8.3: イオン半径

イオン半径とは、イオンの大きさを表すための尺度です。カチオンは常に親原子よりも少ない電子と同じ数の陽子を持っており、元の原子よりも小さいです。 たとえば、アルミニウム原子（ 1s²2s²2p⁶3s²3p¹ ）の共有結合半径は 118 pm で、 ³⁺ （ 1s²2s²2p⁶）のイオン半径は 68 pm です。 外側の原子価殻から電子が除去されると、より小さい殻を占有する残りの内殻電子の方がより効果的な核電荷Z_effを持ち、原子核の近くに描画されます。

大きな電荷を持つカチオンは、小さな電荷を持つカチオンよりも小さい（例えば、V²⁺のイオン半径は79pmであるのに対し、V³⁺のイオン半径は64pmである）。周期表の族を下っていくと、同じ電荷を持つ連続した元素の陽イオンは一般的に大きな半径を持ち、これは主量子数nの増加に対応しています。

陰イオン（負イオン）は、原子価殻に 1 つ以上の電子を加えることで形成されます。 これにより、電子間の反発が大きくなり、電子あたりの Z_eff が減少します。 どちらの効果も（電子の数が増加し、 Z_eff が減少）、陰イオンの半径が親原子の半径より大きくなります。 例えば、硫黄原子（ [Ne] 3s²3p⁴ ）の共有結合半径は 104 pm で、硫化陰イオン（ [Ne] 3s²3p⁶ ）のイオン半径は 170 pm です。 任意の族に続く連続した元素については、陰イオンの主要量子数値が大きくなり、その結果、半径が大きくなります。

電子構成が同じ原子およびイオンは、等電子と呼ばれます。 等電子種の例としては、 N^3–、 O^2–、 F^–、 Ne、 Na⁺、 Mg²⁺、 Al³⁺ (1s²2s²2p⁶)があります。 もう 1 つの等電子族は、 P^3–、 S^2–、 Cl^–、 Ar、 K⁺、 Ca²⁺、 Sc³⁺ ([Ne]3s²3p⁶)です。 等電性の原子またはイオンの場合、陽子の数によってサイズが決まります。 原子電荷が大きいほど、一連の等電イオンと原子の半径が小さくなります。

このテキストは 、 OpenStax Chemistry 2e の第 6.5 章「元素特性の周期的な変化」に基づいています。

イオン半径とは イオン化合物の イオン間の距離で定義される 陽イオンまたは陰イオンの 半径のことです 陽イオンは 親原子よりも小さく 陰イオンは大きくなります イオン半径は 原子半径と同様に 電子の数 価電子を 保持する軌道 核電荷によって 決まります リチウムを考えてみましょう リチウムは ヘリウム原子核と一番外側の 2s電子の電子配置をしています 2s電子は 2個の1s電子によって 核電荷から遮蔽されており 原子半径152ピコメートルに 貢献しています 一番外側の 2s電子がなくなると 電子数は少ないが 親原子と同じ数の陽子を持つ リチウム陽イオンが 生成されます 2つの1s電子は 2s電子よりも大きな 実効核電荷を持つため 原子核の近くに保持されています このように リチウムカチオンのイオン半径は 60ピコメートルで親原子より はるかに小さくなっています この傾向は すべての 金属陽イオンとその親原子で 一般的に観察されます 対照的に アニオンは 親原子よりも大きい フッ素原子が電子を 受け入れるときには 一番外側の電子が追加されますが 陽子の数 したがって核電荷は 同じままです 電子同士の反発が増えると 電子は 空間に広がっていきます このように フッ化物アニオンは 親原子よりもはるかに大きい 136ピコメートルの半径です 一般的に sとpブロック元素の イオン半径は 主エネルギー準位の数つまり 軌道の数が増加するにつれて 列の下に向かって大きくなります 同じ数の電子を持つ 原子とイオンのグループは どうでしょうか？これらは等電子系列と呼ばれ 原子番号の増加によって 配置することができます 等電子系のメンバーは それぞれ18個の 電子を持っています しかし 陽子の数が違います 硫化物イオンは16個の陽子が 18個の電子を引き寄せており カルシウムイオンは 同じ数の電子を引き寄せる 20個の陽子を持っています このように カルシウムイオンは 硫化物イオンより陽子が多い分 電子を核に近づけることができ 結果としてカルシウムイオンは 硫化物イオンよりも 小さくなります 核電荷が大きいほど 半径は小さくなりますが 電子殻を加えると この傾向は崩れます それにもかかわらずこの系列では 硫化物が最も大きく カルシウムが最も 小さいイオンとなっています