8.2
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 s…
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.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: What is the difference between van der Waals radius and covalent radius?
Van der Waals radius, or nonbonding atomic radius, is one-half the distance between adjacent nuclei in atomic solids. Covalent radius, or bonding atomic radius, differs for metals and nonmetals. In metals, it's one-half the distance between neighboring atom centers in crystal structures. In nonmetal diatomic molecules, it's one-half the distance between bonded atom centers.
Q2: Why does atomic radius increase when moving down a group in the periodic table?
As you move down a group, the principal quantum number increases by one for each element, placing outer electrons farther from the nucleus. Although nuclear charge increases, the additional inner shell electrons shield outer electrons more effectively. This greater distance outweighs the increased nuclear charge, causing atomic radius to increase down the group.
Q3: How does effective nuclear charge explain the decrease in atomic radius across a period?
Across a period, nuclear charge increases while the number of inner shell electrons remains constant. Outer electrons in the same valence shell do not shield each other effectively. As effective nuclear charge increases, the nucleus pulls outer electrons closer, decreasing atomic radius. This stronger pull creates the periodic trend of decreasing size from left to right.
Q4: What role does electron shielding play in determining atomic size?
Inner shell electrons partially shield outer shell electrons from the nucleus's pull, reducing the effective nuclear charge felt by valence electrons. Core electrons shield efficiently, but outermost electrons do not shield one another effectively. The greater the effective nuclear charge after accounting for shielding, the stronger the nucleus holds outer electrons, resulting in a smaller atomic radius.
Q5: Why do transition elements have relatively constant atomic radii across a row?
Transition elements maintain roughly constant atomic radii across each row because the number of electrons in the outermost principal energy level remains nearly constant. Although nuclear charge increases, the additional electrons enter inner d orbitals, not the valence shell. This results in a roughly constant effective nuclear charge experienced by outer electrons.
Q6: How do alkali metals compare in size within their group?
Alkali metals show maximum atomic radius at the beginning of each period. Moving down group 1 from lithium to cesium, atomic radius increases significantly. This trend reflects the increasing principal quantum number for valence electrons, placing them progressively farther from the nucleus despite increasing nuclear charge.
Q7: What determines whether an atom's size is defined by bonding or nonbonding radius?
Bonding radius applies when atoms form covalent bonds, measured as one-half the distance between bonded atom centers in molecules or crystal structures. Nonbonding radius applies to isolated atoms in solids, measured as one-half the distance between adjacent nuclei. The choice depends on whether atoms are chemically bonded or simply in contact within a solid structure.