Name: periodic trends in atomic size
Uploaded: 2020-09-03T13:38:28.000Z
Duration: 3 min 8 s
Channel: JoVE

K12 Standards

north-carolina-k-12-science-standard-course-of-study

North Carolina K-12 Science Standard Course of Study

9-12

Chemistry

Matter and its Interactions

PS.Chm.2.2

atomic-radii-and-effective-nuclear-charge

Atomic Radii and Effective Nuclear Charge

Wielkość atomu jest podyktowana przez elektrony lub ich orbitale. Jednak orbitale nie opisują ograniczonej przestrzeni, ale raczej statystyczne prawdopodobieństwo, gdzie można znaleźć elektron. Jak więc definiuje się rozmiar atomowy i co na niego wpływa?

Promień atomowy można opisać na dwa sposoby. Niewiążący promień atomowy lub promień van der Waalsa atomu to połowa odległości między sąsiednimi jądrami w atomowym ciele stałym. 

I odwrotnie, promień atomowy wiązania lub promień kowalencyjny rozróżnia metale i niemetale. W metalach promień jest opisywany dla atomów w ich strukturze krystalicznej jako połowa odległości między środkami dwóch sąsiednich atomów. 

W niemetalowych, dwuatomowych cząsteczkach promień jest opisywany jako połowa odległości między środkami związanych atomów.

Układ okresowy pierwiastków przedstawia zmiany promieni kowalencyjnych, które są często nazywane promieniami atomowymi, na które wpływają dwa czynniki: liczba głównych poziomów energii elektronów walencyjnych i efektywny ładunek jądrowy. 

Poniżej przedstawiono trend promieni atomowych dla głównych elementów grupy w dół kolumn.

Przesuwając się w dół grupy, główna liczba kwantowa, n, zwiększa się o jeden dla każdego pierwiastka. Tak więc, gdy zewnętrzne elektrony oddalają się od jądra, promień atomowy zwiększa się w dół grupy. 

Na przykład, przesuwając się w dół grupy 1, promień atomowy wzrasta od litu do cezu. Trend ten pokazuje cały układ okresowy pierwiastków.

Co więcej, wykres ujawnia, że promień atomowy jest maksymalny dla każdego metalu alkalicznego i spada do minimum z każdym gazem szlachetnym w danym okresie. Zmniejszające się promienie atomowe w danym okresie można wytłumaczyć efektywnym ładunkiem jądrowym.

Przypomnijmy sobie koncepcję skutecznego ładunku jądrowego. W każdym atomie wieloelektronowym elektrony powłoki wewnętrznej częściowo osłaniają elektrony powłoki zewnętrznej przed przyciąganiem jądra. Zatem efektywny ładunek jądrowy, ładunek odczuwany przez zewnętrzny elektron, jest mniejszy niż rzeczywisty ładunek jądrowy.

Elektrony w tej samej powłoce walencyjnej nie osłaniają się nawzajem zbyt skutecznie. W tym okresie ładunek jądrowy wzrasta, podczas gdy liczba elektronów w powłoce wewnętrznej pozostaje stała.

Tak więc, gdy efektywny ładunek jądrowy stale rośnie, ekranowanie zewnętrznych elektronów staje się mniejsze, a to prowadzi do zmniejszenia promieni atomowych.

Promienie większości elementów przejściowych pozostają jednak mniej więcej stałe w każdym rzędzie. Dzieje się tak dlatego, że liczba elektronów na najbardziej zewnętrznym głównym poziomie energetycznym jest prawie stała.

promienie atomowe i efektywny ładunek jądrowy

Pierwiastki w grupach układu okresowego wykazują podobne zachowanie chemiczne. Podobieństwo to występuje, ponieważ pierwiastki z danej grupy mają tę samą liczbę i rozkład elektronów na swoich powłokach walencyjnych.

Przechodząc przez okres od lewej do prawej, z każdym kolejnym elementem do jądra dodawany jest proton, a do powłoki walencyjnej elektron. Idąc w dół pierwiastków w grupie, liczba elektronów w powłoce walencyjnej pozostaje stała, ale główna liczba kwantowa zwiększa się za każdym razem o jeden. Zrozumienie struktury elektronowej pierwiastków pozwala nam zbadać niektóre właściwości regulujące ich zachowanie chemiczne. Właściwości te zmieniają się okresowo wraz ze zmianą struktury elektronowej pierwiastków.

<h4>Różnice w promieniu atomowym</h4>

Obraz mechaniki kwantowej utrudnia ustalenie określonego rozmiaru atomu. Istnieje jednak kilka praktycznych sposobów zdefiniowania promienia atomów, a tym samym określenia ich względnych rozmiarów, które dają w przybliżeniu podobne wartości.

Promień atomowy w metalach stanowi połowę odległości między środkami dwóch sąsiednich atomów. Jest to połowa odległości między środkami połączonych atomów dla pierwiastków występujących w postaci cząsteczek dwuatomowych.

Poruszając się po okresie od lewej do prawej, każdy element ma mniejszy promień atomowy niż element go poprzedzający. Może się to wydawać sprzeczne z intuicją, ponieważ oznacza, że atomy z większą liczbą elektronów mają mniejszy promień atomowy. Można to wyjaśnić w oparciu o koncepcję efektywnego ładunku jądrowego. W dowolnym atomie wieloelektronowym elektrony powłoki wewnętrznej częściowo osłaniają elektrony powłoki zewnętrznej przed przyciąganiem jądra. Zatem efektywny ładunek jądrowy, ładunek odczuwany przez elektron, jest mniejszy niż rzeczywisty ładunek jądrowy (Z) i można go oszacować w następujący sposób:

Zeff = Z – σ

gdzie Zeff to efektywny ładunek jądrowy, Z to rzeczywisty ładunek jądrowy, a σ to stała ekranowania, gdzie stała ekranowania jest większa od zera, ale mniejsza niż Z.

Za każdym razem, gdy w danym okresie przechodzimy z jednego elementu do drugiego, Z wzrasta o jeden, ale ekranowanie wzrasta tylko nieznacznie. Zatem Zeff rośnie w miarę przesuwania się od lewej do prawej w okresie. Silniejsze przyciąganie (wyższy efektywny ładunek jądrowy), jakiego doświadczają elektrony po prawej stronie układu okresowego, przyciąga je bliżej jądra, zmniejszając promienie atomowe.

Elektrony rdzeniowe skutecznie osłaniają elektrony na najbardziej zewnętrznym poziomie głównym przed ładunkiem jądrowym, ale najbardziej zewnętrzne elektrony nie osłaniają się skutecznie przed ładunkiem jądrowym. Im większy efektywny ładunek jądrowy, tym silniejszy uchwyt jądra na zewnętrznych elektronach i tym mniejszy promień atomowy.

Jednakże promienie niektórych elementów przejściowych pozostają mniej więcej stałe w każdym rzędzie. Dzieje się tak, ponieważ liczba elektronów na najbardziej zewnętrznym głównym poziomie energii jest prawie stała, a elektrony mają w przybliżeniu stały efektywny ładunek jądrowy.

W każdym okresie trend promienia atomowego maleje wraz ze wzrostem Z; W każdej grupie tendencja jest taka, że promień atomowy rośnie wraz ze wzrostem Z.

Analizując grupę, główna liczba kwantowa n zwiększa się o jeden dla każdego elementu. W ten sposób elektrony są dodawane do obszaru przestrzeni, który jest coraz bardziej oddalony od jądra. W rezultacie rozmiar atomu (i jego promień atomowy) musi rosnąć w miarę zwiększania się odległości najbardziej zewnętrznych elektronów od jądra. Tendencję tę zilustrowano dla promieni atomowych halogenów w poniższej tabeli.

<table style="margin-left: auto; margin-right: auto;">
	<tbody style="border: 1px solid black;">
		<tr>
			<td colspan="3" style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">Promienie atomowe pierwiastków grupy halogenowej</td>
		</tr>
		<tr>
			<td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">Atom</td>
			<td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">Promień atomowy (pm)</td>
			<td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">Ładunek jądrowy, Z</td>
		</tr>
		<tr>
			<td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">F</td>
			<td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">64</td>
			<td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">9+</td>
		</tr>
		<tr>
			<td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">Cl</td>
			<td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">99</td>
			<td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">17+</td>
		</tr>
		<tr>
			<td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">Br</td>
			<td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">114</td>
			<td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">35+</td>
		</tr>
		<tr>
			<td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">I</td>
			<td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">133</td>
			<td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">53+</td>
		</tr>
		<tr>
			<td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">At</td>
			<td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">148</td>
			<td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">85+</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

Promienie atomowe i efektywny ładunek jądrowy

Pierwiastki w grupach układu okresowego wykazują podobne zachowanie chemiczne. To podobieństwo występuje, ponieważ członkowie grupy mają tę samą liczbę ...

Education

JoVE Core

Chemia

Jeden

Periodic Properties of the Elements

Właściwości okresowe pierwiastków

KEY TERMS AND CONCEPTS

Kluczowe terminy i pojęcia

periodic trends in atomic size

Periodic trends in atomic size help explain why atoms get larger or smaller across the periodic table. Elements in the same group show similar chemical behavior because they have the same number and arrangement of valence electrons. Across a period, each new element adds one proton to the nucleus and one electron to the valence shell. Down a group, the number of valence electrons stays the same, but the principal quantum number increases by one.

Atomic radius is not easy to define with perfect precision because atoms do not have a hard edge. Scientists use practical measurements instead. In metals, atomic radius is one-half the distance between the centers of two neighboring atoms. For elements that form diatomic molecules, it is one-half the distance between the centers of bonded atoms.

Moving from left to right across a period, atomic radius generally decreases. That may seem surprising because atoms on the right have more electrons. The reason is effective nuclear charge, or the charge an electron feels from the nucleus. It can be estimated as Z eff = Z – σ, where Z is the actual nuclear charge and σ is the shielding constant.

As Z increases by one from element to element across a period, shielding rises only a little. This means Z eff also increases from left to right. A stronger pull from the nucleus draws outer electrons closer, so the atomic radius becomes smaller. Core electrons shield outer electrons well, but outermost electrons do not shield one another very effectively. Some transition elements keep nearly the same radius across a row because the number of electrons in the outermost principal energy level changes very little, so the effective nuclear charge stays roughly constant.

The trend within a group is the opposite. Atomic radius increases as Z increases down a group. Each step down adds a principal energy level, so the outermost electrons are farther from the nucleus. That greater distance makes the atom larger. The halogens show this pattern clearly, with atomic radii increasing from fluorine to astatine.

Periodic Trends in Atomic Size

periodic classification of the elements

How Valence Electrons Shape the Periodic Table

The periodic table organizes elements by increasing atomic number, and it also shows why elements in the same group behave alike. As the electron configurations are placed into the table, a repeating pattern appears in the outer shells of atoms. These outer electrons are called valence electrons, and they play the biggest role in chemical reactions. They are the highest-energy electrons in an atom, so they are easier to lose or share than core electrons. Valence electrons also help determine...

atomic radii and effective nuclear charge

Periodic trends in atomic size help explain why atoms get larger or smaller across the periodic table. Elements in the same group show similar chemical behavior because they have the same number and arrangement of valence electrons. Across a period, each new element adds one proton to the nucleus and one electron to the valence shell. Down a group, the number of valence electrons stays the same, but the principal quantum number increases by one. Atomic radius is not easy to define with perfect...

ionization energy

Ionization Energy Trends in the Periodic Table

Ionization energy is the energy needed to remove an electron from a gaseous atom or ion in its ground state. The first ionization energy, or IE1, removes the most loosely bound electron and forms a 1+ cation. The second ionization energy, IE2, removes the next electron, and each later ionization energy removes another electron from the atom or ion. Ionization always requires energy, so these processes are endothermic. That means ionization energy values are always positive. In general, larger...

ionic radii

How Ionic Charge Changes Ion Size

Ionic radius describes the size of an ion. It changes when an atom gains or loses electrons. Cations are positive ions with fewer electrons than the parent atom, and they are smaller than the atoms they come from. Aluminum shows this pattern clearly. A neutral aluminum atom has a covalent radius of 118 pm, while Al3+ has an ionic radius of 68 pm. When electrons are removed from the outer valence shell, the remaining core electrons feel a stronger effective nuclear charge, or Zeff. That pull...

electron affinity

Electron Affinity Trends on the Periodic Table

Electron affinity is the energy change that happens when a gaseous atom gains an electron and becomes a negative ion, or anion. For many elements, this process releases energy, so the electron affinity value is negative. For some elements, energy must be added instead, so the value is positive. Electron affinity also applies when more than one electron is added. The second electron affinity is the energy change for adding an electron to an anion to make a 2− ion. Later electron affinities...

alkali metals

Alkali Metals: Reactivity Trends

Alkali metals are Group 1 elements with one valence electron. They are soft, shiny metallic solids that are malleable, ductile, and good conductors of heat and electricity. Their melting points are unusually low for metals and drop as you move down the group. Density generally increases down the group, except for potassium. The trend in atomic size helps explain their behavior. Moving from lithium to cesium, each element has a higher principal quantum number, so the outer electron is farther...

halogens

Halogens: Trends and Reactions

Halogens are Group 17 nonmetals that show clear trends in structure and reactivity. At room temperature, fluorine and chlorine are gases, bromine is a liquid, and iodine is a solid. Astatine is highly unstable and radioactive, so most of its properties are still unknown because it has a very short half-life. Tennessine is a synthetic element that is also predicted to belong to this group. These elements do not usually exist as single atoms. Instead, they form diatomic molecules, which means...

noble gases

Noble Gases: Sources, Uses, and Reactions

Noble gases are the group 18 elements helium, neon, argon, krypton, xenon, and radon. They were called “noble” because they were once thought to be nonreactive. That idea changed in 1962, when Dr. Neil Bartlett at the University of British Columbia showed that this assumption was not fully correct. These gases occur in very small amounts in the atmosphere. Some natural gas contains 1–2% helium by mass. Helium is separated from natural gas by removing the condensable components, which leaves...

key terms and concepts

Learn why atomic radius changes across periods and groups, and how effective nuclear charge and shielding shape the size of atoms in the periodic table.

Periodic Trends in Atomic Size | JoVE K12

chemistry

JoVE Core Chemistry brings general chemistry concepts to life using concise and easy-to-understand animated video lessons. Plus, in the scientist-in-action videos, we demonstrate classical and original research experiments performed in today's laboratories worldwide.

Physical Science

PS.PSc.1.6

Pennsylvania State Academic Standards

Chemical Reactions

3.2.9-12.C

Structure and Properties of Matter

3.2.9-12.A

Louisiana Student Standards for Science

High School

Matter And Its Interactions

HS-PS1-1

HS-PS1-2

ohios-learning-standards-and-model-curriculum

Ohio’s Learning Standards and Model Curriculum

Study Of Matter

Periodic trends of the elements

Structure And Properties Of Matter

Periodic Table

Tennessee Academic Standards

Matter and Its Interactions

CHEM1.PS1.12

Virginia  Standards of Learning

HIgh School

CH.2

CH.2.b

CH.2.c

PS.2

PS.2.b

PS.4

PS.4.a

PS.4.b

Minnesota Academic Standards in Science

3.1.1 9C.2.1.1.1

Arizona Science Standards

HS.P1

HS.P1U1.1

new-jersey-student-learning-standards-for-science

New Jersey Student Learning Standards for Science

Texas Essential Knowledge and Skills

CHEM.5

CHEM.5.A

CHEM.5.C

CHEM.7

CHEM.7.A

Alabama Course of Study Science

9-12.C.1.1

9-12.C.1.1.e

motion-and-stability-forces-and-interactions

Motion and Stability: Forces and Interactions

9-12.C.2.2.f

9-12.PS.3.4.b

Next Generation Science Standards

Florida Department of Education

SC.912.P.8

SC.912.P.8.5

Chemistry and Physics

IPC.7

IPC.7.B

new-york-state-science-learning-standards

New York State Science Learning Standards

HS. Structure and Properties of Matter

HS-PS1-1.

HS. Chemical Reactions

HS-PS1-2.

Georgia Standards of Excellence

SPS1.

Periodic Table Trends

SC1.

periodic-table-trends-atomic-radii-ionization-and-electronegativity

Periodic Table Trends: Atomic Radii, Ionization, and Electronegativity

Scientific Laws and Theories

Scientific Laws

In science, a law is defined as a concise, verbal or mathematical, statement that summarizes a vast number of experimental observations. ...

The Scientific Method

Chemistry is an empirical science. Scientists often pose questions to understand the chemistry in everyday life and seek answers to these questions. To ...

Classifying Matter by State

Chemistry is the study of matter and the changes it undergoes. Matter is anything that has mass and occupies space. Matter is all around us; the air, ...

Classifying Matter by Composition

Matter: Pure Substances and Mixtures
According to its composition, the matter can be classified into two broad categories &mdash; pure substances and ...

The Atomic Theory of Matter

The earliest recorded discussion of the basic structure of matter comes from ancient Greek philosophers. Leucippus and Democritus argued that all matter ...

Subatomic Particles

Dalton was only partially correct about the particles that make up matter. All matter is composed of atoms, and atoms are composed of three smaller ...

Elements: Chemical Symbols and Isotopes

A chemical symbol is an abbreviation used to indicate an element or an atom of an element. For example, the symbol for mercury is Hg. The same symbol is ...

Use models to explain how the scientific understanding of atomic structure has evolved.

PS.Chm.1.1

Radioactivity and Nuclear Equations

Nuclear chemistry is the study of reactions that involve changes in nuclear structure. The nucleus of an atom is composed of protons and, except for ...

Types of Radioactivity

The most common types of radioactivity are &#945; decay, &#946; decay, &#947; decay, neutron emission, and electron capture.
Alpha (&#945;) decay is the ...

Nuclear Stability

Protons and neutrons, collectively called nucleons, are packed together tightly in a nucleus. With a radius of about 10&#8722;15 meters, a nucleus is ...

Nuclear Binding Energy

The difference between the calculated and experimentally measured masses is known as the mass defect of the atom. In the case of helium-4, the mass defect ...

Radioactive Decay and Radiometric Dating

Radioactivity is a spontaneous disintegration of an unstable nuclide and is a random process, as all the nuclei in the sample do not decay simultaneously. ...

Nuclear Fission

Many heavier elements with smaller binding energies per nucleon can decompose into more stable elements that have intermediate mass numbers and larger ...

Nuclear Power

Controlled nuclear fission reactions are used to generate electricity. Any nuclear reactor that produces power via the fission of uranium or plutonium by ...

Nuclear Fusion

The process of converting very light nuclei into heavier nuclei is also accompanied by the conversion of mass into large amounts of energy, a process ...

Nuclear Transmutation

Nuclear transmutation is the conversion of one nuclide into another. It can occur by the radioactive decay of a nucleus, or the reaction of a nucleus with ...

Use models to compare nuclear reactions including alpha decay, beta decay and gamma decay; nuclear fusion and nuclear fission.

PS.Chm.1.2

Atomic Orbitals

An atomic orbital represents the three-dimensional regions in an atom where an electron has the highest probability to reside. The radial distribution ...

The Pauli Exclusion Principle

The arrangement of electrons in the orbitals of an atom is called its electron configuration. We describe an electron configuration with a symbol that ...

The Energies of Atomic Orbitals

In an atom, the negatively charged electrons are attracted to the positively charged nucleus. In a multielectron atom, electron-electron repulsions are ...

The Aufbau Principle and Hund's Rule

To determine the electron configuration for any particular atom, we can build the structures in the order of atomic numbers. Beginning with hydrogen, and ...

electron-configuration-of-multielectron-atoms

Electron Configuration of Multielectron Atoms

The alkali metal sodium (atomic number 11) has one more electron than the neon atom. This electron must go into the lowest-energy subshell available, the ...

Use models to explain how electrons are distributed in atoms.

PS.Chm.1.3

Periodic Classification of the Elements

The periodic table arranges atoms based on increasing atomic number so that elements with the same chemical properties recur periodically. When their ...

The Periodic Table

As early chemists discovered more elements, they realized that various elements could be grouped by their similar chemical behaviors. One such grouping ...

Atomic Mass

Atoms &mdash; and the protons, neutrons, and electrons that compose them &mdash; are extremely small. For example, a carbon atom weighs less than 2 ...

Molar Mass

The identity of a substance is defined not only by the types of atoms or ions it contains but by the quantity of each type of atom or ion. For example, ...

Use the Periodic Table as a model to predict the relative properties of elements based on the pattern of valence electrons in the outermost energy levels of atoms.

PS.Chm.2.1

The elements in groups of the periodic table exhibit similar chemical behavior. This similarity occurs because the members of a group have the same number ...

Ionic Radii

Ionic radius is the measure used to describe the size of an ion. A cation always has fewer electrons and the same number of protons as the parent atom; it ...

Ionization Energy

The amount of energy required to remove the most loosely bound electron from a gaseous atom in its ground state is called its first ionization energy ...

Electron Affinity

The electron affinity (EA) is the energy change for adding an electron to a gaseous atom to form an anion (negative ion).



This process can be either ...

Construct an explanation to infer the atomic size, reactivity, electronegativity, and ionization energy of an element based on its position in the Periodic Table.

Types of Chemical Bonds

Chemical bonding theories were pioneered by American chemist Gilbert&#xA0;N. Lewis. He developed a model called the Lewis model to explain the type and ...

Lewis Symbols and the Octet Rule

Chemical bonds are complex interactions between two or more atoms or ions, which reduce the potential energy of the molecule. Gilbert N. Lewis developed a ...

Ionic Bonding and Electron Transfer

Ions are atoms or molecules bearing an electrical charge. A cation (a positive ion) forms when a neutral atom loses one or more electrons from its valence ...

The Born-Haber Cycle

Lattice Energy&#xA0;

An ionic compound is stable because of the electrostatic attraction between its positive and negative ions. The lattice energy of a ...

trends-in-lattice-energy-ion-size-and-charge

Trends in Lattice Energy: Ion Size and Charge

An ionic compound is stable because of the electrostatic attraction between its positive and negative ions. The lattice energy of a compound is a measure ...

Analyze and interpret data to explain the mechanisms and properties of the two main types of intramolecular (ionic and covalent) bonds.

PS.Chm.3.1

Analyze the structure of atoms and isotopes.

Periodic Trends in Atomic Size

Description

Transcript

Tags

More videos by Standards