نصف القطر الذرّي والشحن النووي الفعّال

تعرض العناصر الموجودة في مجموعات الجدول الدوري سلوكاً كيميائياً مشابهاً. يحدث هذا التشابه لأن أعضاء المجموعة لديهم نفس عدد الإلكترونات وتوزيعها في أصداف التكافؤ الخاصة بهم.

بالمرور من اليسار إلى اليمين، تتم إضافة البروتون إلى النواة والإلكترون إلى غلاف التكافؤ مع كل عنصر متتالي. عند النزول إلى العناصر في مجموعة ما، يظل عدد الإلكترونات في غلاف التكافؤ ثابتاً، ولكن العدد الكمي الرئيسي يزداد بمقدار واحد في كل مرة. يتيح لنا فهم البنية الإلكترونية للعناصر فحص بعض الخصائص التي تحكم سلوكها الكيميائي. وتتباين هذه الخصائص بشكل دوري مع تغير الهيكل الإلكتروني للعناصر.  

الاختلاف في نصف القطر الذري

إن الصورة الميكانيكية الكمّية تجعل من الصعب تحديد حجم ذرة معين. ومع ذلك، هناك العديد من الطرق العملية لتحديد نصف قطر الذرات، وبالتالي تحديد أحجامها النسبية التي تعطي قيماً متشابهة تقريباً.

نصف القطر الذري للمعادن هو نصف المسافة بين مركزي ذرتين متجاورتين. وهو نصف المسافة بين مراكز الذرات المترابطة للعناصر الموجودة كجزيئات ثنائية الذرة.

وبالانتقال الدوري من اليسار إلى اليمين، يكون نصف قطر كل عنصر ذري أصغر من نصف قطر العنصر الذي يسبقه. قد يبدو هذا غير بديهي لأنه يعني ضمناً أن الذرات التي تحتوي على المزيد من الإلكترونات لها نصف قطر ذري أصغر. وبوسعنا أن نفسر هذا استناداً إلى مفهوم الشحن النووي الفعّال. في أي ذرة متعددة الإلكترونات، تقوم إلكترونات الذرات الداخلية بحمايتها بشكل جزئي من قوة سحب النواة.  وبالتالي، فإن الشحنة النووية الفعلية، التي يشعر بها الإلكترون، أقل من الشحنة النووية الفعلية (Z) ويمكن تقديرها بما يلي:

Z_eff = Z – σ              

حيث يعتبر Z_eff هو الشحن النووي الفعال، و Z هي الشحنة النووية الفعلية، بينما يمثل نظام مجموعة الثمانية قيمة ثابت التدرع ، حيث يكون ثابت الدرع أكبر من صفر ولكنه أصغر من Z.

في كل مرة نتحرك فيها من عنصر إلى آخر دوريّاً، تزيد Z بمقدار عنصر واحد، ولكن التدرع يزداد قليلاً فقط. وهكذا فإن Z_eff يزداد مع انتقالنا من اليسار إلى اليمين دوريّاً. إن قوة الجذب (الشحنة النووية الأعلى فعالية) التي واجهتها الإلكترونات على الجانب الأيمن من الجدول الدوري تقربها إلى النواة، مما يجعل الإشعاع الذري أصغر.

تعمل الإلكترونات الأساسية على حماية الإلكترونات بكفاءة في المستوى الخارجي الرئيسي من الشحنة النووية، ولكن معظم الإلكترونات الخارجية لا تحمي بعضها البعض من الشحنة النووية بشكل فعال. وكلما كان الشحن النووي الفاعل أكبر، كلما كانت قوة حمل النواة على الإلكترونات الخارجية أكبر، وكلما قل نصف القطر الذري.

مع ذلك، يظل شعاع بعض عناصر الانتقال ثابتًا تقريبًا عبر كل صف. ويرجع هذا إلى أن عدد الإلكترونات في أعلى مستوى طاقة رئيسي ثابت تقريبًا، وهي تواجه شحنة نووية فعالة بشكل ثابت تقريبًا.

في كل فترة، ينخفض الاتجاه في نصف القطر الذري بزيادة Z؛  وفي كل مجموعة، يزداد نصف القطر الذري مع زيادة Z.

المسح الضوئي لأسفل مجموعة ما، نرى أن الرقم الكمي الرئيسيn يزداد بمقدار واحد لكل عنصر. وبالتالي، تتم إضافة الإلكترونات إلى منطقة فضاء تكون بعيدة بشكل متزايد عن النواة. وبالتالي، يجب أن يزداد حجم الذرة (ونصف قطرها الذري) مع زيادة مسافة الإلكترونات الأبعد عن النواة. ويتبين هذا الاتجاه بالنسبة للنديان الذرية من الهالوجينات في الجدول أدناه.

هذا النص مقتبس من Openstax Chemistry 2e, Section 6.5: Periodic Variations in Element Properties.