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.