8.2: Promienie atomowe i efektywny ładunek jądrowy

Pierwiastki w grupach układu okresowego wykazują podobne zachowanie chemiczne. To podobieństwo występuje, ponieważ członkowie grupy mają taką samą liczbę i rozkład elektronów w swoich powłokach walencyjnych.

Przechodząc przez okres od lewej do prawej, proton jest dodawany do jądra i elektron do powłoki walencyjnej z każdym kolejnym pierwiastkiem. Schodząc w dół pierwiastków w grupie, liczba elektronów w powłoce walencyjnej pozostaje stała, ale główna liczba kwantowa za każdym razem wzrasta o jeden. Zrozumienie struktury elektronowej pierwiastków pozwala nam zbadać niektóre właściwości, które rządzą ich zachowaniem chemicznym. Właściwości te zmieniają się okresowo wraz ze zmianami struktury elektronowej pierwiastków. 

Zmienność promienia atomowego

Obraz mechaniki kwantowej utrudnia ustalenie określonej wielkości atomu. Istnieje jednak kilka praktycznych sposobów definiowania promienia atomów, a tym samym określania ich względnych rozmiarów, które dają mniej więcej podobne wartości.

Promień atomowy w metalach to połowa odległości między środkami dwóch sąsiednich atomów. Jest to połowa odległości między środkami związanych atomów dla pierwiastków, które istnieją jako cząsteczki dwuatomowe.

Poruszając się po okresie od lewej do prawej, na ogół każdy pierwiastek ma mniejszy promień atomowy niż pierwiastek go poprzedzający. Może się to wydawać sprzeczne z intuicją, ponieważ sugeruje, że atomy z większą liczbą elektronów mają mniejszy promień atomowy. Można to wyjaśnić w oparciu o koncepcję efektywnego ładunku jądrowego. W każdym 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 za pomocą następujących wskazówek:

Z_eff = Z – σ              

gdzie Z_eff jest efektywnym ładunkiem jądrowym, Z jest rzeczywistym ładunkiem jądrowym, a σ jest stałą ekranowania, gdzie stała ekranowania jest większa od zera, ale mniejsza od Z.

Za każdym razem, gdy przechodzimy z jednego żywiołu do drugiego w danym okresie, Z zwiększa się o jeden, ale tarcza zwiększa się tylko nieznacznie. W związku z tym Z_eff zwiększa się, gdy poruszamy się od lewej do prawej w okresie. Silniejsze przyciąganie (wyższy efektywny ładunek jądrowy) doświadczane przez elektrony po prawej stronie układu okresowego pierwiastków zbliża je do jądra, zmniejszając promienie atomowe.

Elektrony rdzenia skutecznie osłaniają elektrony na najbardziej zewnętrznym poziomie głównym przed ładunkiem jądrowym, ale najbardziej zewnętrzne elektrony nie osłaniają się skutecznie nawzajem przed ładunkiem jądrowym. Im większy efektywny ładunek jądrowy, tym silniejszy wpływ jądra na zewnętrzne elektrony i mniejszy promień atomowy.

Jednak promienie niektórych elementów przejściowych pozostają mniej więcej stałe w każdym rzędzie. Dzieje się tak dlatego, że liczba elektronów na najbardziej zewnętrznym głównym poziomie energetycznym jest prawie stała i doświadczają one mniej więcej stałego efektywnego ładunku jądrowego.

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.

Skanując grupę, główna liczba kwantowa, n, zwiększa się o jeden dla każdego pierwiastka. W ten sposób elektrony są dodawane do obszaru przestrzeni, który jest coraz bardziej odległy od jądra. W związku z tym rozmiar atomu (i jego promień atomowy) musi rosnąć wraz ze wzrostem odległości najbardziej zewnętrznych elektronów od jądra. Tendencja ta jest zilustrowana w poniższej tabeli dla promieni atomowych halogenów.

Ten tekst został zaadaptowany z Openstax Chemistry 2e, Sekcja 6.5: Okresowe zmiany właściwości pierwiastków.

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.