Atomradius

Radius af et atom  er afstanden mellem atomkernen og den fjerneste af de stabile kredsløb af elektroner i dette atoms elektronskal. Da atomer ifølge kvantemekanikken ikke har klare grænser, og sandsynligheden for at finde en elektron forbundet med kernen i et givet atom i en vis afstand fra denne kerne aftager hurtigt med stigende afstand, tilskrives en vis vis radius atom, idet man tror, ​​at det overvældende flertal er indesluttet i en kugle med denne radius, en del af elektrontætheden (ca. 90 procent). Der er forskellige definitioner af atomradius , de tre mest anvendte er van der Waals radius , ionradius og kovalent radius .

Afhængigt af definitionen kan udtrykket "radius af et atom" enten kun gælde for isolerede atomer eller også for atomer i kondenseret stof , kovalent bundet i molekyler eller i ioniserede og exciterede tilstande; dens værdi kan opnås fra eksperimentelle målinger eller beregnes ud fra teoretiske modeller. Værdien af ​​radius kan afhænge af atomets og miljøets tilstand [1] .

Elektroner har ikke veldefinerede baner eller grænser. Deres positioner kan snarere beskrives som sandsynlighedsfordelinger , der gradvist indsnævres efterhånden som de bevæger sig væk fra kernen uden en kraftig reduktion. Derudover overlapper elektronskyer af atomer i kondenseret stof og molekyler normalt til en vis grad, og nogle af elektronerne kan bevæge sig i et område, der spænder over to eller flere atomer ("tilhører" flere atomer på samme tid).

Ifølge de fleste definitioner varierer radierne af isolerede neutrale atomer fra 30 til 300 pm (eller 0,3 til 3 ångstrøm ), mens radierne af atomkerner varierer fra 0,83 til 10 fm [2] . Derfor er radius af et typisk atom omkring 30.000 gange større end radius af dets kerne.

I mange tilfælde kan formen af ​​et atom tilnærmes af en kugle . Dette er kun en grov tilnærmelse, men det kan give kvantitative repræsentationer og fungere som en grundlæggende model til at beskrive mange fænomener, såsom tætheden af ​​væsker og faste stoffer, diffusion af væsker gennem molekylsigter , arrangementet af atomer og ioner i krystaller , og størrelsen og formen af ​​molekyler. .

Atomernes radier ændrer sig ved at adlyde visse mønstre i det periodiske system af kemiske elementer . For eksempel falder atomradius generelt, når du bevæger dig fra venstre mod højre langs hver periode (række) i tabellen, fra alkalimetaller til ædelgasser, og stiger, når du bevæger dig fra top til bund i hver gruppe (søjle). Atomradiuserne øges kraftigt i overgangen mellem en ædelgas i slutningen af ​​hver periode og et alkalimetal i begyndelsen af ​​den næste periode. Disse tendenser i atomare radier (sammen med andre kemiske og fysiske egenskaber af grundstofferne) kan forklares i form af atomare elektronskalteori og giver også bevis for bekræftelsen af ​​kvanteteori . Atomernes radier falder i det periodiske system, fordi når atomnummeret stiger, stiger antallet af protoner i atomet, og yderligere elektroner føjes til den samme kvanteskal. Derfor øges den effektive ladning af atomkernen i forhold til de ydre elektroner, hvilket tiltrækker de ydre elektroner. Som et resultat trækker elektronskyen sig sammen, og atomradius falder.

Historie

I 1920, kort efter det blev muligt at bestemme størrelsen af ​​atomer ved hjælp af røntgendiffraktionsanalyse , blev det foreslået, at alle atomer af det samme grundstof har samme radius [3] . Men i 1923, da der blev opnået flere data om krystaller, fandt man ud af, at tilnærmelsen af ​​et atom ved en kugle ikke altid er korrekt, når man sammenligner atomer af det samme grundstof i forskellige krystalstrukturer [4] .

Definitioner

Udbredte definitioner for radius af et atom omfatter:

• Van der Waals radius, Van der Waals radius [5]  - denne værdi svarer til halvdelen af ​​den interne nukleære afstand mellem de nærmeste atomer af samme navn, som ikke er kemisk bundet og tilhører forskellige molekyler (for eksempel i molekylære krystaller ). [6] .
• Ionisk radius : Den nominelle radius af ionerne af et grundstof i en bestemt ioniseringstilstand, afledt af afstanden mellem atomkernerne i de krystallinske salte, der omfatter disse ioner. I princippet skal afstanden mellem to naboladede modsat ladede ioner ( længden af ​​ionbindingen mellem dem) være lig med summen af ​​deres ioniske radier [6] .
• Kovalent radius : Den nominelle radius af et grundstofs atomer, når de er kovalent bundet til andre atomer, afledt af afstanden mellem atomkerner i molekyler. I princippet skal afstanden mellem to atomer, der er bundet til hinanden i et molekyle (længden af ​​denne kovalente binding) være lig med summen af ​​deres kovalente radier [6] .
• Metallisk radius : Den nominelle radius af et grundstofs atomer, når de er forbundet med andre atomer ved hjælp af metalliske bindinger .
• Bohr radius : radius af kredsløbet for den laveste energielektron forudsagt af Bohr-modellen af ​​atomet (1913) [7] [8] . Det gælder kun for atomer og ioner med én elektron, såsom brint , enkelt ioniseret helium og positronium . Selvom selve modellen nu er forældet, betragtes Bohr-radius for brintatomet som en af ​​de grundlæggende fysiske konstanter.

Måling af radius af et atom empirisk

Tabellen viser de eksperimentelt målte kovalente radier for grundstoffer udgivet af den amerikanske kemiker D. Slater i 1964 [9] . Værdier er angivet i picometre (pm eller 1 × 10-12 m) med en nøjagtighed på omkring 5 pm. Cellefarvetoner varierer fra rød til gul, efterhånden som radius øges; grå farve - ingen data.

Forklaring af generelle tendenser

Ændringen i radius af et atom med en stigning i ladningstallet kan forklares ved arrangementet af elektroner i skaller med en konstant kapacitet. Skallerne fyldes normalt i rækkefølge efter stigende radius, da de negativt ladede elektroner tiltrækkes af de positivt ladede protoner i atomkernen. Når ladningstallet stiger langs hver række i det periodiske system, kommer yderligere elektroner ind i den samme ydre skal, og dens radius krymper gradvist på grund af stigningen i nuklear ladning. I sjældne gasatomer er den ydre skal fuldstændig fyldt; derfor vil den ekstra elektron fra det næste grundstof, alkalimetallet, gå ind i den næste ydre skal, hvilket forklarer den pludselige stigning i atomradius.

Den stigende nukleare ladning er delvist afbalanceret af en stigning i antallet af elektroner, et fænomen kendt som screening ; det forklarer, hvorfor størrelsen af ​​atomer generelt stiger i hver kolonne i det periodiske system. Der er en vigtig undtagelse fra dette mønster, kendt som lanthanidkontraktion : mindre end forventet værdier af ionradius af de kemiske grundstoffer inkluderet i lanthanidgruppen (atomnummer 58-71), som opstår på grund af utilstrækkelig screening af kernekraften ladning af elektroner i 4f orbitalen.

I det væsentlige falder atomradius over perioder på grund af stigningen i antallet af protoner i kernen. Følgelig skaber flere protoner en stærkere ladning og tiltrækker elektroner kraftigere, hvilket reducerer størrelsen af ​​atomets radius. Når du bevæger dig ned i søjlerne (grupperne) i det periodiske system, øges atomradius, fordi der er flere energiniveauer og derfor større afstand mellem protoner og elektroner. Derudover svækker elektronafskærmning tiltrækningen af ​​protoner, så de resterende elektroner kan bevæge sig væk fra den positivt ladede kerne. Således øges størrelsen (radius af atomet).

Følgende tabel viser de vigtigste faktorer, der påvirker radius af et atom:

Lanthanidkontraktion

I de kemiske grundstoffer i lanthanidgruppen er elektroner i 4f- underskallen , som gradvist fyldes fra cerium (Z = 58) til lutetium (Z = 71), ikke særligt effektive til at afskærme den stigende kerneladning. Grundstofferne umiddelbart efter lanthaniderne har atomradier, der er mindre, end man kunne forvente, og som er næsten identiske med grundstoffernes direkte over dem [10] . Derfor har hafnium i det væsentlige den samme atomradius (og kemiske egenskaber) som zirconium , mens tantal har en atomradius som niobium og så videre. Effekten af ​​lanthanidkompression er mærkbar op til platin (Z = 78), hvorefter den udjævnes af en relativistisk effekt kendt som den inerte pareffekt .

Lanthanidkompression har følgende 5 effekter:

1. Størrelsen af ​​Ln3 + ioner aftager regelmæssigt med atomnummer. Ifølge Fajans regler øges den kovalente binding , hvis størrelsen af ​​Ln 3+ ionerne formindskes, og hovedbindingen mellem Ln 3+ og OH − ionerne i Ln(OH) 3 i en sådan grad, at Yb(OH ) ) 3 og Lu(OH) 3 vanskelige at opløse i varm koncentreret NaOH. Derfor størrelsesrækkefølgen af ​​Ln 3+ ionerne :
   La 3+ > Ce 3+ > …, … > Lu 3+ .
2. Et regelmæssigt fald i ioniske radier observeres.
3. Der er et regelmæssigt fald i ioners evne til at fungere som et reduktionsmiddel med stigende atomnummer.
4. Den anden og tredje række af overgangselementer i d-blokken er ret ens i egenskaber.
5. Disse elementer forekommer sammen i naturlige mineraler og er svære at adskille.

d-komprimering

d-compression er mindre udtalt end lanthanoid kontraktion, men opstår af samme årsag. I dette tilfælde påvirker 3d-elektroners dårlige afskærmningsevne de atomare radier og kemiske egenskaber af grundstofferne umiddelbart efter den første række af overgangsmetaller , fra gallium (Z = 30) til brom (Z = 35) [10] .

Beregnet atomradius

Tabellen viser værdierne af atomernes radier, beregnet efter teoretiske modeller, udgivet af den italienske kemiker Enrico Clementi og andre i 1967 [11] . Værdier er angivet i picometre (pm).

Se også

• Bohr radius
• kovalent radius
• Van der Waals radius
• Ionisk radius
• kemisk binding

Noter

1. ↑ Cotton, F.A.; Wilkinson, G. Avanceret uorganisk kemi (ubestemt) . — 5. - Wiley , 1988. - S.  1385 . - ISBN 978-0-471-84997-1 .  
2. ↑ Basdevant, J.-L.; Rich, J.; Spiro, M. Fundamentals in Nuclear Physics (uspecificeret) . - Springer , 2005. - S. 13, fig. 1.1. - ISBN 978-0-387-01672-6 .  
3. ↑ Bragg, WL Arrangementet af atomer i krystaller // Philosophical Magazine  : journal  . - 1920. - Bd. 6 , nr. 236 . - S. 169-189 . - doi : 10.1080/14786440808636111 .  
4. ↑ Wyckoff, RWG On the Hypothesis of Constant Atomic Radii   // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America  : tidsskrift. - 1923. - Bd. 9 , nr. 2 . - S. 33-38 . - doi : 10.1073/pnas.9.2.33 . — . — PMID 16576657 .
5. ↑ Denne stavemåde er givet af den russiske staveordbog: omkring 200.000 ord / Russian Academy of Sciences. Institut for russisk sprog V. V. Vinogradova / Ed. V.V. Lopatina, O.E. Ivanova. - Ed. 4., rev. og yderligere — M.: AST-PRESS KNIGA, 2013. — 896 s. — (Grundlæggende ordbøger over det russiske sprog). - Med. 68. - ISBN 978-5-462-01272-3 ".
6. ↑ 1 2 3 L.; Pauling. Arten af ​​den kemiske  binding (neopr.) . — 2. — Cornell University Press , 1945.
7. ↑ Bohr, N. On the Constitution of Atoms and Molecules, Part I. - Binding of Electrons by Positive Nuclei // Philosophical Magazine  : journal  . - 1913. - Bd. 26 , nr. 151 . - S. 1-24 . - doi : 10.1080/14786441308634955 .  
8. ↑ Bohr, N. On the Constitution of Atoms and Molecules, Part II. – Systems containing only a Single Nucleus (engelsk)  // Philosophical Magazine  : journal. - 1913. - Bd. 26 , nr. 153 . - S. 476-502 . - doi : 10.1080/14786441308634993 .  
9. ↑ Slater, JC Atomic Radii in Crystals  //  Journal of Chemical Physics  : tidsskrift. - 1964. - Bd. 41 , nr. 10 . - S. 3199-3205 . - doi : 10.1063/1.1725697 . - .
10. ↑ 12 W.L .; Jolly. Moderne uorganisk kemi  (ubestemt) . — 2. - McGraw-Hill Education , 1991. - S. 22. - ISBN 978-0-07-112651-9 .
11. ↑ Clementi, E.; Raymond, D.L.; Reinhardt, WP Atomiske screeningskonstanter fra SCF-funktioner. II. Atomer med 37 til 86 elektroner  (engelsk)  // Journal of Chemical Physics  : tidsskrift. - 1967. - Bd. 47 , nr. 4 . - S. 1300-1307 . - doi : 10.1063/1.1712084 . - .

Litteratur

• Rabinovich V.A., Khavin Z.Ya. Kort kemisk opslagsbog. Ed. 2. rev. og yderligere - L .: Kemi, 1978. - 392 s.