzędzie metali przejściowych , od galu ( Z  = 31) do bromu ( Z  = 35).

Obliczone promienie atomowe

Poniższa tabela przedstawia promienie atomowe obliczone na podstawie modeli teoretycznych, jak opublikowali Enrico Clementi i inni w 1967. Wartości podano w pikometrach (pm).

Zobacz też

• Promienie atomowe pierwiastków (strona danych)
• Wiązanie chemiczne
• Promień kowalencyjny
• Długość wiązań
• Przeszkoda steryczna
• Średnica kinetyczna

Uwagi

• Różnica między danymi empirycznymi a danymi obliczeniowymi: Dane empiryczne oznaczają „pochodzące lub oparte na obserwacji lub doświadczeniu” lub „poleganie na doświadczeniu lub samej obserwacji, często bez należytego uwzględnienia danych systemowych i teoretycznych”. Innymi słowy, dane są mierzone poprzez fizyczną obserwację i weryfikowane przez inne eksperymenty generujące podobne wyniki . Z drugiej strony dane obliczone pochodzą z modeli teoretycznych. Takie przewidywania są szczególnie przydatne dla pierwiastków, których promienia nie można zmierzyć doświadczalnie (np. takich, które nie zostały odkryte lub mają zbyt krótki okres półtrwania).

Bibliografia