8.3: Rayons ioniques

Le rayon ionique est la mesure utilisée pour décrire la taille d'un ion. Un cation a toujours moins d'électrons et le même nombre de protons que l'atome parent ; il est plus petit que l'atome à partir duquel il est obtenu. Par exemple, le rayon covalent d'un atome d'aluminium (1s²2s²2p⁶3s²3p¹) est de 118 pm, alors que le rayon ionique d'un Al³⁺ (1s²2s²2p⁶) est de 68 pm. Comme les électrons sont retirés de la couche de valence externe, les électrons de cœur restants qui occupent des plus petites couches subissent une charge nucléaire effective plus importante Z_eff et sont attirés encore plus près du noyau.

Les cations avec des charges plus importantes sont plus petits que les cations avec des charges plus faibles (par exemple, V²⁺ a un rayon ionique de 79 pm, alors que celui de V³⁺ est de 64 pm). En descendant dans les groupes du tableau périodique, les cations d'éléments successifs ayant la même charge ont généralement des rayons plus grands, ce qui correspond à une augmentation du nombre quantique principal, n.

Un anion (ion négatif) est formé par l'addition d'un ou de plusieurs électrons sur la couche de valence d'un atome. Cela entraîne une répulsion plus importante entre les électrons et une diminution du Z_eff par électron. À cause des deux effets (l'augmentation du nombre d'électrons et la diminution du Z_eff), le rayon d'un anion est plus grand que celui de l'atome parent. Par exemple, un atome de soufre ([Ne]3s²3p⁴) a un rayon covalent de 104 pm, alors que le rayon ionique de l'anion sulfure ([Ne]3s²3p⁶) est de 170 pm. Pour les éléments consécutifs en descendant dans n'importe quel groupe, les anions ont des nombres quantiques principaux plus grands et, par conséquent, des rayons plus grands.

On dit que les atomes et les ions qui ont la même configuration électronique sont isoélectroniques. Les espèces isoélectroniques sont N^3–, O^2–, F^–, Ne, Na⁺, Mg²⁺ et Al³⁺ (1s²2s²2p⁶). Une autre série isoélectronique est P^3–, S^2–, Cl^–, Ar, K⁺, Ca²⁺ et Sc³⁺ ([Ne]3s²3p⁶). Pour les atomes ou les ions qui sont isoélectroniques, le nombre de protons détermine la taille. Plus la charge nucléaire est importante, plus le rayon d'une série d'ions et d'atomes isoélectroniques est petit.

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

Un rayon ionique est le rayon d'un cation ou un anion définie par la distance entre les ions dans un composé ionique. Les cations sont plus petits que l'atome parent, tandis que les anions sont plus grands. Semblable aux rayons atomiques, les rayons ioniques sont déterminés par le nombre d'électrons, les orbitales tenant ses électrons de valence et la charge nucléaire.

Envisager de lithium, qui a une configuration électronique d'un noyau d'hélium et un ultrapériphériques 2s électron. L'électron 2s est protégé de la charge nucléaire par deux électrons 1s et contribue au rayon atomique de 152 picomètres. La perte de l'électron 2S le plus externe génère un cation lithium, qui a moins d'électrons mais le même nombre de protons que l'atome parent.

Les deux électrons 1s sont maintenus plus près du noyau parce qu'ils subissent une charge nucléaire efficace plus grande que l'électron 2s. Ainsi, le rayon ionique du cation lithium est de 60 picomètres, ce qui est beaucoup plus petit que l'atome parent. Cette tendance est généralement observée avec tous les cations métalliques et leurs atomes parents.

En revanche, les anions sont plus grands que leurs atomes parents. Quand un atome de fluor accepte un électron, il y a un électron externe supplémentaire, mais le nombre de protons, et donc la charge nucléaire, reste le même. L'augmentation de l'électron-répulsion électron fait que les électrons s'étalent davantage dans l'espace.

Ainsi, l'anion fluoré a un rayon de 136 picomètres, ce qui est beaucoup plus grand que l'atome parent. En général, le rayon ionique pour les éléments du bloc s et p augmente en bas de la colonne, alors que le nombre de niveaux d'énergie principaux, et donc le nombre d'orbitales, augmente. Que penser d'un groupe d'atomes et d'ions qui ont le même nombre d'électrons Ils sont appelés une série isoélectronique et peuvent être organisés en augmentant le nombre atomique.

Chaque membre de la série isoélectronique représentée a 18 électrons. Cependant, ils diffèrent par le nombre de protons. L'ion sulfure a 16 protons attirant 18 électrons, tandis que l'ion calcium a 20 protons attirant le même nombre d'électrons.

Ainsi, avec plus de protons, le calcium peut tirer des électrons beaucoup plus près du noyau que le sulfure, ce qui fait que l'ion calcium est plus petit que l'ion sulfure. Plus la charge nucléaire est grande, plus le rayon est petit, bien que l'ajout d'une enveloppe d'électrons perturbe cette tendance. Néanmoins, le sulfure est le plus grand et le calcium est le plus petit ion de cette série.