Радиус атома

Диаграмма атома гелия, показывающая плотность вероятности электронов оттенками серого.

Атомный радиус из химического элемента является мерой размера его атомов , как правило , среднего или типичного расстояния от центра ядра до границы окружающих оболочек из электронов . Поскольку граница не является четко определенным физическим объектом, существуют различные неэквивалентные определения атомного радиуса. Три широко используемых определения атомного радиуса: радиус Ван-дер-Ваальса , ионный радиус и ковалентный радиус .

В зависимости от определения, этот термин может применяться только к изолированным атомам или также к атомам в конденсированных средах , ковалентно связанных в молекулах , или в ионизированном и возбужденном состояниях ; и его значение может быть получено путем экспериментальных измерений или рассчитано на основе теоретических моделей. Значение радиуса может зависеть от состояния и контекста атома. ^[1]

Электроны не имеют определенных орбит или четко определенных диапазонов. Скорее их положения должны быть описаны как распределения вероятностей, которые постепенно сужаются по мере удаления от ядра без резкого ограничения; их называют атомными орбиталями или электронными облаками. Более того, в конденсированных средах и молекулах электронные облака атомов обычно до некоторой степени перекрываются, и некоторые электроны могут перемещаться по большой области, охватывающей два или более атомов.

Согласно большинству определений, радиусы изолированных нейтральных атомов находятся в диапазоне от 30 до 300 пм ( триллионных долей метра) или от 0,3 до 3 ангстремов . Следовательно, радиус атома более чем в 10 000 раз превышает радиус его ядра (1–10 фм ) ^[2] и менее 1/1000 длины волны видимого света (400–700 нм ).

Примерная форма молекулы этанола , CH ₃ CH ₂ OH. Каждый атом моделируется сферой с радиусом Ван-дер-Ваальса элемента .

Для многих целей атомы можно моделировать как сферы. Это лишь грубое приближение, но оно может дать количественные объяснения и предсказания для многих явлений, таких как плотность жидкостей и твердых тел, диффузия жидкостей через молекулярные сита , расположение атомов и ионов в кристаллах , а также размер и форма. молекул . ^{[ необходима цитата ]}

Радиусы атомов в периодической таблице изменяются предсказуемым и объяснимым образом . Например, радиусы обычно уменьшаются вдоль каждого периода (строки) таблицы, от щелочных металлов до благородных газов ; и увеличивайте каждую группу (столбец). Радиус резко увеличивается между благородным газом в конце каждого периода и щелочным металлом в начале следующего периода. Эти тенденции изменения атомных радиусов (и различных других химических и физических свойств элементов) могут быть объяснены теорией электронной оболочки атома; они предоставили важные доказательства для развития и подтверждения квантовой теории. Радиусы атомов уменьшаются по Периодической таблице, потому что по мере увеличения атомного номера количество протонов увеличивается по периоду, но дополнительные электроны добавляются только к той же квантовой оболочке. Следовательно, эффективный заряд ядра по отношению к крайним электронам увеличивается, притягивая самые удаленные электроны ближе. В результате электронное облако сжимается, а радиус атома уменьшается.

История [ править ]

В 1920 году, вскоре после того, как стало возможным определять размеры атомов с помощью рентгеновской кристаллографии , было высказано предположение, что все атомы одного и того же элемента имеют одинаковые радиусы. ^[3] Однако в 1923 году, когда стало доступно больше данных о кристаллах, было обнаружено, что приближение атома как сферы не обязательно выполняется при сравнении одного и того же атома в различных кристаллических структурах. ^[4]

Определения [ править ]

Широко используемые определения атомного радиуса включают:

• Радиус Ван-дер-Ваальса : в принципе, половина минимального расстояния между ядрами двух атомов элемента, которые не связаны с одной и той же молекулой. ^[5]
• Ионный радиус : номинальный радиус ионов элемента в определенном состоянии ионизации, выведенный из расстояния между атомными ядрами в кристаллических солях, которые включают этот ион. В принципе, расстояние между двумя соседними противоположно заряженными ионами ( длина от ионной связи между ними) должна быть равна сумме их ионных радиусов. ^[5]
• Ковалентный радиус : номинальный радиус атомов элемента, когда они ковалентно связаны с другими атомами, как выводится из разделения между атомными ядрами в молекулах. В принципе, расстояние между двумя атомами, которые связаны друг с другом в молекуле (длина этой ковалентной связи), должно равняться сумме их ковалентных радиусов. ^[5]
• Металлический радиус : номинальный радиус атомов элемента, соединенных с другими атомами металлическими связями . ^{[ необходима цитата ]}
• Радиус Бора : радиус орбиты электрона с наименьшей энергией, предсказанный моделью атома Бора (1913 г.). ^{[6] [7]} Это применимо только к атомам и ионам с одним электроном, таким как водород , однократно ионизированный гелий и позитроний . Хотя сама модель в настоящее время устарела, радиус Бора для атома водорода по-прежнему считается важной физической константой.

Эмпирически измеренный атомный радиус [ править ]

В следующей таблице показаны эмпирически измеренные ковалентные радиусы элементов, опубликованные Дж. Слэтером в 1964 году. ^[8] Значения даны в пикометрах (pm или 1 × 10 ^-12  м) с точностью около 5 pm. Оттенок рамки варьируется от красного до желтого по мере увеличения радиуса; серый цвет указывает на отсутствие данных.

Объяснение общих тенденций [ править ]

То, как атомный радиус изменяется с увеличением атомного номера, можно объяснить расположением электронов в оболочках с фиксированной емкостью. Оболочки обычно заполняются в порядке увеличения радиуса, поскольку отрицательно заряженные электроны притягиваются положительно заряженными протонами в ядре. По мере увеличения атомного номера вдоль каждой строки периодической таблицы дополнительные электроны переходят в ту же самую внешнюю оболочку; радиус которого постепенно сужается из-за увеличения заряда ядра. В благородном газе самая внешняя оболочка полностью заполнена; следовательно, дополнительный электрон следующего щелочного металла перейдет в следующую внешнюю оболочку, учитывая внезапное увеличение атомного радиуса.

Возрастающий заряд ядра частично уравновешивается увеличением количества электронов, явление, известное как экранирование ; что объясняет, почему размер атомов обычно увеличивается вниз по каждому столбцу. Однако есть одно примечательное исключение, известное как сжатие лантаноидов : 5d-блок элементов намного меньше, чем можно было бы ожидать, из-за слабого экранирования 4f-электронов.

По сути, атомный радиус уменьшается через периоды из-за увеличения количества протонов. Следовательно, существует большее притяжение между протонами и электронами, потому что противоположные заряды притягиваются, и большее количество протонов создает более сильный заряд. Более сильное притяжение притягивает электроны ближе к протонам, уменьшая размер частицы. Следовательно, атомный радиус уменьшается. Вниз по группам атомный радиус увеличивается. Это потому, что существует больше уровней энергии и, следовательно, большее расстояние между протонами и электронами. Кроме того, электронная защита снижает притяжение, поэтому оставшиеся электроны могут уходить дальше от положительно заряженного ядра. Следовательно, размер или атомный радиус увеличивается.

В следующей таблице приведены основные явления, влияющие на атомный радиус элемента:

Сокращение лантаноидов [ править ]

Электроны в 4f- подоболочке , которая постепенно заполняется от лантана ( Z  = 57) до иттербия ( Z  = 70), не особенно эффективны для экранирования увеличивающегося ядерного заряда от более удаленных подоболочек . Элементы, следующие сразу за лантаноидами, имеют атомные радиусы, которые меньше, чем можно было бы ожидать, и которые почти идентичны атомным радиусам элементов непосредственно над ними. ^[9] Следовательно, лютеций на самом деле немного меньше иттрия , гафний имеет практически такой же атомный радиус (и химический состав), что и цирконий , итантал имеет атомный радиус, подобный ниобию , и так далее. Эффект сжатия лантаноидов заметен вплоть до платины ( Z  = 78), после чего он маскируется релятивистским эффектом, известным как эффект инертной пары .

Из-за сокращения лантаноидов можно сделать 5 следующих наблюдений:

1. Размер ионов Ln ³⁺ закономерно уменьшается с увеличением атомного номера. Согласно правилам Фаянса , уменьшение размера ионов Ln ³⁺ увеличивает ковалентный характер и уменьшает основной характер между ионами Ln ³⁺ и OH ^- в Ln (OH) ₃ до такой степени, что Yb (OH) ₃ и Lu ( OH) ₃ с трудом растворяется в горячем концентрированном NaOH. Следовательно, дан порядок размера Ln ³⁺ :
   La ³⁺ > Ce ³⁺ > ..., ...> Lu ³⁺ .
2. Наблюдается закономерное уменьшение их ионных радиусов.
3. Их способность действовать как восстановитель регулярно уменьшается с увеличением атомного номера.
4. Второй и третий ряды переходных элементов d-блока довольно близки по свойствам.
5. Следовательно, эти элементы встречаются вместе в природных минералах и их трудно разделить.

сокращение d-блока [ править ]

Сокращение d-блока менее выражено, чем сокращение лантаноида, но возникает по той же причине. В этом случае именно плохая экранирующая способность 3d-электронов влияет на атомные радиусы и химический состав элементов, следующих сразу за первым рядом переходных металлов , от галлия ( Z  = 31) до брома ( Z  = 35). ^[9]

Расчетные атомные радиусы [ править ]

В следующей таблице показаны атомные радиусы, рассчитанные на основе теоретических моделей, опубликованных Энрико Клементи и другими в 1967 году. ^[10] Значения даны в пикометрах (пм).

Заметки [ править ]

• Разница между экспериментальными и теоретическими данными: экспериментальные или эмпирические данные измеряются посредством физических наблюдений и множества экспериментов, дающих те же результаты . Они подвержены экспериментальным ошибкам и зависят от конкретной интерпретации данных. Поскольку атомные радиусы не наблюдаются напрямую, необходимо интерпретировать, как выходные сигналы экспериментальных устройств объединяются, чтобы дать измерение радиуса. Это включает в себя то, как все ошибки, вносимые каждым устройством, влияют на интерпретацию. Значения не рассчитываются по формуле, однако эмпирические результаты дают практические правила.который можно использовать при отсутствии полного понимания. С другой стороны, теоретические данные основаны на теории; в случае атомных радиусов эта теория является полуклассической квантовой механикой. Теоретические предсказания полезны при проведении экспериментов, давая экспериментаторам возможность интерпретировать результаты. С другой стороны, экспериментальные измерения помогают уточнить теоретическое понимание явлений. Как гласит старая пословица, теория без эксперимента хромает, эксперимент без теории слеп.

См. Также [ править ]

• Атомные радиусы элементов (страница данных)
• Химическая связь
• Ковалентный радиус
• Длина скрепления
• Стерическая помеха
• Кинетический диаметр

Ссылки [ править ]