Атомный радиус

редактировать

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.

Содержание

1 История
2 Определения
3 Эмпирически измеренный атомный радиус
4 Объяснение общих тенденций
- 4.1 Сокращение лантаноидов
- 4,2 сокращение d-блока
5 Рассчитано атомные радиусы
6 Примечания
7 См. также
8 Ссылки

История

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.

Определения

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.
Ионный радиус : номинальный радиус ионов элемента в определенном состоянии ионизации, рассчитанный из расстояния между атомными ядрами в кристаллических солях, которые включают этот ион. В принципе, расстояние между двумя соседними противоположно заряженными ионами (длина ионной связи между ними) должно равняться сумме их ионных радиусов.
Ковалентный радиус : номинальный радиус атомов элемента, когда ковалентно связан 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.
Металлический радиус : номинальный радиус атомов элемент при соединении с другими атомами металлическими связями.
радиус Бора : радиус орбиты электрона с наименьшей энергией, предсказанный моделью Бора атома (1913). Он применим 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

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)

Период. (строка)

H. 25

He.

Li. 145

Be. 105

B. 85

C. 70

N. 65

O. 60

F. 50

Ne.

Na. 180

Mg. 150

Al. 125

Si. 110

P. 100

S. 100

Cl. 100

Ar.

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.

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.

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.

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.

Объяснение общих тенденций

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

сжатие лантанида

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:

Размер ионов Ln регулярно уменьшается с атомным номером. Согласно правилам Фаянса, уменьшение размера ионов Ln увеличивает ковалентный характер и уменьшает основной характер между ионами Ln и OH в Ln (OH) 3 до такой степени, что Yb (OH) 3 и Lu (OH) 3 могут с трудом растворяться в горячем концентрированном NaOH. Следовательно, дан порядок размеров Ln:. La>Ce>...,...>Lu.
Их ионные радиусы регулярно уменьшаются.
Там - регулярное уменьшение их тенденции действовать как восстанавливающий агент с увеличением атомного номера.
Второй и третий ряды переходных элементов d-блока довольно близки по свойствам.
Следовательно, эти элементы встречаются вместе в природных минералах и их трудно разделить.

Сужение d-блока

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).

Расчетные атомные радиусы

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)

Период. (строка)

H. 53

He. 31

Li. 167

Be. 112

B. 87

C. 67

N. 56

O. 48

F. 42

Ne. 38

Na. 190

Mg. 145

Al. 118

Si. 111

P. 98

S. 88

Cl. 79

Ar. 71

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

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

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

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