Относителен размер на атомите на химичните елементи

Размерът е важна характеристика на атомите, които изграждат различните елементи, присъстващи в периодичната таблица. Това ни позволява да разберем много от техните характеристики, като например склонността на водорода и хелия да избягат от контейнерите, които ги съдържат, или неспособността на определени йони да преминат през някои йонни канали в клетъчната стена.

Въпреки това, когато си представим атом като състоящ се от много плътно и малко ядро, заобиколено от облак от още по-малки електрони, движещи се около него, е трудно да разберем какво означава „размер“ в случая на атом. Това е така, защото атомите са направени почти изцяло от празно пространство и ние сме свикнали да разбираме размера като нещо, свързано с твърди тела, които можем да видим и манипулираме с ръцете си.

С оглед на горното, за да обясним относителния размер на атомите на химичните елементи, трябва да започнем с дефинирането на споменатия размер от химическа гледна точка.

Няколко начина да видите размера на атомите

Определянето на размера на нещо започва от познаването на формата и размерите му. В случая на атомите обикновено приемаме, че те имат формата на сфера, въпреки че това не е абсолютно вярно. Въпреки това е практично да се приеме така.

Разглеждайки ги като сфери, размерът на атомите се определя от техния радиус или диаметър. Когато мислим за радиуса на атом, първото нещо, което идва на ум, е разстоянието между центъра на атома или неговото ядро ​​и външния ръб на неговия електронен облак. Проблемът е, че електронният облак няма остър ръб (точно както облаците нямат остра външна повърхност).

Това означава, че определянето на радиуса е сложно и донякъде двусмислено. В допълнение, това също означава, че измерването на радиуса на отделен атом е практически невъзможно. И така, някои начини са разработени за определяне или оценка на радиусите на атомите въз основа на експериментални данни.

Има три основни начина за изразяване на размера на атомите:

• Атомният радиус или металният радиус.
• Ковалентният радиус .
• Йонният радиус.

Трите концепции са различни една от друга и се прилагат в различни случаи. Поради тази причина не винаги е възможно директно да се сравнят размерите на два атома един с друг. Освен това размерът се променя в зависимост от това дали е неутрален атом или йон. В последния случай размерът също варира в зависимост от стойността и знака на електрическия заряд.

Атомен радиус или метален радиус

Най-простата концепция за разбиране е тази за атомния радиус. Атомният радиус на даден елемент се определя като половината от средното разстояние между два съседни атома в кристал на чистия елемент. Това разстояние може лесно да се определи с помощта на рентгенова дифракционна техника.

Концепцията за атомен радиус се прилага главно за метали, които са единствените елементи, които образуват кристални структури, в които всеки атом на неутралния метал е точно същият като този до него. Неметалите, от друга страна, обикновено не образуват същия тип твърди вещества. Поради тази причина атомният радиус често се нарича метален радиус.

ковалентен радиус

С изключение на благородните газове, повечето неметали в тяхното чисто състояние образуват или дискретни молекули, или твърди вещества с обширни ковалентни мрежови структури. Например, елементарният кислород се състои от двуатомни кислородни молекули (O ₂ ), така че в твърд кислороден кристал ковалентно свързаните кислородни атоми във всяка молекула ще бъдат по-близо един до друг, отколкото един до друг.атоми на съседни молекули.

От друга страна, случаи като въглерода, чийто най-стабилен алотроп е графитът, образуват слоести структури, в които атомите в рамките на един слой са ковалентно свързани един с друг, докато не са свързани с атоми в съседни слоеве.

Това прави определянето на радиуса като функция на разстоянието между две съседни ядра двусмислено. В тези случаи размерът се определя като половината от разстоянието между два идентични атома, ковалентно свързани един с друг. Този радиус се нарича ковалентен радиус и е най-често използваният за определяне на размера на неметалните атоми .

От друга страна, ковалентният радиус е концепция, която има по-голяма приложимост от металния радиус, тъй като ни позволява да присвоим радиус на атомите, които са част от молекула или ковалентно съединение. Освен това, като знаем ковалентния радиус на един атом, можем да оценим ковалентния радиус на друг чрез измерване на дължината на ковалентна връзка, образувана между двата.

Обикновено ковалентният радиус на атома е малко по-малък от съответния му метален радиус.

йонен радиус

Двете мерки за атомен размер, споменати в предишните раздели, могат да се прилагат само към неутрални атоми или към атоми, които са част от ковалентни молекули. Въпреки това, много елементи , които имат значително различна електроотрицателност, се комбинират, за да образуват йонни съединения, в които те получават или губят електрони, като по този начин стават съответно аниони или катиони.

В тези случаи можем да установим относителния размер на атомите, като сравним размерите на техните йони, тоест техния йонен радиус.

Когато имаме два различни йона, свързани заедно и знаем разстоянието, което ги разделя, приемаме, че това разстояние ще бъде сумата от двата йонни радиуса. Но как можем да разберем каква част от това разстояние съответства на един или друг йон? Очевидно е, че за да определим радиуса на единия от двата йона, се нуждаем от стойността на радиуса на другия. Това означава, че трябва само да определим радиуса на всеки катион и всеки анион.

Тогава можем да използваме радиуса на катиона, за да определим радиуса на всеки друг анион, който искаме, докато можем да използваме радиуса на аниона, за да определим радиуса на всеки друг катион.

Това беше постигнато за първи път от кристалографски данни за литиев йодид, йонно съединение, съставено от много малък катион и много голям анион.

В това съединение кристалната структура се формира от мрежа от йодидни йони (I ^– ), в която всеки анион е в пряк контакт с шест други йодида, докато литиевите йони (Li ⁺ ) са разположени в образуваните кухини. йодиди, които са в пряк контакт с всички тях. По този начин йонният радиус на йодида може да се определи като половината от разстоянието между две съседни йодни ядра, докато разстоянието между литиевите и йодните ядра дава възможност да се определи йонният радиус на лития чрез изваждане на този на йодида.

Периодичен тренд на атомния радиус

Както бе споменато в началото, атомният размер е периодично свойство на материята. Това означава, че варира по предвидим начин за период и за група.

През периода както атомният радиус, така и ковалентният радиус намаляват отляво надясно. Същото се случва и с йонните радиуси на йони, които имат еднакъв електрически заряд. Причината за това поведение е ефективният ядрен заряд, който се увеличава с увеличаване на атомния номер.

От друга страна, докато преминавате от един период към друг в рамките на група (т.е. придвижвате се надолу по дължината на група), ефективният ядрен заряд също се увеличава, но най-външните електрони (т.е. валентните електрони) се намират в електрон черупки с нарастващи енергийни нива. Това означава, че валентните обвивки са все по-далеч от ядрото, така че радиусът на атома също се увеличава.

Промяна на йонния радиус в зависимост от заряда

В допълнение към периодичното изменение на атомните, ковалентните и йонните радиуси, йонните радиуси също са силно зависими от електрическия заряд. Всеки допълнителен електрон, който се въвежда в атом, за да го превърне в анион и да увеличи неговия отрицателен заряд, увеличава електростатичното отблъскване между електроните във валентната обвивка, което кара електронния облак да се разширява и увеличава йонния радиус.

Обратното се случва с катионите. Всеки електрон, който е отстранен от атома, за да го превърне в катион и да увеличи положителния заряд, намалява отблъскването между електроните, увеличава ефективния ядрен заряд и следователно електроните се привличат по-силно към ядрото. Ефектът е намаляване на йонния радиус с увеличаване на положителния заряд.

Пример

Ако сравним радиусите на различните йони, които хлорът може да образува, редът на йонните радиуси ще бъде:

Cl ⁷⁺ < Cl ⁵⁺ < Cl ³⁺ < Cl ⁺ < Cl < Cl ^–

Препратки

Bodner Research Web. (nd). Размер на атомите . https://chemed.chem.purdue.edu/genchem/topicreview/bp/ch7/index.php

физика и химия. (2019, 15 юни). Размери на атоми и йони . Физика и химия. https://lafisicayquimica.com/7-3-tamanos-de-atomos-e-iones/

Сократов. (2016, 3 януари). Как се измерва атомният размер? Socratic.org. https://socratic.org/questions/how-is-atomic-size-measured

Studynlearn. (2014, 14 юни). AtomicSize . Youtube. https://www.youtube.com/watch?v=HBIUnpU_vJA

Tome, C. (2020 г., 4 февруари). Защо атомите са с такъв размер? Тетрадка по научна култура. https://culturacientifica.com/2020/02/04/por-que-los-atomos-tienen-el-tamano-que-tienen/