8.2: Rayons atomiques et charge nucléaire effective

Les éléments des groupes du tableau périodique présentent un comportement chimique similaire entre eux. Cette similarité existe parce que les membres d'un groupe ont le même nombre et la même distribution d'électrons sur leurs couches de valence.

Sur une période de gauche à droite, un proton est ajouté au noyau et un électron est ajouté à la couche de valence avec chaque élément successif. En descendant le long des éléments d'un groupe, le nombre d'électrons sur la couche de valence reste constant, mais le nombre quantique principal augmente de un à chaque fois. Comprendre la structure électronique des éléments nous permet d'examiner certaines des propriétés qui régissent leur comportement chimique. Ces propriétés varient de façon périodique à mesure que la structure électronique des éléments change.  

Variation du rayon atomique

À cause de l'image de la mécanique quantique, il est difficile d'établir la taille précise d'un atome. Cependant, il existe plusieurs moyens pratiques de définir le rayon des atomes et, par conséquent, de déterminer leurs tailles relatives qui donnent des valeurs à peu près similaires.

Le rayon atomique des métaux représente la moitié de la distance entre les centres de deux atomes voisins. C'est la moitié de la distance entre les centres des atomes liés pour les éléments qui existent en tant que molécules diatomiques.

En se déplaçant de gauche à droite sur une période, généralement, chaque élément a un rayon atomique plus petit que l'élément qui le précède. Cela peut sembler contre-intuitif car cela implique que les atomes ayant plus d'électrons ont un rayon atomique plus petit. On peut expliquer cela en se basant sur l'idée d'une charge nucléaire effective. Dans n'importe quel atome à plusieurs électrons, les électrons sur la couche interne protègent partiellement les électrons sur la couche externe de l'attraction du noyau.  Ainsi, la charge nucléaire effective, la charge ressentie par un électron, est inférieure à la charge nucléaire réelle (Z) et peut être estimée comme suit :

Z_eff = Z – σ                

où, Z_eff est la charge nucléaire effective, Z la charge nucléaire réelle et σ la constante de l'effet d'écran, où la constante de l'effet d'écran est supérieure à zéro mais inférieure à Z.

Chaque fois que nous passons d'un élément à l'autre le long d'une période, Z augmente de un, mais l'effet d'écran n'augmente que légèrement. Ainsi, Z_eff augmente à mesure que nous nous déplaçons de gauche à droite sur une période. L'attraction plus forte (charge nucléaire effective plus élevée) que connaissent les électrons sur le côté droit du tableau périodique les rapproche du noyau, ce qui réduit les rayons atomiques.

Les électrons de cœur protègent efficacement les électrons du niveau principal le plus à l'extérieur de la charge nucléaire, mais les électrons les plus à l'extérieur ne se protègent pas les uns les autres de la charge nucléaire de manière efficace. Plus la charge nucléaire effective est grande, plus l'emprise du noyau sur les électrons externes est forte et plus le rayon atomique est petit.

Cependant, les rayons de certains éléments de transition restent à peu près constants sur chaque ligne. En effet, le nombre d'électrons sur le niveau d'énergie principal le plus externe est presque constant et ils subissent une charge nucléaire effective à peu près constante.

Dans chaque période, la tendance est que le rayon atomique diminue à mesure que Z augmente ;  dans chaque groupe, la tendance est que le rayon atomique augmente à mesure que Z augmente.

En descendant dans un groupe, le nombre quantique principal, n, augmente de un pour chaque élément. Ainsi, les électrons sont ajoutés à une région de l'espace de plus en plus éloignée du noyau. Par conséquent, la taille de l'atome (et son rayon atomique) doit augmenter à mesure que nous augmentons la distance entre les électrons les plus à l'extérieur du noyau. Cette tendance est illustrée pour les rayons atomiques des halogènes dans le tableau ci-dessous.

Ce texte est adapté de Openstax Chemistry 2e, Section 6.5 : Variations périodiques dans les propriétés des éléments.

La taille d'un atome est dictée par les électrons ou leurs orbitales. Cependant, les orbitales ne décrivent pas un espace confiné, mais plutôt la probabilité statistique de la localisation d'un électron Alors, comment la taille atomique est-elle définie et qu'est-ce qui l'influence? Un rayon atomique peut être décrit de deux manières.

Le rayon atomique non lié, ou rayon de van der Waals d'un atome, est la moitié de la distance entre les noyaux adjacents dans le solide atomique. Inversement, un rayon atomique de liaison, ou rayon covalent, distingue les métaux et les non-métaux. Dans les métaux, le rayon est décrit pour les atomes dans leur structure cristalline comme la moitié de la distance entre les centres de deux atomes voisins.

Dans les molécules diatomiques non métalliques, le rayon est décrit comme la moitié de la distance entre les centres des atomes liés. Le tableau périodique représente les variations du rayonnement covalent qui sont appelés rayons atomiques, qui sont influencés par deux facteurs;le nombre de niveaux d'énergie principaux des électrons de valence, et la charge nucléaire effective. La tendance des rayons atomiques pour les éléments du groupe principal en bas des colonnes qui est représentée ici.

En descendant un groupe, le nombre quantique principal, n, augmente de un pour chaque élément. Ainsi, alors que les électrons externes s'éloignent du noyau, le rayon atomique augmente dans le groupe. Par exemple, en descendant du groupe 1, le rayon atomique augmente du lithium au césium.

Cette tendance est démontrée par l'ensemble du tableau périodique. De plus, l'intrigue révèle que le rayon atomique est au maximum pour chaque métal alcalin et tombe, au minimum par chaque gaz noble au cours de la période. La diminution des rayons atomiques sur une période peut s'expliquer par la charge nucléaire effective.

Rappelons le concept d'une charge nucléaire efficace. Dans tout atome à plusieurs électrons, les électrons de la couche intrne protègent partiellement les électrons de la couche externe de la traction du noyau. Ainsi, la charge nucléaire effective, la charge ressentie par un électron externe est inférieure à la charge nucléaire réelle.

Les électrons dans la même couche de valence ne se protègent pas très efficacement. Au cours de la période, la charge nucléaire augmente tandis que le nombre d'électrons de la couche interne reste constant. Ainsi, à mesure que la charge nucléaire effective augmente régulièrement, le blindage des électrons externes diminue, ce qui entraîne une diminution des rayons atomiques.

Les rayons de la plupart des éléments de transition, cependant, restent à peu près constants à travers chaque rangée. En effet, le nombre d'électrons dans le niveau d'énergie principal externe est presque constant.