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8.2: 原子半径和有效核电荷
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原子半径和有效核电荷
 
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8.2: 原子半径和有效核电荷

元素周期表中各组的元素表现出相似的化学行为。之所以发生这种相似性,是因为一个基团的化合价壳中的电子数量和分布相同。

在从左到右的整个周期中,质子被添加到原子核,电子被添加到价壳,每个相继的元素。沿着一组中的元素向下,价壳中的电子数量保持恒定,但是主量子数每次增加一个。了解元素的电子结构后,我们可以检查一些控制其化学行为的特性。这些特性会随着元素的电子结构的变化而周期性变化。

原子半径的变化

量子力学图使得难以确定原子的确定大小。但是,有几种实用的方法可以定义原子的半径,从而确定原子的相对大小,从而给出大致相似的值。

金属中的原子半径是两个相邻原子的中心之间的距离的一半。对于以双原子分子形式存在的元素来说,它是键原子中心之间距离的一半。

通常,从左到右移动一个周期,每个元素的原子半径都比其前一个元素的原子半径小。这似乎违反直觉,因为这意味着具有更多电子的原子具有较小的原子半径。这可以根据有效核弹的概念来解释。在任何多电子原子中,内壳电子都部分屏蔽了外壳电子免受原子核的吸引。因此,有效核电荷,即电子感受到的电荷,比实际核电荷( Z )小,可以通过以下方式估算:

Z eff = Z – σ              

其中, Z eff 是有效核电荷, Z 是实际核电荷,σ是屏蔽常数,其中屏蔽常数大于零但小于Z

我们每次跨一个周期从一个元素移动到另一个元素时, Z 都会增加一个,但是屏蔽只会稍微增加。因此, Z eff 在整个周期中从左向右移动时都会增加。元素周期表右侧的电子受到的拉力(有效核电荷更高)使它们更靠近原子核,从而使原子半径更小。 核心电子有效地屏蔽了最外面的主能级中的电子免受核电荷,但是最外面的电子却没有有效地将彼此屏蔽。有效核电荷越大,原子核对外部电子的保持力越强,原子半径越小。

但是,某些过渡元素的半径在每一行中大致保持恒定。这是因为最外层主能级中的电子数量几乎是恒定的,并且它们会经历大致恒定的有效核电荷。

在每个周期内,原子半径的趋势随 Z 的增加而减小;在每个组中,趋势是原子半径随 Z 的增加而增加。

向下扫描一个基团,每个元素的主量子数 n 增加一个。因此,电子被添加到越来越远离原子核的空间区域。因此,随着我们增加最外层电子离原子核的距离,原子的大小(及其原子半径)必须增加。下表说明了卤素原子半径的趋势。

卤素族元素的原子半径
原子 原子半径 (pm) 核电荷, Z
F 64 9+
Cl 99 17+
Br 114 35+
I 133 53+
At 148 85+

 

本文改编自 Openstax 化学 2e ,第6.5节:元素属性的周期性变化。

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