Tabla de Contenidos
Rozmiar jest ważną cechą atomów tworzących różne pierwiastki obecne w układzie okresowym. Pozwala nam to zrozumieć wiele ich cech, takich jak skłonność wodoru i helu do wydostawania się z pojemników, które je zawierają, lub niezdolność niektórych jonów do przejścia przez niektóre kanały jonowe w ścianie komórkowej.
Kiedy jednak wyobrazimy sobie atom składający się z bardzo gęstego i małego jądra otoczonego chmurą jeszcze mniejszych elektronów poruszających się wokół niego, trudno zrozumieć, co oznacza „rozmiar” w przypadku atomu. Dzieje się tak dlatego, że atomy składają się prawie wyłącznie z pustej przestrzeni, a my jesteśmy przyzwyczajeni do rozumienia rozmiaru jako czegoś związanego z ciałami stałymi, które możemy zobaczyć i którymi możemy manipulować naszymi rękami.
W związku z powyższym, aby wyjaśnić względną wielkość atomów pierwiastków chemicznych, musimy zacząć od zdefiniowania tej wielkości z chemicznego punktu widzenia.
Kilka sposobów, aby zobaczyć rozmiar atomów
Określenie rozmiaru czegoś zaczyna się od znajomości jego kształtu i wymiarów. W przypadku atomów na ogół przyjmujemy, że mają one kształt kuli, choć nie jest to do końca prawdą. Jednak praktyczne jest założenie tego w ten sposób.
Traktując je jako kule, rozmiar atomów określa ich promień lub średnica. Kiedy myślimy o promieniu atomu, pierwszą rzeczą, która przychodzi nam do głowy, jest odległość między środkiem atomu, czyli jego jądrem, a zewnętrzną krawędzią chmury elektronów. Problem polega na tym, że chmura elektronów nie ma ostrej krawędzi (podobnie jak chmury nie mają ostrej powierzchni zewnętrznej).
Oznacza to, że zdefiniowanie promienia jest skomplikowane i nieco niejednoznaczne. Ponadto oznacza to również, że pomiar promienia pojedynczego atomu jest praktycznie niemożliwy. Tak więc opracowano pewne sposoby określania lub szacowania promieni atomów na podstawie danych eksperymentalnych.
Istnieją trzy główne sposoby wyrażania wielkości atomów:
- Promień atomowy lub promień metaliczny.
- Promień kowalencyjny .
- Promień jonowy.
Te trzy pojęcia różnią się od siebie i mają zastosowanie do różnych przypadków. Z tego powodu nie zawsze jest możliwe bezpośrednie porównanie wielkości dwóch atomów między sobą. Ponadto rozmiar zmienia się w zależności od tego, czy jest to atom obojętny, czy jon. W tym drugim przypadku rozmiar zmienia się również w zależności od wartości i znaku ładunku elektrycznego.
Promień atomowy lub promień metaliczny
Najprostszą koncepcją do zrozumienia jest promień atomowy. Promień atomowy pierwiastka definiuje się jako połowę średniej odległości między dwoma sąsiednimi atomami w krysztale czystego pierwiastka. Odległość tę można łatwo określić za pomocą technik dyfrakcji rentgenowskiej.
Pojęcie promienia atomowego dotyczy głównie metali, które jako jedyne tworzą struktury krystaliczne, w których każdy atom obojętnego metalu jest dokładnie taki sam jak atom obok niego. Z drugiej strony niemetale na ogół nie tworzą tego samego rodzaju ciał stałych. Z tego powodu promień atomowy jest często nazywany promieniem metalicznym.
promień kowalencyjny
Z wyjątkiem gazów szlachetnych, większość niemetali w stanie czystym tworzy albo oddzielne cząsteczki, albo ciała stałe o rozbudowanych strukturach sieci kowalencyjnej. Na przykład tlen elementarny składa się z dwuatomowych cząsteczek tlenu (O 2 ), więc w stałym krysztale tlenu kowalencyjnie związane atomy tlenu w każdej cząsteczce będą bliżej siebie niż atomy sąsiednich cząsteczek.
Z drugiej strony obudowy takie jak węgiel, którego najbardziej stabilnym alotropem jest grafit, tworzą struktury warstwowe, w których atomy w jednej warstwie są połączone ze sobą kowalencyjnie, podczas gdy nie są związane z atomami w sąsiednich warstwach.
To sprawia, że definiowanie promienia jako funkcji odległości między dwoma sąsiednimi jądrami jest niejednoznaczne. W takich przypadkach rozmiar definiuje się jako połowę odległości między dwoma identycznymi atomami kowalencyjnie związanymi ze sobą. Promień ten nazywany jest promieniem kowalencyjnym i jest najczęściej używany do ustalenia wielkości atomów niemetali .
Z drugiej strony promień kowalencyjny jest pojęciem, które ma większe zastosowanie niż promień metaliczny, ponieważ pozwala nam przypisać promień atomom, które są częścią cząsteczki lub związku kowalencyjnego. Co więcej, znając promień kowalencyjny jednego atomu, możemy oszacować promień kowalencyjny innego atomu, mierząc długość wiązania kowalencyjnego utworzonego między nimi.
Zwykle promień kowalencyjny atomu jest nieco mniejszy niż jego odpowiedni promień metaliczny.
promień jonowy
Dwie miary wielkości atomów wspomniane w poprzednich sekcjach można zastosować tylko do atomów obojętnych lub do atomów, które są częścią cząsteczek kowalencyjnych. Jednak wiele pierwiastków , które mają wyraźnie różne elektroujemności, łączy się, tworząc związki jonowe, w których zyskują lub tracą elektrony, stając się w ten sposób odpowiednio anionami lub kationami.
W takich przypadkach możemy ustalić względny rozmiar atomów, porównując rozmiary ich jonów, to znaczy ich promień jonowy.
Kiedy mamy połączone ze sobą dwa różne jony i znamy odległość, która je dzieli, zakładamy, że odległość ta będzie sumą dwóch promieni jonowych. Skąd jednak możemy wiedzieć, jaka część tej odległości odpowiada jednemu lub drugiemu jonowi? Jest oczywiste, że aby określić promień jednego z dwóch jonów, potrzebujemy wartości promienia drugiego. Oznacza to, że musimy jedynie określić promień dowolnego kationu i dowolnego anionu.
Następnie możemy użyć promienia kationu, aby określić promień dowolnego innego anionu, który chcemy, podczas gdy możemy użyć promienia anionu, aby określić promień dowolnego innego kationu.
Po raz pierwszy osiągnięto to na podstawie danych krystalograficznych dla jodku litu, związku jonowego składającego się z bardzo małego kationu i bardzo dużego anionu.
W tym związku strukturę krystaliczną tworzy sieć jonów jodkowych (I – ), w której każdy anion ma bezpośredni kontakt z sześcioma innymi jodkami, natomiast jony litu (Li + ) znajdują się w tworzących się wgłębieniach. jodki, będąc w bezpośrednim kontakcie z nimi wszystkimi. Zatem promień jonowy jodku można wyznaczyć jako połowę odległości między dwoma sąsiednimi jądrami jodu, podczas gdy odległość między jądrami litu i jodu umożliwia określenie promienia jonowego litu przez odjęcie promienia jodku.
Okresowy trend promienia atomowego
Jak wspomniano na początku, rozmiar atomu jest okresową właściwością materii. Oznacza to, że zmienia się w przewidywalny sposób w okresie i w całej grupie.
W tym okresie zarówno promień atomowy, jak i promień kowalencyjny zmniejszają się od lewej do prawej. To samo dzieje się z promieniami jonowymi jonów, które mają ten sam ładunek elektryczny. Powodem tego zachowania jest efektywny ładunek jądrowy, który wzrasta wraz ze wzrostem liczby atomowej.
Z drugiej strony, gdy przechodzisz z jednego okresu do drugiego w grupie (tj. przesuwając się wzdłuż grupy), efektywny ładunek jądrowy również wzrasta, ale najbardziej zewnętrzne elektrony (tj. elektrony walencyjne) znajdują się w elektronach muszle o rosnącym poziomie energii. Oznacza to, że powłoki walencyjne są coraz dalej od jądra, więc promień atomu również wzrasta.
Zmiana promienia jonowego z ładunkiem
Oprócz okresowych zmian promieni atomowych, kowalencyjnych i jonowych, promienie jonowe są również silnie zależne od ładunku elektrycznego. Każdy dodatkowy elektron wprowadzony do atomu w celu przekształcenia go w anion i zwiększenia jego ładunku ujemnego zwiększa odpychanie elektrostatyczne między elektronami w powłoce walencyjnej, powodując rozszerzenie chmury elektronów i zwiększenie promienia jonowego.
Z kationami dzieje się odwrotnie. Każdy elektron, który jest usuwany z atomu w celu przekształcenia go w kation i zwiększenia ładunku dodatniego, zmniejsza odpychanie między elektronami, zwiększa efektywny ładunek jądrowy, a zatem elektrony są silniej przyciągane do jądra. Efektem jest zmniejszenie promienia jonowego wraz ze wzrostem ładunku dodatniego.
Przykład
Jeśli porównamy promienie różnych jonów, które może tworzyć chlor, kolejność promieni jonowych będzie następująca:
Cl 7+ < Cl 5+ < Cl 3+ < Cl + < Cl < Cl –
Bibliografia
Sieć badań Bodnera. (nd). Rozmiar atomów . https://chemed.chem.purdue.edu/genchem/topicreview/bp/ch7/index.php
Fizyka i chemia. (2019, 15 czerwca). Rozmiary atomów i jonów . Fizyka i chemia. https://lafisicayquimica.com/7-3-tamanos-de-atomos-e-iones/
Sokratejski. (2016, 3 stycznia). Jak mierzy się rozmiar atomu? Sokratejski.org. https://socratic.org/questions/how-is-atomic-size-measured
Ucz się. (2014, 14 czerwca). Rozmiar Atomowy . Youtube. https://www.youtube.com/watch?v=HBIUnpU_vJA
Tome, C. (2020, 4 lutego). Dlaczego atomy mają takie rozmiary? Notatnik kultury naukowej. https://culturacientifica.com/2020/02/04/por-que-los-atomos-tienen-el-tamano-que-tienen/
