Promienie atomowe i efektywny ładunek jądrowy

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.