化学元素の原子の相対的なサイズ

サイズは、周期表に存在するさまざまな元素を構成する原子の重要な特性です。これにより、水素やヘリウムが入っている容器から漏れる傾向や、特定のイオンが細胞壁のイオンチャネルを通過できないなど、多くの特性を理解することができます。

しかし、原子が非常に高密度で小さな原子核の周りを動き回るさらに小さな電子の雲に囲まれていると想像すると、原子の場合の「サイズ」が何を意味するのかを理解するのは困難です。これは、原子がほぼ完全に空の空間でできており、サイズを、手で見て操作できる固体に関連するものとして理解することに慣れているためです。

上記を考慮して、化学元素の原子の相対的なサイズを説明するために、化学的観点から前記サイズを定義することから始めなければなりません。

原子の大きさを確認するいくつかの方法

何かのサイズを定義することは、その形状と寸法を知ることから始まります。原子の場合、厳密にはそうではありませんが、通常は球の形をしていると想定されます。ただし、そのように仮定することは実際的です。

それらを球と見なすと、原子のサイズは半径または直径によって決まります。原子の半径について考えるとき、最初に頭に浮かぶのは、原子の中心または原子核と電子雲の外縁との間の距離です。問題は、電子雲に鋭いエッジがないことです (雲に鋭い外面がないのと同じように)。

これは、半径の定義が複雑でややあいまいであることを意味します。さらに、個々の原子の半径を測定することは事実上不可能であることも意味します。そのため、実験データに基づいて原子の半径を決定または推定するいくつかの方法が開発されました。

原子の大きさを表すには、主に次の 3 つの方法があります。

• 原子半径または金属半径。
• 共有結合半径。
• イオン半径。

3 つの概念は互いに異なり、さまざまなケースに適用されます。このため、常に 2 つの原子の大きさを直接比較できるとは限りません。また、中性原子かイオンかで大きさが変わります。後者の場合、電荷の値と符号によっても大きさが異なります。

原子半径または金属半径

理解する最も簡単な概念は原子半径です。元素の原子半径は、純粋な元素の結晶内の隣接する 2 つの原子間の平均距離の半分として定義されます。この距離は、X 線回折技術によって簡単に決定できます。

原子半径の概念は、主に金属に適用されます。金属は、中性金属の各原子が隣の原子とまったく同じである結晶構造を形成する唯一の元素です。一方、非金属は通常、同じ種類の固体を形成しません。原子半径がしばしば金属半径と呼ばれるのはこのためです。

共有結合半径

希ガスを除いて、純粋な状態のほとんどの非金属は、広範な共有ネットワーク構造を持つ離散分子または固体のいずれかを形成します。たとえば、元素酸素は二原子酸素分子 (O ₂ ) で構成されているため、固体酸素結晶では、各分子内の共有結合した酸素原子は、隣接する分子の原子同士よりも互いに近くなります。

一方、最も安定な同素体がグラファイトである炭素などの場合、ある層内の原子は互いに共有結合しているが、隣接する層の原子とは結合していない層状構造を形成します。

これにより、隣接する 2 つの原子核間の距離の関数として半径を定義することが曖昧になります。これらの場合、サイズは、互いに共有結合している 2 つの同一の原子間の距離の半分として定義されます。この半径は共有結合半径と呼ばれ、非金属原子のサイズを確立するために最も一般的に使用されます。

一方、共有結合半径は、分子または共有結合化合物の一部である原子に半径を割り当てることができるため、金属半径よりも適用性が高い概念です。さらに、1 つの原子の共有結合半径を知ることで、2 つの原子間で形成される共有結合の長さを測定することで、別の原子の共有結合半径を推定できます。

通常、原子の共有結合半径は、それぞれの金属半径よりわずかに小さくなります。

イオン半径

前のセクションで説明した原子サイズの 2 つの尺度は、中性原子または共有分子の一部である原子にのみ適用できます。しかし、電気陰性度が著しく異なる多くの元素が結合してイオン化合物を形成し、電子を獲得または失い、それぞれ陰イオンまたは陽イオンになります。

これらの場合、イオンのサイズ、つまりイオン半径を比較することで、原子の相対的なサイズを確立できます。

2 つの異なるイオンが結合していて、それらを分離する距離がわかっている場合、この距離は 2 つのイオン半径の合計になると仮定します。しかし、この距離のどの部分が 1 つまたは別のイオンに対応するかをどのように知ることができますか? 2 つのイオンのいずれかの半径を決定するには、もう一方の半径の値が必要であることは明らかです。これは、陽イオンと陰イオンの半径を決定するだけでよいことを意味します。

次に、陽イオンの半径を使用して、必要な他の陰イオンの半径を決定できますが、陰イオンの半径を使用して、他の陽イオンの半径を決定できます。

これは、非常に小さな陽イオンと非常に大きな陰イオンで構成されるイオン化合物であるヨウ化リチウムの結晶学的データから初めて達成されました。

^{この化合物では、結晶構造は、各アニオンが他の 6 つのヨウ化物と直接接触しているヨウ化物イオン (I –} )のネットワークによって形成され、リチウム イオン (Li ⁺ ) は、形成された空洞に配置されます。これらすべてと直接接触しているヨウ化物。したがって、ヨウ化物のイオン半径は、隣接する2つのヨウ素核間の距離の半分として決定できますが、リチウムとヨウ素核間の距離は、ヨウ化物のイオン半径を差し引くことによってリチウムのイオン半径を決定することを可能にします。

原子半径の周期傾向

冒頭で述べたように、原子サイズは物質の周期的な性質です。つまり、一定期間およびグループ全体で予測可能な方法で変化します。

期間中、原子半径と共有結合半径の両方が左から右に減少します。同じ電荷を持つイオンのイオン半径でも同じことが起こります。この動作の背後にある理由は、原子番号が増加するにつれて増加する実効核電荷です。

一方、グループ内である周期から別の周期に移動すると (つまり、グループの長さを下に移動すると)、実効核電荷も増加しますが、最も外側の電子 (つまり、価電子) は電子に位置します。エネルギーレベルが増加するシェル。これは、価電子殻が原子核からますます離れていることを意味するため、原子の半径も大きくなります。

電荷によるイオン半径の変化

原子半径、共有結合半径、およびイオン半径の周期的な変化に加えて、イオン半径は電荷にも大きく依存します。原子を陰イオンに変換し、その負電荷を増加させるために原子に導入される各追加の電子は、原子価殻内の電子間の静電反発力を増加させ、電子雲を拡大させ、イオン半径を増加させます。

陽イオンでは逆のことが起こります。原子から除去されて陽イオンに変換され、正電荷が増加する各電子は、電子間の反発力を低下させ、有効な核電荷を増加させるため、電子はより強く原子核に引き寄せられます。この効果は、正電荷の増加に伴うイオン半径の減少です。

例

塩素が形成できるさまざまなイオンの半径を比較すると、イオン半径の順序は次のようになります。

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

参考文献

ボドナー研究ウェブ。（nd）。原子のサイズ。https://chemed.chem.purdue.edu/genchem/topicreview/bp/ch7/index.php

物理学と化学。（2019年6月15日）。原子とイオンのサイズ。物理学と化学。https://lafisicayquimica.com/7-3-tamanos-de-atomos-e-iones/

ソクラテス。(2016 年 1 月 3 日)。原子サイズはどのように測定されますか? Socratic.org。https://socratic.org/questions/how-is-atomic-size-measured

勉強する。(2014 年 6 月 14 日)。アトミックサイズ. ユーチューブ。https://www.youtube.com/watch?v=HBIUnpU_vJA

Tome, C. (2020, 2 月 4 日). なぜ原子はその大きさなのですか？科学文化ノート。https://culturacientifica.com/2020/02/04/por-que-los-atomos-tienen-el-tamano-que-tienen/