8.2: 原子半径和有效核电荷

元素周期表中各组的元素表现出相似的化学行为。之所以发生这种相似性，是因为一个基团的化合价壳中的电子数量和分布相同。

在从左到右的整个周期中，质子被添加到原子核，电子被添加到价壳，每个相继的元素。沿着一组中的元素向下，价壳中的电子数量保持恒定，但是主量子数每次增加一个。了解元素的电子结构后，我们可以检查一些控制其化学行为的特性。这些特性会随着元素的电子结构的变化而周期性变化。

原子半径的变化

量子力学图使得难以确定原子的确定大小。但是，有几种实用的方法可以定义原子的半径，从而确定原子的相对大小，从而给出大致相似的值。

金属中的原子半径是两个相邻原子的中心之间的距离的一半。对于以双原子分子形式存在的元素来说，它是键原子中心之间距离的一半。

通常，从左到右移动一个周期，每个元素的原子半径都比其前一个元素的原子半径小。这似乎违反直觉，因为这意味着具有更多电子的原子具有较小的原子半径。这可以根据有效核弹的概念来解释。在任何多电子原子中，内壳电子都部分屏蔽了外壳电子免受原子核的吸引。因此，有效核电荷，即电子感受到的电荷，比实际核电荷（ Z ）小，可以通过以下方式估算:

Z _eff = Z ＆ndash; ＆sigma; ＆nbsp; ＆nbsp; ＆nbsp; ＆nbsp; ＆nbsp;＆nbsp;＆nbsp; ＆nbsp;

其中， Z _eff 是有效核电荷， Z 是实际核电荷，＆sigma;是屏蔽常数，其中屏蔽常数大于零但小于Z 。

我们每次跨一个周期从一个元素移动到另一个元素时， Z 都会增加一个，但是屏蔽只会稍微增加。因此， Z _eff 在整个周期中从左向右移动时都会增加。元素周期表右侧的电子受到的拉力（有效核电荷更高）使它们更靠近原子核，从而使原子半径更小。

核心电子有效地屏蔽了最外面的主能级中的电子免受核电荷，但是最外面的电子却没有有效地将彼此屏蔽。有效核电荷越大，原子核对外部电子的保持力越强，原子半径越小。

但是，某些过渡元素的半径在每一行中大致保持恒定。这是因为最外层主能级中的电子数量几乎是恒定的，并且它们会经历大致恒定的有效核电荷。

在每个周期内，原子半径的趋势随 Z 的增加而减小;在每个组中，趋势是原子半径随 Z 的增加而增加。

向下扫描一个基团，每个元素的主量子数 n 增加一个。因此，电子被添加到越来越远离原子核的空间区域。因此，随着我们增加最外层电子离原子核的距离，原子的大小（及其原子半径）必须增加。下表说明了卤素原子半径的趋势。

卤素族元素的原子半径
原子	原子半径 (pm)	核电荷, Z
F	64	9+
Cl	99	17+
Br	114	35+
I	133	53+
At	148	85+

 

本文改编自 Openstax 化学 2e ，第6.5节:元素属性的周期性变化。