8.3: Ионные радиусы

Ионный радиус - это мера, используемая для описания размера иона. Катион всегда имеет меньше электронов и столько же протонов, что и родительский атом; он меньше атома, из которого он образован. Например, ковалентный радиус атома алюминия (1 s ² 2 s ² 2 p ⁶3s²3p ¹ ) - 118 пм, тогда как ионный радиус Al ³⁺ (1 s ² 2 s ² 2 p ⁶ ) - 68 пм. Поскольку электроны удаляются из внешней валентной оболочки, оставшиеся электроны остовы, занимающие меньшие оболочки, испытывают больший эффективный ядерный заряд Z _eff и притягиваются еще ближе к ядру.

Катионы с большим зарядом меньше катионов с меньшим зарядом (например, V ²⁺ имеет ионный радиус 79 пм, а V ³⁺ - 64 пм). Двигаясь вниз по группам периодической таблицы, катионы последовательных элементов с одинаковым зарядом обычно имеют больший радиус, соответствующий увеличению главного квантового числа, n .

Анион (отрицательный ион) образуется при добавлении одного или нескольких электронов к валентной оболочке атома. Это приводит к большему отталкиванию электронов и уменьшению Z_eff на электрон. Оба эффекта (увеличение количества электронов и уменьшение Z_eff) приводят к тому, что радиус аниона превышает радиус родительского атома. Например, атом серы ([Ne]3s23p4) имеет ковалентный радиус 104 часов, в то время как ионный радиус сульфидного аниона ([Ne]3s²3p⁴) составляет 170 пм. Для последовательных элементов, идущих вниз по любой группе, анионы имеют большие основные квантовые числа и, таким образом, более большие радиусы.

Атомы и ионы, имеющие одинаковую конфигурацию электронов, как говорят, являются изоэлектронными. Примерами изоэлектронных видов являются N^3–, O^2–, F^–, Ne, Na⁺, Mg2⁺ и Al3⁺ (1s22s22p6). Другая изоэлектронна серия - P^3–, S^2–, Cl^–, Ar, K⁺, Ca²⁺, и Sc³⁺ ([Ne]3s²3p⁶). Для атомов или ионов, которые являются изоэлектронными, размер определяется количеством протонов. Чем больше ядерный заряд, тем меньше радиус в серии изоэлектронных ионов и атомов.

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

Ионный радиус это радиус катиона или аниона, определяемый расстоянием между ионами в ионном соединении. Катионы меньше, чем родительский атом, а анионы больше. Как и атомные радиусы, ионные радиусы определяются количеством электронов, орбиталями, удерживающими валентные электроны, и зарядом ядра.

Рассмотрим литий, электронная конфигурация которого состоит из гелиевого ядра и одного крайнего 2s-электрона. 2s-электрон экранирован от заряда ядра двумя 1s-электронами и вносит вклад в атомный радиус в 152 пикометра. При потере внешнего 2s-электрона образуется катион лития, который имеет меньше электронов, но такое же количество протонов, как и родительский атом.

Два 1s-электроны удерживаются ближе к ядру, потому что они воспринимают больший эффективный ядерный заряд, чем 2s-электрон. Таким образом, ионный радиус катиона лития составляет 60 пикометров, что намного меньше, чем у родительского атома. Эта тенденция обычно наблюдается для всех катионов металлов и их родительских атомов.

Напротив, анионы больше, чем их родительские атомы. Когда атом фтора принимает электрон, появляется дополнительный крайний электрон, но количество протонов и, следовательно, заряд ядра остается прежним. Повышенное отталкивание электронов заставляет электроны больше распространяться в пространстве.

Таким образом, фторид-анион имеет радиус 136 пикометров, что намного больше, чем у родительского атома. В общем, ионный радиус для элементов s-и p-блока увеличивается вниз по столбцу, поскольку количество основных энергетических уровней и, следовательно, количество орбиталей, увеличивается. А как насчет группы атомов и ионов с одинаковым числом электронов?

Они называются изоэлектронными сериями и могут быть упорядочены путем увеличения атомного номера. Каждый член изображенной изоэлектронной серии имеет 18 электронов. Однако они различаются количеством протонов.

У сульфид-иона 16 протонов, притягивающих 18 электронов, а у иона кальция 20 протонов, притягивающих такое же количество электронов. Таким образом, кальций с большим количеством протонов может притягивать электроны к ядру гораздо ближе, чем сульфид, в результате ион кальция меньше, чем ион сульфида. Чем больше заряд ядра, тем меньше радиус, хотя добавление электронной оболочки нарушает эту тенденцию.

Тем не менее, сульфид самый большой, а кальций самый маленький ион в этой серии.