8.3: نصف القطر الأيوني

نصف القطر الأيوني هو القياس المستخدم لوصف حجم الأيون. يكون للإلكترونات في الشلال دائمًا عدد أقل من البروتونات وعدد البروتونات نفسه الموجود في الذرة الأصلية؛ وهو أصغر من الذرة التي يتم اشتقاقها منها. على سبيل المثال، نصف القطر التساهمي لذرة ألومنيوم (1s²2s²2p⁶3s²3p¹) هو 118 pm، بينما نصف القطر الأيوني لذرة Al³⁺ (1s²2s²2p⁶) هو 68 pm. عند إزالة الإلكترونات من غلاف التكافؤ الخارجي، فإن الإلكترونات الأساسية المتبقية التي تشغل أغلفة أصغر تختبر شحنة نووية أكثر فاعلية Z_eff ويتم رسمها أقرب إلى النواة.

أما عمليات الشحن ذات الشحنات الأكبر فهي أصغر من عمليات الشحن ذات الشحنات الأصغر (على سبيل المثال، V²⁺ له نصف قطر الأيون 79 pm، بينما يبلغ نصف قطر V³⁺ 64 pm). وفي سياق مجموعات الجدول الدوري، فإن عمليات توجيه العناصر المتتالية بنفس الشحنة لها عموما إشعاعياً أكبر، مما يقابل زيادة في العدد الكمي الرئيسي n.

يتكون الأيون (الأيون السالب) عن طريق إضافة إلكترونات واحدة أو أكثر إلى غلاف تكافؤ الذرة. ويؤدي هذا إلى تنافر أكبر بين الإلكترونات وانخفاض في Z_eff لكل إلكترون. يتسبب كل من التأثيرات (العدد المتزايد للإلكترونات وتناقص Z_eff) في أن يكون نصف قطر أيون أكبر من نصف قطر ذرة الأصل. على سبيل المثال، يبلغ نصف قطر ذرة الكبريت ([Ne]3s23p4) 104 مساءاً، بينما يبلغ نصف القطر التساهمي لأيون الكبريت ([Ne]3s²3p⁴) 170 pm. بالنسبة للعناصر المتتابعة التي تتلي أسفل أي مجموعة، يكون للأيونات أرقام كمية رئيسية أكبر، وبالتالي نصف قطر إشعاعي أكبر.

ويقال إن الذرات والأيونات التي تحتوي على نفس التوزيع الإلكتروني هي متساوية إلكترونياً. أمثلة لأنواع متساوية إلكترونياً N^3–, O^2–, F^–, Ne, Na⁺, Mg²⁺, and Al³⁺ (1s²2s²2p⁶). مجموعة أخرى متساوية الكترونيا P^3–, S^2–, Cl^–, Ar, K⁺, Ca²⁺, and Sc³⁺ ([Ne]3s²3p⁶). بالنسبة للذرات أو الأيونات التي هي متساوية إلكترونياً، يحدد عدد البروتونات الحجم. كلما زادت الشحنة النووية، قل نصف القطر في سلسلة من الأيونات المتساوية إلكترونياً والذرات.

هذا النص مقتبس من OpenStax Chemistry 2e, Section 6.5: Periodic Variations in Element Properties.

نصف القطر الأيوني هو نصف قطر الكاتيون أو الأنيون المحدد بالمسافة بين الأيونات في مركب أيوني. الكاتيونات أصغر من الذرة الأم،في حين أن الأنيونات أكبر. على غرار نصف القطر الذري،نصف القطر الأيوني يتم تحديده من خلال عدد الإلكترونات،المدارات التي تحمل إلكترونات التكافؤ،والشحنة النووية.

لنفكر في الليثيوم،الذي له تكوين إلكتروني من نواة الهيليوم وإلكترون واحد خارجي في 2s. الإلكترون في 2s محمي من الشحنة النووية بواسطة إلكترونين في 1s ويساهم في نصف القطر الذري 152 بيكومتر. فقدان الإلكترون الخارجي في 2s يولد كاتيون الليثيوم،الذي له عدد إلكترونات أقل ولكن نفس عدد البروتونات مثل الذرة الأم.

الإلكترونان في 1s أقرب إلى النواة لأنهم يواجهون شحنة نووية فعالة أكثر من الإلكترون في 2s. وهكذا،فإن نصف القطر الأيوني لكاتيون لليثيوم هو 60 بيكومتر،وهو أصغر بكثير من الذرة الأم. يتم ملاحظة هذا الاتجاه بشكل عام مع جميع الكاتيونات المعدنية وذراتهم الأم.

في المقابل،تكون الأنيونات أكبر من ذراتها الأم. عندما تقبل ذرة الفلور إلكترونًا،هناك إلكترون خارجي إضافي،لكن عدد البروتونات،ومن ثم الشحنة النووية،تبقي على حالها. يؤدي التنافر المتزايد،بين الإلكترون والإلكترون،إلى انتشار الإلكترونات أكثر في الفضاء.

وبالتالي،فإن أنيون الفلوريد له نصف قطر 136 بيكومتر،وهو أكبر بكثير من الذرة الأم. بشكل عام،نصف القطر الأيوني لعناصر s-block و p-block يزداد أسفل العمود،حيث عدد مستويات الطاقة الرئيسية وبالتالي عدد المدارات،تزداد. ماذا عن مجموعة الذرات والأيونات التي لديها نفس عدد الإلكترونات؟يشار إليها باسم سلسلة التساوي الإلكتروني ويمكن ترتيبها عن طريق زيادة العدد الذري.

كل عضو موجود في سلسلة التساوي الإلكتروني يحتوي على 18 إلكترونًا. ومع ذلك،فإنها تختلف في عدد البروتونات. يحتوي أيون الكبريتيد على 16 بروتون تجذب 18 إلكترونًا،بينما يحتوي أيون الكالسيوم على 20 بروتونًا جاذبًا نفس عدد الإلكترونات.

وهكذا،مع وجود المزيد من البروتونات،يمكن للكالسيوم سحب الإلكترونات أقرب إلى النواة أكثر مما يمكن للكبريتيد،مما ينتج عنه كون أيون الكالسيوم أصغر من أيون الكبريتيد. كلما زادت الشحنة النووية،قل نصف القطر،على الرغم من أن إضافة غلاف إلكتروني يعطل هذا الاتجاه. ومع ذلك،فإن الكبريتيد هو الأكبر والكالسيوم هو أصغر أيون في هذه السلسلة.