Atomradie

En atoms radie  är avståndet mellan atomkärnan och den längsta av de stabila omloppsbanorna för elektroner i denna atoms elektronskal. Eftersom, enligt kvantmekaniken , atomer inte har tydliga gränser, och sannolikheten att hitta en elektron associerad med kärnan i en given atom på ett visst avstånd från denna kärna minskar snabbt med ökande avstånd, tillskrivs en viss radie till atom, som tror att den överväldigande majoriteten är innesluten i en boll med denna radie, del av elektrontätheten (cirka 90 procent). Det finns olika definitioner av atomradien , de tre mest använda är van der Waals- radien , jonradienoch kovalent radie .

Beroende på definitionen kan termen "en atoms radie" gälla antingen endast isolerade atomer eller även atomer i kondenserad materia , kovalent bundna i molekyler eller i joniserade och exciterade tillstånd; dess värde kan erhållas från experimentella mätningar eller beräknas från teoretiska modeller. Värdet på radien kan bero på atomens och miljöns tillstånd [1] .

Elektroner har inte väldefinierade banor eller gränser. Snarare kan deras positioner beskrivas som sannolikhetsfördelningar som gradvis minskar när de rör sig bort från kärnan utan en kraftig minskning. Dessutom, i kondenserad materia och molekyler, överlappar elektronmoln av atomer vanligtvis i viss utsträckning, och några av elektronerna kan röra sig i ett område som spänner över två eller flera atomer ("tillhör" flera atomer samtidigt).

Enligt de flesta definitioner sträcker sig radierna för isolerade neutrala atomer från 30 till 300 pm (eller 0,3 till 3 ångström ), medan radierna för atomkärnor sträcker sig från 0,83 till 10 fm [2] . Därför är radien för en typisk atom cirka 30 000 gånger större än radien för dess kärna.

I många fall kan formen på en atom approximeras av en sfär . Detta är bara en grov approximation, men det kan ge kvantitativa representationer och fungera som en grundläggande modell för att beskriva många fenomen, såsom tätheten av vätskor och fasta ämnen, diffusion av vätskor genom molekylsilar , arrangemanget av atomer och joner i kristaller , och storleken och formen på molekyler. .

Atomernas radier förändras och följer vissa mönster i det periodiska systemet för kemiska element . Till exempel minskar atomradien i allmänhet när du rör dig från vänster till höger längs varje period (rad) i tabellen, från alkalimetaller till ädelgaser, och ökar när du flyttar från topp till botten i varje grupp (kolumn). Atomradierna ökar kraftigt i övergången mellan en ädelgas i slutet av varje period och en alkalimetall i början av nästa period. Dessa trender i atomradier (tillsammans med andra kemiska och fysikaliska egenskaper hos elementen) kan förklaras i termer av atomelektronskalteorin och ger också bevis för bekräftelsen av kvantteorin . Atomernas radier minskar i det periodiska systemet eftersom när atomnumret ökar, ökar antalet protoner i atomen och ytterligare elektroner läggs till i samma kvantskal. Därför ökar den effektiva laddningen av atomkärnan med avseende på de yttre elektronerna, vilket attraherar de yttre elektronerna. Som ett resultat drar elektronmolnet ihop sig och atomradien minskar.

Historik

1920, kort efter att det blev möjligt att bestämma storleken på atomer med hjälp av röntgendiffraktionsanalys , föreslogs det att alla atomer av samma grundämne har samma radier [3] . Men 1923, när mer data om kristaller erhölls, fann man att approximationen av en atom med en sfär inte alltid är korrekt när man jämför atomer av samma grundämne i olika kristallstrukturer [4] .

Definitioner

Ofta använda definitioner för en atoms radie inkluderar:

• Van der Waals radie, Van der Waals radier [5]  - detta värde motsvarar halva det inre kärnavståndet mellan de närmaste atomerna med samma namn som inte är kemiskt bundna och tillhör olika molekyler (till exempel i molekylära kristaller ). [6] .
• Jonradie : Den nominella radien för jonerna i ett element i ett visst joniseringstillstånd, härledd från avståndet mellan atomkärnorna i de kristallina salterna som inkluderar dessa joner. I princip bör avståndet mellan två angränsande motsatt laddade joner ( längden på jonbindningen mellan dem) vara lika med summan av deras jonradier [6] .
• Kovalent radie : Den nominella radien för ett elements atomer när de är kovalent bundna till andra atomer, härledd från avståndet mellan atomkärnor i molekyler. I princip bör avståndet mellan två atomer som är bundna till varandra i en molekyl (längden på denna kovalenta bindning) vara lika med summan av deras kovalenta radier [6] .
• Metallisk radie : Den nominella radien för atomerna i ett grundämne när de är förbundna med andra atomer med metallbindningar .
• Bohr radie : radien för omloppsbanan för elektronen med lägst energi som förutspåtts av Bohrs modell av atomen (1913) [7] [8] . Det gäller bara atomer och joner med en elektron, såsom väte , enkeljoniserat helium och positronium . Även om själva modellen nu är föråldrad, anses Bohr-radien för väteatomen vara en av de grundläggande fysikaliska konstanterna.

Mätning av en atoms radie empiriskt

Tabellen visar de experimentellt uppmätta kovalenta radierna för grundämnen publicerade av den amerikanske kemisten D. Slater 1964 [9] . Värdena anges i pikometer (pm eller 1 × 10-12 m) med en noggrannhet på cirka 5 pm. Cellens färgtoner varierar från rött till gult när radien ökar; grå färg - inga data.

Förklaring av allmänna trender

Förändringen i en atoms radie med en ökning av laddningstalet kan förklaras av arrangemanget av elektroner i skal med konstant kapacitet. Skalen fylls vanligtvis i ordning med ökande radie, eftersom de negativt laddade elektronerna attraheras till de positivt laddade protonerna i atomkärnan. När laddningstalet ökar längs varje rad i det periodiska systemet kommer ytterligare elektroner in i samma yttre skal, och dess radie krymper gradvis på grund av ökningen av kärnladdningen. I ädelgasatomer är det yttre skalet helt fyllt; därför kommer den extra elektronen från nästa grundämne, alkalimetallen, att gå in i nästa yttre skal, vilket förklarar den plötsliga ökningen av atomradien.

Den ökande kärnladdningen balanseras delvis av en ökning av antalet elektroner, ett fenomen som kallas screening ; den förklarar varför storleken på atomer i allmänhet ökar i varje kolumn i det periodiska systemet. Det finns ett viktigt undantag från detta mönster, känt som lantanidkontraktion : mindre än förväntade värden för jonradien för de kemiska elementen som ingår i lantanidgruppen (atomnummer 58-71), vilket uppstår på grund av otillräcklig screening av kärnan laddning av elektroner i 4f-orbitalen.

I huvudsak minskar atomradien över perioder på grund av ökningen av antalet protoner i kärnan. Följaktligen skapar fler protoner en starkare laddning och attraherar elektroner starkare, vilket minskar storleken på atomens radie. När du rör dig ner i kolumnerna (grupperna) i det periodiska systemet ökar atomradien eftersom det finns fler energinivåer och därför mer avstånd mellan protoner och elektroner. Dessutom försvagar elektronavskärmning attraktionen av protoner, så de återstående elektronerna kan röra sig bort från den positivt laddade kärnan. Således ökar storleken (radien på atomen).

Följande tabell listar de viktigaste faktorerna som påverkar en atoms radie:

Lantanidkontraktion

I de kemiska elementen i lantanidgruppen är elektroner i 4f -underskalet , som gradvis fylls upp från cerium (Z = 58) till lutetium (Z = 71), inte särskilt effektiva för att avskärma den ökande kärnladdningen. Grundämnena omedelbart efter lantaniderna har atomradier som är mindre än man skulle förvänta sig, och som är nästan identiska med grundämnena direkt ovanför dem [10] . Därför har hafnium i huvudsak samma atomradie (och kemiska egenskaper) som zirkonium , medan tantal har en atomradie som niob , och så vidare. Effekten av lantanidkompression är märkbar upp till platina (Z = 78), varefter den utjämnas av en relativistisk effekt känd som den inerta pareffekten .

Lantanidkompression har följande 5 effekter:

1. Storleken på Ln3+-joner minskar regelbundet med atomnumret. Enligt Fajans regler ökar en minskning av storleken på Ln 3+ -jonerna den kovalenta bindningen och reducerar huvudbindningen mellan Ln 3+ och OH − jonerna i Ln(OH) 3 i en sådan utsträckning att Yb(OH ) ) 3 och Lu(OH) 3 svåra att lösa i varmkoncentrerad NaOH. Därav storleksordningen för Ln 3+ -jonerna :
   La 3+ > Ce 3+ > …, … > Lu 3+ .
2. En regelbunden minskning av joniska radier observeras.
3. Det finns en regelbunden minskning av jonernas förmåga att fungera som ett reduktionsmedel med ökande atomnummer.
4. Den andra och tredje raden av övergångselement i d-blocket är ganska lika i egenskaper.
5. Dessa grundämnen förekommer tillsammans i naturliga mineraler och är svåra att separera.

d-komprimering

d-kompression är mindre uttalad än lantanoidkontraktion, men uppstår av samma anledning. I det här fallet påverkar den dåliga avskärmningsförmågan hos 3d-elektroner atomradien och de kemiska egenskaperna hos elementen omedelbart efter den första raden av övergångsmetaller , från gallium (Z = 30) till brom (Z = 35) [10] .

Beräknade atomradier

Tabellen visar värdena på atomernas radier, beräknade enligt teoretiska modeller, publicerade av den italienska kemisten Enrico Clementi och andra 1967 [11] . Värden anges i pikometer (pm).

Se även

• Bohr radie
• kovalent radie
• Van der Waals radie
• Jonisk radie
• kemisk bindning

Anteckningar

1. ↑ Cotton, F.A.; Wilkinson, G. Advanced Inorganic Chemistry (obestämd) . — 5:a. - Wiley , 1988. - S.  1385 . - ISBN 978-0-471-84997-1 .  
2. ↑ Basdevant, J.-L.; Rich, J.; Spiro, M. Fundamentals in Nuclear Physics (ospecificerat) . - Springer , 2005. - S. 13, fig 1.1. - ISBN 978-0-387-01672-6 .  
3. ↑ Bragg, WL Arrangemanget av atomer i kristaller // Philosophical Magazine  : journal  . - 1920. - Vol. 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  : journal. - 1923. - Vol. 9 , nej. 2 . - S. 33-38 . - doi : 10.1073/pnas.9.2.33 . — . — PMID 16576657 .
5. ↑ Denna stavning ges av den ryska stavningsordboken: cirka 200 000 ord / Russian Academy of Sciences. Institutet för ryska språket V. V. Vinogradova / Ed. V.V. Lopatina, O.E. Ivanova. - Ed. 4:e, rev. och ytterligare — M.: AST-PRESS KNIGA, 2013. — 896 sid. — (Fundamentala ordböcker för det ryska språket). - Med. 68. - ISBN 978-5-462-01272-3 ".
6. ↑ 1 2 3 L.; Pauling. Den kemiska  bindningens natur (neopr.) . — 2:a. — Cornell University Press , 1945.
7. ↑ Bohr, N. Om konstitutionen av atomer och molekyler, del I. - Bindning av elektroner av positiva kärnor // Philosophical Magazine  : journal  . - 1913. - Vol. 26 , nr. 151 . - S. 1-24 . - doi : 10.1080/14786441308634955 .  
8. ↑ Bohr, N. Om konstitutionen av atomer och molekyler, del II. – Systems containing only a Single Nucleus (engelska)  // Philosophical Magazine  : journal. - 1913. - Vol. 26 , nr. 153 . - s. 476-502 . - doi : 10.1080/14786441308634993 .  
9. ↑ Slater, JC Atomic Radii in Crystals  //  Journal of Chemical Physics  : journal. - 1964. - Vol. 41 , nr. 10 . - P. 3199-3205 . - doi : 10.1063/1.1725697 . - .
10. ↑ 12 W.L .; Glad. Modern oorganisk kemi  (obestämd) . — 2:a. - McGraw-Hill Education , 1991. - P. 22. - ISBN 978-0-07-112651-9 .
11. ↑ Clementi, E.; Raymond, D.L.; Reinhardt, WP Atomic screening-konstanter från SCF-funktioner. II. Atomer med 37 till 86 elektroner  (engelska)  // Journal of Chemical Physics  : journal. - 1967. - Vol. 47 , nr. 4 . - P. 1300-1307 . - doi : 10.1063/1.1712084 . - .

Litteratur

• Rabinovich V.A., Khavin Z.Ya. Kort kemisk referensbok. Ed. 2:a, rev. och ytterligare - L .: Kemi, 1978. - 392 sid.