Войти
Схема атома гелия, показывающая плотность вероятности электронов в виде оттенков серого. атомный радиус химического элемента является мерой размера его атомы, обычно среднее или типичное расстояние от центра ядра до границы окружающих оболочек из электронов. Поскольку граница не является четко определенной физической сущностью, 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 с атомами, а также с атомами в конденсированном веществе, ковалентно связывающими в молекулах или в ионизированных и возбужденных 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.
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; они называются атомными орбиталями или электронными облаками. Более того, в конденсированных средах и молекулах электронные облака атомов обычно в 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 pm (триллионных метра) или от 0,3 до 3 Ангстремов. Следовательно, радиус атома более чем в 10 000 раз превышает радиус его ядра (1–10 фм ) и менее 1/1000 длины волны видимого света (400–700 нм ).
Примерная форма молекулы этанола, CH 3CH2OH. Каждый атом моделируется сферой с радиусом элемента Ван-дер-Ваальса.. Для многих целей атомы можно моделировать как сферы. Это только 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.
Атомные радиусы изменяются предсказуемым и объяснимым образом в периодической таблице. 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 с помощью теории 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 самым удаленным электронам увеличивается, притягивая самые удаленные электроны ближе. В результате электронное облако сжимается и атомный радиус уменьшается.
В 1920 году, вскоре после того, как стало возможным определять размеры атомов с помощью рентгеновского излучения В кристаллографии было высказано предположение, что все атомы одного и того же элемента имеют одинаковые радиусы. 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.
Широко используемые определения атомного радиуса включают:
В следующей таблице показаны эмпирически измеренные ковалентные радиусы элементов, как опубликовано J. К. Слейтер в 1964 году. Значения даны в пикометрах (пм или 1 × 10 м) с точностью около 5 пм. Оттенок рамки варьируется от красного до желтого по мере увеличения радиуса; серый цвет указывает на отсутствие данных.
| Группа. (столбец) | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | |
| Период. (строка) | |||||||||||||||||||
| 1 | H. 25 | He. | |||||||||||||||||
| 2 | Li. 145 | Be. 105 | B. 85 | C. 70 | N. 65 | O. 60 | F. 50 | Ne. | |||||||||||
| 3 | Na. 180 | Mg. 150 | Al. 125 | Si. 110 | P. 100 | S. 100 | Cl. 100 | Ar. | |||||||||||
| 4 | K. 220 | Ca. 180 | Sc. 160 | Ti. 140 | V. 135 | Cr. 140 | Mn. 140 | Fe. 140 | Co. 135 | Ni. 135 | Cu. 135 | Zn. 135 | Ga. 130 | Ge. 125 | As. 115 | Se. 115 | Br. 115 | Kr. | |
| 5 | Rb. 235 | Sr. 200 | Y. 180 | Zr. 155 | Nb. 145 | Mo. 145 | Tc. 135 | Ru. 130 | Rh. 135 | Pd. 140 | Ag. 160 | Cd. 155 | In. 155 | Sn. 145 | Sb. 145 | Te. 140 | I. 140 | Xe. | |
| 6 | Cs. 260 | Ba. 215 | *. | Hf. 155 | Ta. 145 | W. 135 | Re. 135 | Os. 130 | Ir. 135 | Pt. 135 | Au. 135 | Hg. 150 | Tl. 190 | Pb. 180 | Bi. 160 | Po. 190 | At. | Rn. | |
| 7 | Fr. | Ra. 215 | **. | Rf. | Db. | Sg. | Bh. | Hs. | Mt. | Ds. | Rg. | Cn. | Nh. | Fl. | Mc. | Lv. | Ts. | Og. | |
| Лантаноиды | *. | La. 195 | Ce. 185 | Pr. 185 | Nd. 185 | Pm. 185 | Sm. 185 | Eu. 185 | Gd. 180 | Tb. 175 | Dy. 175 | Ho. 175 | Er. 175 | Tm. 175 | Yb. 175 | Lu. 175 | |||
| Актиниды | **. | Ac. 195 | Th. 180 | Pa. 180 | U. 175 | Np. 175 | Pu. 175 | Am. 175 | Cm. | Bk. | Cf. | Es. | Fm. | Md. | No. | Lr. | |||
График, сравнивающий атомный радиус элементов с атомными номерами 1– 100. Точность ± 5 пм. Изменение атомного радиуса с увеличением атомного номера можно объяснить расположением электронов в оболочках фиксированной емкости. 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.
Увеличение заряда ядра частично уравновешивается увеличением количества электронов, явление, известное как экранирование ; что объясняет, почему размер атомов обычно увеличивается в каждом столбце. Однако есть одно заметное исключение, известное как сжатие лантаноидов : блок элементов 5d 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, защита электронов снижает притяжение, поэтому оставшиеся электроны могут уходить дальше от положительно заряженного ядра. Следовательно, размер (атомный радиус) увеличивается.
В следующей таблице обобщены основные явления, которые влияют на атомный радиус элемента:
| фактор | принцип | увеличивается с... | имеют тенденцию | влиять на радиус |
|---|---|---|---|---|
| электронных оболочек | квантовая механика | основные и азимутальные квантовые числа | увеличиваются в каждом столбце | увеличивает радиус атома |
| заряд ядра | сила притяжения, действующая на электроны протонами в ядре | атомный номер | увеличивается вдоль каждого периода (слева направо) | уменьшает радиус атома |
| экранирует | силу отталкивания, действующую на электроны внешней оболочки внутренними электронами | количество электронов во внутренних оболочках | уменьшает влияние второго фактор | увеличивает атомный радиус |
Электроны в 4f- подоболочке, которая постепенно заполняется от церия (Z = 58) до лютеция (Z = 71), не особенно эффективны для защиты увеличивающегося количества ядер снимите заряд с суб-снарядов дальше. Элементы, следующие сразу после лантаноидов, имеют атомные радиусы, которые меньше, чем можно было бы ожидать, и которые почти идентичны атомным радиусам элементов, расположенных непосредственно над ними. Следовательно, гафний имеет практически такой же атомный радиус (и химический состав), что и цирконий, а тантал имеет атомный радиус, аналогичный ниобию, и так далее. Эффект сокращения лантаноидов заметен вплоть до платины (Z = 78), после чего он маскируется релятивистским эффектом, известным как эффект инертной пары.
Из-за сжатия лантаноидов можно сделать 5 следующих наблюдений:
Сужение 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 первой строкой переходных металлов, от галлия ( Z = 31) до брома (Z = 35).
В следующей таблице показаны атомные радиусы, рассчитанные на основе теоретических моделей, опубликованных Энрико Клементи и другие в 1967 году. Значения указаны в пикометрах (пм).
| Группа. (столбец) | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | |
| Период. (строка) | |||||||||||||||||||
| 1 | H. 53 | He. 31 | |||||||||||||||||
| 2 | Li. 167 | Be. 112 | B. 87 | C. 67 | N. 56 | O. 48 | F. 42 | Ne. 38 | |||||||||||
| 3 | Na. 190 | Mg. 145 | Al. 118 | Si. 111 | P. 98 | S. 88 | Cl. 79 | Ar. 71 | |||||||||||
| 4 | K. 243 | Ca. 194 | Sc. 184 | Ti. 176 | V. 171 | Cr. 166 | Mn. 161 | Fe. 156 | Co. 152 | Ni. 149 | Cu. 145 | Zn. 142 | Ga. 136 | Ge. 125 | As. 114 | Se. 103 | Br. 94 | Kr. 88 | |
| 5 | Rb. 265 | Sr. 219 | Y. 212 | Zr. 206 | Nb. 198 | Mo. 190 | Tc. 183 | Ru. 178 | Rh. 173 | Pd. 169 | Ag. 165 | Cd. 161 | In. 156 | Sn. 145 | Sb. 133 | Te. 123 | I. 115 | Xe. 108 | |
| 6 | Cs. 298 | Ba. 253 | *. | Hf. 208 | Ta. 200 | W. 193 | Re. 188 | Os. 185 | Ir. 180 | Pt. 177 | Au. 174 | Hg. 171 | Tl. 156 | Pb. 154 | Bi. 143 | Po. 135 | At. 127 | Rn. 120 | |
| 7 | Fr. | Ra. | **. | Rf. | Db. | Sg. | Bh. | Hs. | Mt. | Ds. | Rg. | Cn. | Nh. | Fl. | Mc. | Lv. | Ts. | Og. | |
| Лантаноиды | *. | La. 226 | Ce. 210 | Pr. 247 | Nd. 206 | Pm. 205 | Sm. 238 | Eu. 231 | Gd. 233 | Tb. 225 | Dy. 228 | Ho. 226 | Er. 226 | Tm. 222 | Yb. 222 | Lu. 217 | |||
| Актиниды | **. | Ac. | Th. | Pa. | U. | Np. | Pu. | Am. | Cm. | Bk. | Cf. | Es. | Fm. | Md. | No. | Lr. | |||
