Poloměr atomu

Poloměr atomu  je vzdálenost mezi atomovým jádrem a nejvzdálenější ze stabilních drah elektronů v elektronovém obalu tohoto atomu. Vzhledem k tomu , že podle kvantové mechaniky atomy nemají jasné hranice a pravděpodobnost nalezení elektronu spojeného s jádrem daného atomu v určité vzdálenosti od tohoto jádra se s rostoucí vzdáleností rychle snižuje, přisuzuje se určitý určitý poloměr atom, věří, že drtivá většina je uzavřena v kouli o tomto poloměru části elektronové hustoty (asi 90 procent). Existují různé definice atomového poloměru , tři nejpoužívanější jsou van der Waalsův poloměr , iontový poloměr a kovalentní poloměr .

V závislosti na definici se termín "poloměr atomu" může vztahovat buď pouze na izolované atomy, nebo také na atomy v kondenzované hmotě , kovalentně vázané v molekulách nebo v ionizovaných a excitovaných stavech; jeho hodnotu lze získat z experimentálních měření nebo vypočítat z teoretických modelů. Hodnota poloměru může záviset na stavu atomu a prostředí [1] .

Elektrony nemají přesně definované orbity nebo hranice. Jejich pozice lze spíše popsat jako rozdělení pravděpodobnosti , která se postupně zužují, jak se vzdalují od jádra bez prudké redukce. Navíc v kondenzované hmotě a molekulách se elektronová mračna atomů obvykle do určité míry překrývají a některé z elektronů se mohou pohybovat v oblasti zahrnující dva nebo více atomů ("patří" více atomům současně).

Podle většiny definic se poloměry izolovaných neutrálních atomů pohybují od 30 do 300 pm (nebo 0,3 až 3 angstromy ), zatímco poloměry atomových jader se pohybují od 0,83 do 10 fm [2] . Proto je poloměr typického atomu asi 30 000krát větší než poloměr jeho jádra.

V mnoha případech může být tvar atomu aproximován koulí . Toto je pouze hrubá aproximace, ale může poskytnout kvantitativní reprezentace a fungovat jako základní model pro popis mnoha jevů, jako je hustota kapalin a pevných látek, difúze kapalin přes molekulární síta , uspořádání atomů a iontů v krystalech , a velikost a tvar molekul.

Poloměry atomů se mění podle určitých vzorů periodické tabulky chemických prvků . Například atomové poloměry se obecně zmenšují, když se pohybujete zleva doprava podél každé periody (řádku) tabulky, od alkalických kovů po vzácné plyny, a zvětšují se, když se v každé skupině (sloupci) pohybujete shora dolů . Atomové poloměry se prudce zvyšují při přechodu mezi vzácným plynem na konci každé periody a alkalickým kovem na začátku další periody. Tyto trendy v atomových poloměrech (spolu s dalšími chemickými a fyzikálními vlastnostmi prvků) lze vysvětlit pomocí teorie atomového elektronového obalu a také poskytnout důkaz pro potvrzení kvantové teorie . Poloměry atomů se v periodické tabulce zmenšují, protože s rostoucím atomovým číslem se zvyšuje počet protonů v atomu a do stejného kvantového obalu se přidávají další elektrony. Proto se efektivní náboj atomového jádra vzhledem k vnějším elektronům zvyšuje a přitahuje vnější elektrony. V důsledku toho se elektronový oblak smršťuje a atomový poloměr se zmenšuje.

Historie

V roce 1920, krátce poté, co bylo možné určit velikost atomů pomocí rentgenové difrakční analýzy , bylo navrženo, že všechny atomy stejného prvku mají stejné poloměry [3] . V roce 1923, kdy byly získány další údaje o krystalech, se však zjistilo, že aproximace atomu koulí není vždy správná při porovnávání atomů stejného prvku v různých krystalových strukturách [4] .

Definice

Mezi široce používané definice poloměru atomu patří:

Měření poloměru atomu empiricky

Tabulka ukazuje experimentálně naměřené kovalentní poloměry pro prvky publikované americkým chemikem D. Slaterem v roce 1964 [9] . Hodnoty jsou udávány v pikometrech (pm nebo 1 × 10-12 m) s přesností asi na 17 hodin. Barevné odstíny buněk se mění od červené po žlutou, jak se poloměr zvětšuje; šedá barva - žádná data.

Skupiny
(sloupce)
jeden 2 3 čtyři 5 6 7 osm 9 deset jedenáct 12 13 čtrnáct patnáct 16 17 osmnáct
Období
(řádky)
jeden H25
_
On
 31
2 Li
145
být
105
B85
_
C70
_
č.
65
Asi
60
F
50
Ne
 38
3 Na
180
Mg
150
Al
125
Si
110
P
100
S
100
Cl
100
Ar
 71
čtyři K
220
Cca
180
Sc
160
Ti
140
V
135

140 kr
Mn
140
Fe
140
Co
135
Ni
135
Cu
135
Zn
135
Ga
130
Ge
125
AS
115
Se
115
Br115
_
kr
 
5
235 Rb

200 Sr
Y
180
Zr
155
Nb
145
Po
145
Tc
135
Ru
130
Rh
135
Pd
140
Ag
160
CD
155
Ve
155
sn
145
Sb
145
Te
140

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
V
 
Rn
 
7 Fr
 
Ra
215
**
 
RF
 
Db
 
Sg
 
bh
 
hs
 
Mt
 
Ds
 
Rg
 
Cn
 
Nh
 
fl
 
Mc
 
Lv
 
Ts
 
Og
 
Lanthanoidy *
 
La
195
Ce
185
Pr
185
Nd
185
185
hodin

185 Sm
185
EUR
Gd
180
Tb
175
Dy
175
Ahoj
175
Er
175
Tm
175
Yb
175
Lu
175
aktinidy **
 
AC
195
Čt
180
Pa
180
U
175
Np
175
Pu
175
Je mi
175
cm
 
bk
 
srov
 
Es
 
fm
 
md
 
Ne
 
lr
 

Vysvětlení obecných trendů

Změnu poloměru atomu se zvýšením nábojového čísla lze vysvětlit uspořádáním elektronů v obalech s konstantní kapacitou. Skořápky jsou obvykle vyplněny v pořadí rostoucího poloměru, protože záporně nabité elektrony jsou přitahovány kladně nabitými protony atomového jádra. Jak se číslo náboje zvyšuje podél každého řádku periodické tabulky, další elektrony vstupují do stejného vnějšího obalu a jeho poloměr se postupně zmenšuje kvůli nárůstu jaderného náboje. U atomů vzácných plynů je vnější obal zcela vyplněn; proto přebytečný elektron dalšího prvku, alkalického kovu, půjde do dalšího vnějšího obalu, což vysvětluje náhlý nárůst atomového poloměru.

Rostoucí jaderný náboj je částečně vyvážen nárůstem počtu elektronů, fenoménem známým jako screening ; vysvětluje, proč se velikost atomů obecně zvyšuje v každém sloupci periodické tabulky. Z tohoto vzoru existuje důležitá výjimka, známá jako kontrakce lanthanoidů : menší než očekávané hodnoty iontových poloměrů chemických prvků zařazených do skupiny lanthanoidů (atomové číslo 58-71), ke kterým dochází v důsledku nedostatečného screeningu jader náboje elektrony orbitalu 4f .

V podstatě se atomový poloměr v průběhu period zmenšuje kvůli nárůstu počtu protonů v jádře. V souladu s tím více protonů vytváří silnější náboj a přitahuje elektrony silněji, čímž se zmenšuje velikost poloměru atomu. Jak se pohybujete po sloupcích (skupinách) periodické tabulky dolů, atomový poloměr se zvětšuje, protože existuje více energetických hladin a tudíž větší vzdálenost mezi protony a elektrony. Navíc elektronové stínění oslabuje přitažlivost protonů, takže zbývající elektrony se mohou od kladně nabitého jádra vzdálit. Tím se zvětšuje velikost (poloměr atomu).

V následující tabulce jsou uvedeny hlavní faktory, které ovlivňují poloměr atomu:

Faktor Zákon Zvyšující se od... obvykle Vliv na poloměr atomu
Elektronické mušle Kvantová mechanika Hlavní a azimutální kvantové číslo Zvětšuje poloměr atomu Vzestupně shora dolů v každém sloupci
atomový náboj Přitahování elektronů protony jádra atomu číslo poplatku Zkracuje poloměr atomu Klesá v průběhu období
Stínění Odpuzování vnějších elektronů vnitřními elektrony Počet elektronů ve vnitřních obalech Zvětšuje poloměr atomu Snižuje účinek druhého faktoru

Kontrakce lanthanoidů

V chemických prvcích skupiny lanthanoidů nejsou elektrony v podslupce 4f , které se postupně zaplňují z ceru (Z = 58) do lutecia (Z = 71), zvláště účinné při stínění rostoucího jaderného náboje. Prvky bezprostředně následující za lanthanoidy mají poloměry atomů, které jsou menší, než by se dalo očekávat, a které jsou téměř totožné s poloměry prvků přímo nad nimi [10] . Proto má hafnium v ​​podstatě stejný atomový poloměr (a chemické vlastnosti) jako zirkonium , zatímco tantal má atomový poloměr jako niob a tak dále. Účinek komprese lanthanoidů je patrný až do platiny (Z = 78), poté je vyrovnán relativistickým efektem známým jako inertní párový efekt .

Lanthanoidová komprese má následujících 5 účinků:

  1. Velikost iontů Ln3 + pravidelně klesá s atomovým číslem. Podle Fajansových pravidel zmenšení velikosti iontů Ln 3+ zvyšuje kovalentní vazbu a snižuje hlavní vazbu mezi ionty Ln 3+ a OH − v Ln(OH) 3 do takové míry, že Yb(OH ) 3 a Lu(OH) 3 obtížně rozpustné v horkém koncentrovaném NaOH. Z toho vyplývá pořadí velikosti iontů Ln 3+ :
    La 3+ > Ce 3+ > …, … > Lu 3+ .
  2. Je pozorován pravidelný pokles iontových poloměrů.
  3. S rostoucím atomovým číslem dochází k pravidelnému snižování schopnosti iontů působit jako redukční činidlo.
  4. Druhá a třetí řada přechodových prvků d-bloku jsou si svými vlastnostmi dost podobné.
  5. Tyto prvky se v přírodních minerálech vyskytují společně a je obtížné je oddělit.

d-komprese

d-komprese je méně výrazná než kontrakce lanthanoidů, ale vyskytuje se ze stejného důvodu. V tomto případě špatná stínící schopnost 3d elektronů ovlivňuje poloměry atomů a chemické vlastnosti prvků bezprostředně následujících za první řadou přechodných kovů , od galia (Z = 30) po brom (Z = 35) [10] .

Vypočtené atomové poloměry

V tabulce jsou uvedeny hodnoty poloměrů atomů, vypočtené podle teoretických modelů, publikovaných italským chemikem Enrico Clementi a dalšími v roce 1967 [11] . Hodnoty jsou uvedeny v pikometrech (pm).

Skupiny
(sloupce)
jeden 2 3 čtyři 5 6 7 osm 9 deset jedenáct 12 13 čtrnáct patnáct 16 17 osmnáct
Období
(řádky)
jeden H
53
On
31
2 Li
167
být
122
B87
_
C67
_
č.
56
O
48
F
42
Ne
38
3 Na
190
Mg
145
Al
118
Si
111
P98
_
S88
_
Cl
79
Ar
71
čtyři K
243
Cca
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
Br94
_

98 kr
5 Rb
265
Sr
219
Y
212
Zr
206
Nb
198
Po
190
Tc
183
Ru
178
Rh
173
Pd
169
Ag
165
CD
161
V roce
156
sn
145
Sb
133
Te
123

115
Xe
108
6 Čs
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
Na
127

120 Rn
7 Fr
 
Ra
 
**
RF
 
Db
 
Sg
 
bh
 
hs
 
Mt
 
Ds
 
Rg
 
Cn
 
Nh
 
fl
 
Mc
 
Lv
 
Ts
 
Og
 
Lanthanoidy *
La
226
Ce
210
Pr
247
Nd
206
205
hodin

238 Sm
Eu
231
Gd
233
Tb
225
Dy
228
Ahoj
226
Er
226
Tm
222
Yb
222
Lu
217
aktinidy **
AC
 
Th
 
Pa
 
U
 
Np
 
Pu
 
Dopoledne
 
cm
 
bk
 
srov
 
Es
 
fm
 
md
 
Ne
 
lr
 

Viz také

Poznámky

  1. Bavlna, F.A.; Wilkinson, G. Advanced Anorganic Chemistry (neurčitá) . — 5. - Wiley , 1988. - S.  1385 . - ISBN 978-0-471-84997-1 .  
  2. Basdevant, J.-L.; Rich, J.; Spiro, M. Základy jaderné fyziky (nespecifikováno) . - Springer , 2005. - S. 13, obr. 1.1. - ISBN 978-0-387-01672-6 .  
  3. Bragg, WL Uspořádání atomů v krystalech // Philosophical Magazine  : journal  . - 1920. - Sv. 6 , č. 236 . - S. 169-189 . - doi : 10.1080/14786440808636111 .  
  4. Wyckoff, RWG O hypotéze konstantních atomových poloměrů   // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America  : journal. - 1923. - Sv. 9 , č. 2 . - str. 33-38 . - doi : 10.1073/pnas.9.2.33 . . PMID 16576657 .
  5. Tento pravopis uvádí Ruský slovník pravopisu: asi 200 000 slov / Ruská akademie věd. Ústav ruského jazyka V. V. Vinogradova / Ed. V. V. Lopatina, O. E. Ivanova. - Ed. 4., rev. a doplňkové — M.: AST-PRESS KNIGA, 2013. — 896 s. — (Základní slovníky ruského jazyka). - S. 68. - ISBN 978-5-462-01272-3 “.
  6. 1 2 3 L.; Pauling. Povaha chemické vazby  (neopr.) . — 2. Cornell University Press , 1945.
  7. Bohr, N. O konstituci atomů a molekul, část I. - Vazba elektronů pozitivními jádry // Filosofický časopis  : časopis  . - 1913. - Sv. 26 , č. 151 . - str. 1-24 . - doi : 10.1080/14786441308634955 .  
  8. Bohr, N. O stavbě atomů a molekul, část II. – Systémy obsahující pouze jediné jádro (anglicky)  // Philosophical Magazine  : journal. - 1913. - Sv. 26 , č. 153 . - S. 476-502 . - doi : 10.1080/14786441308634993 .  
  9. Slater, JC Atomic Radii in Crystals  //  Journal of Chemical Physics  : journal. - 1964. - Sv. 41 , č. 10 . - S. 3199-3205 . - doi : 10.1063/1.1725697 . - .
  10. 12 W.L .; Rozjařený. Moderní anorganická chemie  (neurčitá) . — 2. - McGraw-Hill Education , 1991. - S. 22. - ISBN 978-0-07-112651-9 .
  11. Clementi, E.; Raymond, D.L.; Reinhardt, WP konstanty atomového screeningu z funkcí SCF. II. Atomy s 37 až 86 elektrony  (anglicky)  // Journal of Chemical Physics  : journal. - 1967. - Sv. 47 , č. 4 . - S. 1300-1307 . - doi : 10.1063/1.1712084 . - .

Literatura