Атомный радиус

Атомный радиус является химического элемента мерой размера его атома , обычно это среднее или типичное расстояние от центра ядра до самого удаленного изолированного электрона . Поскольку граница не является четко определенным физическим объектом, существуют различные неэквивалентные определения атомного радиуса. Четыре широко используемых определения атомного радиуса: радиус Ван-дер-Ваальса , ионный радиус , металлический радиус и ковалентный радиус . Обычно из-за сложности выделения атомов для отдельного измерения их радиусов атомный радиус измеряется в химически связанном состоянии; однако теоретические расчеты проще, если рассматривать атомы изолированно. Зависимости от среды, зонда и состояния приводят к множеству определений.

В зависимости от определения этот термин может применяться к атомам в конденсированном веществе , ковалентно связанным в молекулах или в ионизированном и возбужденном состояниях ; и его значение может быть получено посредством экспериментальных измерений или вычислено на основе теоретических моделей. Значение радиуса может зависеть от состояния атома и контекста. ^{[ 1 ]}

Электроны не имеют ни определенных орбит, ни четко определенных пробегов. Скорее, их положения следует описывать как распределения вероятностей , которые постепенно сужаются по мере удаления от ядра, без резкого обрезания; их называют атомными орбиталями или электронными облаками. Более того, в конденсированном состоянии и молекулах электронные облака атомов обычно в некоторой степени перекрываются, и часть электронов может перемещаться по большой области, охватывающей два или более атомов.

Согласно большинству определений радиусы изолированных нейтральных атомов колеблются от 30 до 300 пм ( триллионные доли метра) или от 0,3 до 3 ангстрем . 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. элемента Каждый атом моделируется сферой с радиусом Ван-дер-Ваальса .

Для многих целей атомы можно моделировать как сферы. Это лишь грубое приближение, но оно может дать количественные объяснения и предсказания 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 . ^{[ нужна ссылка ]}

История

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 справедливо при сравнении одного и того же атома в разных кристаллических структурах. ^{[ 4 ]}

Определения

Широко используемые определения атомного радиуса включают:

Радиус Ван-дер-Ваальса : В простейшем определении половина минимального расстояния между ядрами двух атомов элемента, которые иначе не связаны ковалентными или металлическими взаимодействиями. ^{[ 5 ]} Радиус Ван-дер-Ваальса можно определить даже для элементов (таких как металлы), в которых силы Ван-дер-Ваальса преобладают над другими взаимодействиями. Поскольку взаимодействия Ван-дер-Ваальса возникают в результате квантовых флуктуаций поляризации атомов , поляризуемость (которую обычно легче измерить или вычислить) можно использовать для косвенного определения радиуса Ван-дер-Ваальса. ^{[ 6 ]}

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 между ионной связи ними) должно равняться сумме их ионных радиусов. ^{[ 5 ]}
Ковалентный радиус : номинальный радиус атомов элемента при ковалентной связи с другими атомами, определяемый на основе разделения атомных ядер в молекулах. В принципе, расстояние между двумя атомами, связанными друг с другом в молекуле (длина этой ковалентной связи), должно равняться сумме их ковалентных радиусов. ^{[ 5 ]}
Металлический радиус : номинальный радиус атомов элемента при соединении с другими атомами металлическими связями . ^{[ нужна ссылка ]}
Радиус Бора : радиус орбиты электрона с самой низкой энергией, предсказанный моделью Бора (1913). атома ^{[ 7 ]}^{[ 8 ]} Это применимо только к атомам и ионам с одним электроном , таким как водород , однократно ионизированный гелий и позитроний . Хотя сама модель сейчас устарела, радиус Бора для атома водорода по-прежнему считается важной физической константой, поскольку он эквивалентен квантово-механическому наиболее вероятному расстоянию электрона от ядра.

Эмпирически измеренный атомный радиус

В следующей таблице показаны эмпирически измеренные ковалентные радиусы элементов, опубликованные Дж. К. Слейтером в 1964 году. ^{[ 9 ]} Значения указаны в пикометрах (пм или 1×10 ⁻¹² м) с точностью около 17:00. Оттенок поля 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
(ряд)

1

ЧАС
25

Он

2

Что
145

Быть
105

Б
85

С
70

Н
65

ТО
60

Ф
50

Ne

3

Уже
180

мг
150

Ал
125

И
110

П
100

С
100

кл.
100

С

4

К
220

Что
180

наук
160

Из
140

V
135

Кр
140

Мин.
140

Фе
140

Ко
135

В
135

С
135

Зн
135

Здесь
130

Ге
125

Как
115

Се
115

Бр
115

НОК

5

руб.
235

старший
200

И
180

Зр
155

Нб
145

Мо
145

Тс
135

Ру
130

резус
135

ПД
140

В
160

компакт-диск
155

В
155

Сн
145

Сб
145

Te
140

я
140

Машина

6

Cs
260

Нет
215

*

Лу
175

хф
155

Облицовка
145

В
135

Ре
135

Ты
130

И
135

Пт
135

В
135

ртуть
150

Тл
190

Pb
180

С
160

Po
190

В

Рн

7

Пт

Солнце
215

**

лр

РФ

ДБ

Сг

Бх

Хс

гора

Дс

Рг

Сп

Нх

В

Мак

Лев

Ц

И

*

La
195

Этот
185

Пр
185

Нд
185

вечера
185

см
185

Евросоюз
185

Б-г
180

Тб
175

Те
175

К
175

Является
175

Тм
175

Ыб
175

**

И
195

че
180

Хорошо
180

В
175

Например
175

Мог
175

Являюсь
175

См

Бк

См.

Является

Фм

Мэриленд

Нет

Объяснение общих тенденций

Изменение атомного радиуса с увеличением атомного номера можно объяснить расположением электронов в оболочках фиксированной емкости. Оболочки обычно заполняются в порядке возрастания радиуса, поскольку отрицательно заряженные электроны притягиваются положительно заряженными протонами ядра. По мере увеличения атомного номера в каждой строке таблицы Менделеева дополнительные электроны переходят в ту же самую внешнюю оболочку; радиус которого постепенно сокращается из-за увеличения заряда ядра. У благородного газа внешняя оболочка полностью заполнена; следовательно, дополнительный электрон следующего щелочного металла перейдет в следующую внешнюю оболочку, что приводит к внезапному увеличению атомного радиуса.

Увеличение заряда ядра частично уравновешивается увеличением числа электронов — явление, известное как экранирование ; что объясняет, почему размер атомов обычно увеличивается с каждым столбцом. Однако есть одно заметное исключение, известное как сокращение лантаноидов : блок 5d-элементов намного меньше, чем можно было бы ожидать, из-за слабого экранирования 4f-электронов.

По сути, атомный радиус уменьшается по периодам из-за увеличения числа протонов. Следовательно, между протонами и электронами существует большее притяжение, поскольку противоположные заряды притягиваются, и большее количество протонов создает более сильный заряд. Большее притяжение приближает электроны к протонам, уменьшая размер частицы. Следовательно, атомный радиус уменьшается. Вниз по группам атомный радиус увеличивается. Это связано с тем, что существует больше энергетических уровней и, следовательно, большее расстояние между протонами и электронами. Кроме того, экранирование электронов приводит к уменьшению притяжения, поэтому оставшиеся электроны могут уйти дальше от положительно заряженного ядра. Следовательно, размер или атомный радиус увеличивается.

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

фактор	принцип	увеличиться с...	склонны к	влияние на радиус
электронные оболочки	квантовая механика	главное и азимутальное квантовые числа	увеличивайте вниз каждый столбец	увеличивает атомный радиус
ядерный заряд	сила притяжения, действующая на электроны со стороны протонов в ядре	атомный номер	увеличение по каждому периоду (слева направо)	уменьшает атомный радиус
экранирование	сила отталкивания, действующая на электроны внешней оболочки внутренними электронами	количество электронов во внутренних оболочках	уменьшить эффект ядерного заряда	увеличивает атомный радиус

Лантанидное сокращение

Электроны в подоболочке 4f , которая постепенно заполняется от лантана ( Z = 57) до иттербия ( Z = 70), не особенно эффективно экранируют растущий ядерный заряд от дальнейших подоболочек. Элементы, следующие сразу за лантанидами, имеют атомные радиусы, которые меньше, чем можно было бы ожидать, и почти идентичны атомным радиусам элементов, находящихся непосредственно над ними. ^{[ 10 ]} Следовательно, лютеций на самом деле немного меньше иттрия , гафний имеет практически тот же атомный радиус (и химический состав), что и цирконий , а тантал имеет атомный радиус, аналогичный ниобию , и так далее. Эффект сжатия лантаноидов заметен вплоть до платины ( Z = 78), после чего он маскируется релятивистским эффектом, известным как эффект инертной пары . ^{[ нужна ссылка ]}

Из-за сокращения лантаноидов можно сделать 5 следующих наблюдений:

Размер Ln ³⁺ ионов регулярно уменьшается с ростом атомного номера. По правилам Фаянса уменьшение размера Ln ³⁺ ионы увеличивают ковалентный характер и уменьшают основной характер между Ln ³⁺ и ох ⁻ ионы в Ln(OH) ₃ , до такой степени, что Yb(OH) ₃ и Lu(OH) ₃ с трудом растворяются в горячем концентрированном NaOH. Отсюда порядок размера Ln ³⁺ дано:
³⁺ > Что ³⁺ > ..., ... > Читать ³⁺.
Происходит закономерное уменьшение их ионных радиусов.
С увеличением атомного номера наблюдается закономерное снижение их склонности к действию восстановителя.
Второй и третий ряды переходных элементов d-блока достаточно близки по свойствам.
Следовательно, эти элементы встречаются в природных минералах вместе и их трудно разделить.

сокращение d-блока

Сокращение d-блока менее выражено, чем сокращение лантаноидов, но возникает по той же причине. В данном 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). ^{[ 10 ]}

Расчетный атомный радиус

В следующей таблице показаны атомные радиусы, рассчитанные на основе теоретических моделей, опубликованных Энрико Клементи и другими в 1967 году. ^{[ 11 ]} Значения указаны в пикометрах (мкм).

Группа
(столбец)

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11