8.2: Атомные радиусы и эффективный ядерный заряд

Элементы в группах периодической таблицы демонстрируют аналогичное химическое поведение. Это сходство происходит потому, что члены группы имеют одинаковое количество и распределение электронов в своих оболочках валентности.

В течение периода слева направо в ядро добавляется протон, а электрон — в валентную оболочку, с каждым последующим элементом. При движении вниз по элементам в группе ко+D85личество электронов в оболочке валентности остается постоянным, но основное квантовое число увеличивается каждый раз. Понимание электронной структуры элементов позволяет нам исследовать некоторые свойства, которые определяют их химическое поведение. Эти свойства периодически изменяются при изменении электронной структуры элементов.  

Изменение радиуса атома

Квантовая механическая картина затрудняет установление определенного размера атома. Однако существует несколько практических способов определения радиуса атомов и, таким образом, определения их относительных размеров, которые дают примерно одинаковые значения.

Атомный радиус в металлах составляет половину расстояния между центрами двух соседних атомов. Это половина расстояния между центрами связанных атомов для элементов, которые существуют как двухатомные молекулы.

Перемещение по периоду слева направо, как правило, каждый элемент имеет меньший радиус атома, чем предшествующий ему элемент. Это может показаться нелогичным, потому что это означает, что атомы с большим количеством электронов имеют меньший атомный радиус. Это можно объяснить на основе концепции эффективного ядерного заряда. В любом многоэлектронном атоме электроны внутренней оболочки частично экранируют электроны внешней оболочки от вытягивания ядра.  Таким образом, эффективный ядерный заряд, заряд, ощущаемый электроном, меньше фактического ядерного заряда (Z) и может быть оценен следующим образом:

Zeff = Z – σ         

Где Zeff — эффективный ядерный заряд, Z — фактический ядерный заряд, а σ — экранирующая константа , где экранирующая константа больше нуля, но меньше Z

Каждый раз, когда мы перемещаемся от одного элемента к другому в течение определенного периода времени, Z увеличивается на один, но экранирование увеличивается лишь незначительно. Таким образом, Zeff увеличивается по мере того, как мы двигаемся слева направо в течение определенного периода времени. Более сильное тяговое усилие (более высокий эффективный ядерный заряд), испытываемое электронами на правой стороне периодического стола, притягивает их ближе к ядру, делая радиусы атомов меньше.

Электроны ядра эффективно экранируют электроны на самом дальнем уровне от ядерного заряда, но крайние электроны неэффективно защищают друг друга от ядерного заряда. Чем больше эффективный ядерный заряд, тем сильнее удержание ядра на внешних электронах и тем меньше радиус атома.

Однако радиусы некоторых элементов перехода остаются примерно неизменными в каждой строке. Это связано с тем, что количество электронов в самом дальнем основном энергетическом уровне почти постоянно, и они испытывают практически постоянный эффективный ядерный заряд.

В течение каждого периода тренд атомного радиуса уменьшается по мере увеличения Z; в каждой группе тренд заключается в том, что атомный радиус увеличивается по мере увеличения Z.

Сканирование группы, основного квантового числа, n, увеличивается на единицу для каждого элемента. Таким образом, электроны добавляются в область пространства, которая все более удалена от ядра. Следовательно, размер атома (и его атомный радиус) должен увеличиться по мере увеличения расстояния от ядра до самых удаленных электронов. Эта тенденция иллюстрируется для атомных радиусов галогенов в таблице ниже.

Этот текст адаптирован из Openstax Химия 2е изд., раздел 6.5: Периодические изменения свойств элемента.

Размер атома определяется электронами или их орбиталями. Однако орбитали описывают не ограниченное пространство, а скорее статистическую вероятность того, где можно найти электрон. Итак, как определяется размер атома, и что на него влияет?

Атомный радиус можно описать двумя способами. Несвязывающий атомный радиус или ван-дер-ваальсов радиус атома составляет половину расстояния между соседними ядрами в атомной решетке. И наоборот, связующий атомный радиус или ковалентный радиус различается между металлами и неметаллами.

В металлах радиус описан для атомов в их кристаллической структуре как половина расстояния между центрами двух соседних атомов. В неметаллических двухатомных молекулах радиус описывается как половина расстояния между центрами связанных атомов. Периодическая таблица показывает вариации ковалентных радиусов, которые часто называют атомными радиусами, и на которые влияют два фактора;число основных энергетических уровней валентных электронов и эффективный заряд ядра.

Здесь изображена тенденция изменения атомных радиусов основных элементов группы по столбцам. При движении вниз по группе главное квантовое число n увеличивается на единицу для каждого элемента. Таким образом, по мере того как внешние электроны удаляются от ядра, атомный радиус увеличивается вниз по группе.

Например, при перемещении вниз по 1-й группе атомный радиус увеличивается от лития к цезию. Эта тенденция прослеживается по всей таблице Менделеева. Кроме того, график показывает, что атомный радиус максимален для каждого щелочного металла и падает до минимума для каждого благородного газа в периоде.

Уменьшение радиуса атомов в периоде можно объяснить эффективным зарядом ядра. Напомним понятие эффективного заряда ядра. В любом многоэлектронном атоме электроны внутренней оболочки частично экранируют электроны внешней оболочки от притяжения ядра.

Таким образом, эффективный заряд ядра, заряд, воспринимаемый внешним электроном, меньше, чем фактический заряд ядра. Электроны на одной валентной оболочке не очень эффективно экранируют друг друга. В периоде заряд ядра увеличивается, в то время как количество электронов на внутренней оболочке остается постоянным.

Таким образом, по мере того как эффективный заряд ядра увеличивается, экранирование внешних электронов становится меньше, и это приводит к уменьшению радиусов атомов. Однако радиусы большинства переходных элементов остаются примерно постоянными для каждого ряда. Это связано с тем, что количество электронов на внешнем основном энергетическом уровне почти постоянно.