8.2
تعرض العناصر الموجودة في مجموعات الجدول الدوري سلوكاً كيميائياً مشابهاً. يحدث هذا التشابه لأن أعضاء المجموعة لديهم نفس عدد الإلكترونات وتوزيعها في أصد…
تملأ الإلكترونات حجم الذرة أو مداراتها. ومع ذلك،لا تصف المدارات مساحة محددة،بل احتمالات إحصائية للمكان،الذي يمكن العثور فيه على إلكترون. فكيف يتم تحديد الحجم الذري،وماذا يؤثر عليه؟يمكن وصف نصف القطر الذري بطريقتين.
نصف القطر الذري غير المترابط،أو نصف قطر فان دير فالس للذرة،و هي نصف المسافة بين النوى المتجاورة في المادة الصلبة الذرية. بالمقابل،نصف القطر الذري المترابط،أو نصف القطر التساهمي،يميز بين المعادن واللافلزات. في المعادن،يتم وصف نصف القطر للذرات في تركيبها البلوري على شكل نصف المسافة بين مركزي اثنين من الذرات المتجاورة.
في الجزيئات اللافلزية ثنائية الذرة،نصف القطر يوصف بأنه نصف المسافة بين مركزي الذرات المترابطة. الجدول الدوري يصور الاختلافات في نصف القطر التساهمي،والذي يطلق عليه غالبًا نصف القطر الذري،يتأثر بعاملين عدد مستويات الطاقة الرئيسية لإلكترونات التكافؤ،والشحنة النووية الفعالة. الآتجاه في نصف القطر الذري لعناصر المجموعة الرئيسية أسفل الأعمدة،يصور هنا.
بتحريك مجموعة للأسفل،الرقم الكمي الأساسي،n،يزيد بواحد لكل عنصر. وهكذا،عندما تبتعد الإلكترونات الخارجية عن النواة،يزيد نصف القطر الذري أسفل المجموعة. على سبيل المثال،بالانتقال بالمجموعة 1 إلى أسفل،فإنّنصف القطر الذري يزيد من الليثيوم إلى السيزيوم.
يتم توضيح هذا الاتجاه من خلال الجدول الدوري بأكمله. علاوة على ذلك،تكشف المعادلة أن نصف القطر الذري يصل للحد الأقصى لكل معدن قلوي،ويسقط إلى الحد الأدنى مع كل غاز نبيل خلال الفترة. تناقص نصف القطر الذري خلال فترة يمكن تفسيرها بالشحنة النووية الفعالة.
لنتذكر مفهوم الشحنة النووية الفعالة. في أي ذرة متعددة الإلكترونات،تحمي الكترونات الغلاف الداخلي جزئياًإلكترونات الغلاف الخارجي من سحب النواة. وبالتالي،فإن الشحنة النووية الفعالة،الشحنة التي يشعر بها إلكترون خارجي،تكون أقل من الشحنة النووية الفعلية.
الإلكترونات في نفس غلاف التكافؤ لا تحمي بعضها البعض بشكل فعال. خلال هذه الفترة،الشحنة النووية تزيد بينما عدد إلكترونات الغلاف الداخلي يبقى ثابتا. وهكذا،مع زيادة الشحنة النووية الفعالة بشكل مطرد،تصبح حماية الإلكترونات الخارجية أقل،وهذا يؤدي إلى انخفاض في نصف القطر الذري.
نصف قطر معظم العناصر الانتقالية،مع ذلك،يبقى ثابتًا تقريبًا على مدى الصف. وذلك لأن عدد الإلكترونات في مستوى الطاقة الأساسي الخارجي يكاد يكون ثابتًا.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: What is the difference between van der Waals radius and covalent radius?
Van der Waals radius, or nonbonding atomic radius, is one-half the distance between adjacent nuclei in atomic solids. Covalent radius, or bonding atomic radius, differs for metals and nonmetals. In metals, it's one-half the distance between neighboring atom centers in crystal structures. In nonmetal diatomic molecules, it's one-half the distance between bonded atom centers.
Q2: Why does atomic radius increase when moving down a group in the periodic table?
As you move down a group, the principal quantum number increases by one for each element, placing outer electrons farther from the nucleus. Although nuclear charge increases, the additional inner shell electrons shield outer electrons more effectively. This greater distance outweighs the increased nuclear charge, causing atomic radius to increase down the group.
Q3: How does effective nuclear charge explain the decrease in atomic radius across a period?
Across a period, nuclear charge increases while the number of inner shell electrons remains constant. Outer electrons in the same valence shell do not shield each other effectively. As effective nuclear charge increases, the nucleus pulls outer electrons closer, decreasing atomic radius. This stronger pull creates the periodic trend of decreasing size from left to right.
Q4: What role does electron shielding play in determining atomic size?
Inner shell electrons partially shield outer shell electrons from the nucleus's pull, reducing the effective nuclear charge felt by valence electrons. Core electrons shield efficiently, but outermost electrons do not shield one another effectively. The greater the effective nuclear charge after accounting for shielding, the stronger the nucleus holds outer electrons, resulting in a smaller atomic radius.
Q5: Why do transition elements have relatively constant atomic radii across a row?
Transition elements maintain roughly constant atomic radii across each row because the number of electrons in the outermost principal energy level remains nearly constant. Although nuclear charge increases, the additional electrons enter inner d orbitals, not the valence shell. This results in a roughly constant effective nuclear charge experienced by outer electrons.
Q6: How do alkali metals compare in size within their group?
Alkali metals show maximum atomic radius at the beginning of each period. Moving down group 1 from lithium to cesium, atomic radius increases significantly. This trend reflects the increasing principal quantum number for valence electrons, placing them progressively farther from the nucleus despite increasing nuclear charge.
Q7: What determines whether an atom's size is defined by bonding or nonbonding radius?
Bonding radius applies when atoms form covalent bonds, measured as one-half the distance between bonded atom centers in molecules or crystal structures. Nonbonding radius applies to isolated atoms in solids, measured as one-half the distance between adjacent nuclei. The choice depends on whether atoms are chemically bonded or simply in contact within a solid structure.