Tabla de Contenidos
Το μέγεθος είναι ένα σημαντικό χαρακτηριστικό των ατόμων που αποτελούν τα διαφορετικά στοιχεία που υπάρχουν στον περιοδικό πίνακα. Μας επιτρέπει να κατανοήσουμε πολλά από τα χαρακτηριστικά τους, όπως την τάση του υδρογόνου και του ηλίου να διαφεύγει από τα δοχεία που τα περιέχουν ή την αδυναμία ορισμένων ιόντων να περάσουν μέσω ορισμένων διαύλων ιόντων στο κυτταρικό τοίχωμα.
Ωστόσο, όταν φανταζόμαστε ένα άτομο σαν να αποτελείται από έναν πολύ πυκνό και μικρό πυρήνα που περιβάλλεται από ένα νέφος ακόμη μικρότερων ηλεκτρονίων που κινούνται γύρω του, είναι δύσκολο να καταλάβουμε τι σημαίνει «μέγεθος» στην περίπτωση ενός ατόμου. Αυτό συμβαίνει επειδή τα άτομα αποτελούνται σχεδόν εξ ολοκλήρου από κενό χώρο και έχουμε συνηθίσει να κατανοούμε το μέγεθος ως κάτι που σχετίζεται με στερεά σώματα που μπορούμε να δούμε και να χειριστούμε με τα χέρια μας.
Λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω, για να εξηγήσουμε το σχετικό μέγεθος των ατόμων των χημικών στοιχείων, πρέπει να ξεκινήσουμε ορίζοντας το εν λόγω μέγεθος από χημική άποψη.
Διάφοροι τρόποι για να δείτε το μέγεθος των ατόμων
Ο καθορισμός του μεγέθους ενός πράγματος ξεκινά από τη γνώση του σχήματός του και των διαστάσεων του. Στην περίπτωση των ατόμων , γενικά υποθέτουμε ότι έχουν το σχήμα σφαίρας, αν και αυτό δεν είναι αυστηρά αληθές. Ωστόσο, είναι πρακτικό να το υποθέσουμε έτσι.
Θεωρώντας τα ως σφαίρες, το μέγεθος των ατόμων καθορίζεται από την ακτίνα ή τη διάμετρό τους. Όταν σκεφτόμαστε την ακτίνα ενός ατόμου, το πρώτο πράγμα που μας έρχεται στο μυαλό είναι η απόσταση μεταξύ του κέντρου του ατόμου ή του πυρήνα του και της εξωτερικής άκρης του νέφους ηλεκτρονίων του. Το πρόβλημα είναι ότι το νέφος ηλεκτρονίων δεν έχει αιχμηρή ακμή (όπως τα σύννεφα δεν έχουν αιχμηρή εξωτερική επιφάνεια).
Αυτό σημαίνει ότι ο καθορισμός της ακτίνας είναι περίπλοκος και κάπως διφορούμενος. Επιπλέον, σημαίνει επίσης ότι η μέτρηση της ακτίνας ενός μεμονωμένου ατόμου είναι πρακτικά αδύνατη. Έτσι, έχουν αναπτυχθεί κάποιοι τρόποι για τον προσδιορισμό ή την εκτίμηση των ακτίνων των ατόμων με βάση πειραματικά δεδομένα.
Υπάρχουν τρεις κύριοι τρόποι έκφρασης του μεγέθους των ατόμων:
- Η ατομική ακτίνα ή μεταλλική ακτίνα.
- Η ομοιοπολική ακτίνα .
- Η ιοντική ακτίνα.
Οι τρεις έννοιες είναι διαφορετικές μεταξύ τους και ισχύουν για διαφορετικές περιπτώσεις. Για το λόγο αυτό, δεν είναι πάντα δυνατή η απευθείας σύγκριση του μεγέθους δύο ατόμων μεταξύ τους. Επιπλέον, το μέγεθος αλλάζει ανάλογα με το αν είναι ουδέτερο άτομο ή ιόν. Στην τελευταία περίπτωση, το μέγεθος ποικίλλει επίσης ανάλογα με την τιμή και το πρόσημο του ηλεκτρικού φορτίου.
Ατομική ακτίνα ή μεταλλική ακτίνα
Η απλούστερη έννοια για κατανόηση είναι αυτή της ατομικής ακτίνας. Η ατομική ακτίνα ενός στοιχείου ορίζεται ως το ήμισυ της μέσης απόστασης μεταξύ δύο γειτονικών ατόμων σε έναν κρύσταλλο του καθαρού στοιχείου. Αυτή η απόσταση μπορεί να προσδιοριστεί εύκολα μέσω τεχνικών περίθλασης ακτίνων Χ.
Η έννοια της ατομικής ακτίνας ισχύει κυρίως για τα μέταλλα, τα οποία είναι τα μόνα στοιχεία που σχηματίζουν κρυσταλλικές δομές στις οποίες κάθε άτομο του ουδέτερου μετάλλου είναι ακριβώς το ίδιο με αυτό που βρίσκεται δίπλα του. Τα αμέταλλα, από την άλλη πλευρά, δεν σχηματίζουν γενικά τον ίδιο τύπο στερεών. Αυτός είναι ο λόγος που η ατομική ακτίνα ονομάζεται συχνά μεταλλική ακτίνα.
ομοιοπολική ακτίνα
Με εξαίρεση τα ευγενή αέρια, τα περισσότερα αμέταλλα στην καθαρή τους κατάσταση σχηματίζουν είτε διακριτά μόρια είτε στερεά με εκτεταμένες δομές ομοιοπολικού δικτύου. Για παράδειγμα, το στοιχειακό οξυγόνο αποτελείται από διατομικά μόρια οξυγόνου (O 2 ), έτσι σε έναν στερεό κρύσταλλο οξυγόνου, τα ομοιοπολικά συνδεδεμένα άτομα οξυγόνου σε κάθε μόριο θα είναι πιο κοντά μεταξύ τους παρά μεταξύ τους άτομα γειτονικών μορίων.
Από την άλλη πλευρά, περιπτώσεις όπως ο άνθρακας, του οποίου το πιο σταθερό αλλοτρόπιο είναι ο γραφίτης, σχηματίζουν στρωματοποιημένες δομές στις οποίες τα άτομα σε ένα στρώμα συνδέονται ομοιοπολικά μεταξύ τους, ενώ δεν συνδέονται με άτομα σε γειτονικά στρώματα.
Αυτό κάνει τον ορισμό της ακτίνας ως συνάρτηση της απόστασης μεταξύ δύο γειτονικών πυρήνων διφορούμενος. Σε αυτές τις περιπτώσεις, το μέγεθος ορίζεται ως το ήμισυ της απόστασης μεταξύ δύο πανομοιότυπων ατόμων που είναι ομοιοπολικά συνδεδεμένα μεταξύ τους. Αυτή η ακτίνα ονομάζεται ομοιοπολική ακτίνα και είναι η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη για τον προσδιορισμό του μεγέθους των ατόμων μη μετάλλου .
Από την άλλη πλευρά, η ομοιοπολική ακτίνα είναι μια έννοια που έχει μεγαλύτερη δυνατότητα εφαρμογής από τη μεταλλική ακτίνα, καθώς μας επιτρέπει να αποδώσουμε μια ακτίνα στα άτομα που αποτελούν μέρος ενός μορίου ή μιας ομοιοπολικής ένωσης. Επιπλέον, γνωρίζοντας την ομοιοπολική ακτίνα ενός ατόμου, μπορούμε να υπολογίσουμε την ομοιοπολική ακτίνα ενός άλλου μετρώντας το μήκος ενός ομοιοπολικού δεσμού που σχηματίζεται μεταξύ των δύο.
Συνήθως, η ομοιοπολική ακτίνα ενός ατόμου είναι ελαφρώς μικρότερη από την αντίστοιχη μεταλλική του ακτίνα.
ιοντική ακτίνα
Τα δύο μέτρα ατομικού μεγέθους που αναφέρονται στις προηγούμενες ενότητες μπορούν να εφαρμοστούν μόνο σε ουδέτερα άτομα ή σε άτομα που αποτελούν μέρος ομοιοπολικών μορίων. Ωστόσο, πολλά στοιχεία που έχουν αξιοσημείωτα διαφορετική ηλεκτραρνητικότητα συνδυάζονται για να σχηματίσουν ιοντικές ενώσεις στις οποίες αποκτούν ή χάνουν ηλεκτρόνια, μετατρέποντας έτσι ανιόντα ή κατιόντα, αντίστοιχα.
Σε αυτές τις περιπτώσεις, μπορούμε να καθορίσουμε το σχετικό μέγεθος των ατόμων συγκρίνοντας τα μεγέθη των ιόντων τους, δηλαδή την ιοντική τους ακτίνα.
Όταν έχουμε δύο διαφορετικά ιόντα συνδεδεμένα μεταξύ τους και γνωρίζουμε την απόσταση που τα χωρίζει, υποθέτουμε ότι αυτή η απόσταση θα είναι το άθροισμα των δύο ιοντικών ακτίνων. Ωστόσο, πώς μπορούμε να γνωρίζουμε ποιο κλάσμα αυτής της απόστασης αντιστοιχεί σε ένα ή άλλο ιόν; Είναι προφανές ότι, για να προσδιορίσουμε την ακτίνα ενός από τα δύο ιόντα, χρειαζόμαστε την τιμή της ακτίνας του άλλου. Αυτό σημαίνει ότι χρειάζεται μόνο να προσδιορίσουμε την ακτίνα οποιουδήποτε κατιόντος και οποιουδήποτε ανιόντος.
Στη συνέχεια μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε την ακτίνα του κατιόντος για να προσδιορίσουμε την ακτίνα οποιουδήποτε άλλου ανιόντος θέλουμε, ενώ μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε την ακτίνα του ανιόντος για να προσδιορίσουμε την ακτίνα οποιουδήποτε άλλου κατιόντος.
Αυτό επιτεύχθηκε αρχικά από κρυσταλλογραφικά δεδομένα για το ιωδιούχο λίθιο, μια ιοντική ένωση που αποτελείται από ένα πολύ μικρό κατιόν και ένα πολύ μεγάλο ανιόν.
Σε αυτή την ένωση, η κρυσταλλική δομή σχηματίζεται από ένα δίκτυο ιόντων ιωδίου (I – ) στο οποίο κάθε ανιόν βρίσκεται σε άμεση επαφή με έξι άλλα ιωδίδια, ενώ ιόντα λιθίου (Li + ) βρίσκονται στις κοιλότητες που σχηματίζονται. κάθε τέσσερα ιωδίδια, όντας σε άμεση επαφή με όλα αυτά. Έτσι, η ιοντική ακτίνα του ιωδίου μπορεί να προσδιοριστεί ως η μισή απόσταση μεταξύ δύο γειτονικών πυρήνων ιωδίου, ενώ η απόσταση μεταξύ των πυρήνων λιθίου και ιωδίου καθιστά δυνατό τον προσδιορισμό της ιοντικής ακτίνας του λιθίου αφαιρώντας αυτή του ιωδίου.
Περιοδική τάση ατομικής ακτίνας
Όπως αναφέρθηκε στην αρχή, το ατομικό μέγεθος είναι μια περιοδική ιδιότητα της ύλης. Δηλαδή, ποικίλλει με προβλέψιμο τρόπο σε μια περίοδο και σε μια ομάδα.
Κατά τη διάρκεια της περιόδου, τόσο η ατομική ακτίνα όσο και η ομοιοπολική ακτίνα μειώνονται από αριστερά προς τα δεξιά. Το ίδιο συμβαίνει και με τις ιοντικές ακτίνες των ιόντων που έχουν το ίδιο ηλεκτρικό φορτίο. Ο λόγος πίσω από αυτή τη συμπεριφορά είναι το ενεργό πυρηνικό φορτίο, το οποίο αυξάνεται καθώς αυξάνεται ο ατομικός αριθμός.
Από την άλλη πλευρά, καθώς μετακινείστε από τη μια περίοδο στην άλλη μέσα σε μια ομάδα (δηλαδή, κινείστε προς τα κάτω στο μήκος μιας ομάδας), το ενεργό πυρηνικό φορτίο αυξάνεται επίσης, αλλά τα εξώτατα ηλεκτρόνια (δηλαδή, τα ηλεκτρόνια σθένους) βρίσκονται στο ηλεκτρόνιο κελύφη αυξανόμενων επιπέδων ενέργειας. Αυτό σημαίνει ότι τα κελύφη σθένους είναι όλο και πιο μακριά από τον πυρήνα, επομένως η ακτίνα του ατόμου επίσης αυξάνεται.
Μεταβολή ιοντικής ακτίνας με φορτίο
Εκτός από την περιοδική μεταβολή των ατομικών, ομοιοπολικών και ιοντικών ακτίνων, οι ιοντικές ακτίνες εξαρτώνται επίσης έντονα από το ηλεκτρικό φορτίο. Κάθε επιπλέον ηλεκτρόνιο που εισάγεται σε ένα άτομο για να το μετατρέψει σε ανιόν και να αυξήσει το αρνητικό του φορτίο, αυξάνει την ηλεκτροστατική απώθηση μεταξύ των ηλεκτρονίων στο κέλυφος σθένους, προκαλώντας διαστολή του νέφους ηλεκτρονίων και αύξηση της ιοντικής ακτίνας.
Το αντίθετο συμβαίνει με τα κατιόντα. Κάθε ηλεκτρόνιο που αφαιρείται από ένα άτομο για να το μετατρέψει σε κατιόν και να αυξήσει το θετικό φορτίο, μειώνει την απώθηση μεταξύ των ηλεκτρονίων, αυξάνει το ενεργό πυρηνικό φορτίο και επομένως τα ηλεκτρόνια έλκονται πιο έντονα στον πυρήνα. Το αποτέλεσμα είναι η μείωση της ιοντικής ακτίνας με την αύξηση του θετικού φορτίου.
Παράδειγμα
Αν συγκρίνουμε τις ακτίνες των διαφορετικών ιόντων που μπορεί να σχηματίσει το χλώριο, η σειρά των ιοντικών ακτίνων θα είναι:
Cl 7+ < Cl 5+ < Cl 3+ < Cl + < Cl < Cl –
βιβλιογραφικές αναφορές
Bodner Research Web. (ν). Μέγεθος ατόμων . https://chemed.chem.purdue.edu/genchem/topicreview/bp/ch7/index.php
Φυσική και Χημεία. (2019, 15 Ιουνίου). Μεγέθη ατόμων και ιόντων . Φυσική και χημεία. https://lafisicayquimica.com/7-3-tamanos-de-atomos-e-iones/
Σωκρατικός. (2016, 3 Ιανουαρίου). Πώς μετριέται το ατομικό μέγεθος; Socratic.org. https://socratic.org/questions/how-is-atomic-size-measured
Studynlearn. (2014, 14 Ιουνίου). AtomicSize . Youtube. https://www.youtube.com/watch?v=HBIUnpU_vJA
Tome, C. (2020, 4 Φεβρουαρίου). Γιατί τα άτομα έχουν το μέγεθος που είναι; Τετράδιο Επιστημονικού Πολιτισμού. https://culturacientifica.com/2020/02/04/por-que-los-atomos-tienen-el-tamano-que-tienen/
