8.2
Atomik Yarıçaplar ve Etkili Nükleer Yük
Periyodik tablonun gruplarındaki elementler benzer kimyasal davranış sergilerler. Bu benzerlik, bir grubun üyelerinin değerlik kabuklarında aynı sayıd…
Bir atomun boyutu elektronlar veya orbitalleri tarafından belirlenir. Bununla birlikte, orbitaller sınırlı bir alanı tanımlamaz, daha çok bir elektronun nerede bulunabileceğinin istatistiksel olasılığını tanımlar. Öyleyse atom büyüklüğü nasıl tanımlanır ve nelerden etkilenir?
Bir atom yarıçapı iki şekilde tanımlanabilir. Bağ yapmayan atom yarıçapı veya bir atomun van der Waals yarıçapı, atomik katıdaki bitişik çekirdekler arasındaki mesafenin yarısıdır. Tersine, bağ yapan atomik yarıçapı veya kovalent yarıçap, metaller ve ametaller için farklıdır.
Metallerde, kristal yapılarındaki atomlar için yarıçap, iki komşu atomun merkezleri arasındaki mesafenin yarısı olarak tanımlanır. Ametal, iki atomlu moleküllerde yarıçap, bağlı atomların merkezleri arasındaki mesafenin yarısı olarak tanımlanır. Periyodik tablo, genellikle atom yarıçapları olarak adlandırılan ve iki faktörden etkilenen kovalent yarıçaplardaki varyasyonları gösterir;değerlik elektronlarının temel enerji seviyelerinin sayısı ve efektif nükleer yük.
Sütunların altındaki ana grup elementlerinin atom yarıçapındaki trend burada görülür. Bir grup aşağıya inerken, temel kuantum sayısı n, her element için bir artar. Böylece, dış elektronlar çekirdekten uzaklaştıkça atom yarıçapı grup içinde artar.
Örneğin, grup 1'in altlarına inerken atom yarıçapı lityumdan sezyuma doğru artar. Bu trend, tüm periyodik tabloda görülmektedir. Ayrıca, grafik atom yarıçapının her alkali metal için maksimum olduğunu ve periyod boyunca her soy gazla minimuma düştüğünü ortaya koymaktadır.
Bir periyod boyunca azalan atom yarıçapları, efektif nükleer yük ile açıklanabilir. Efektif nükleer yük kavramını hatırlayalım. Herhangi bir çok elektronlu atomda, iç kabuk elektronları, çekirdeğin çekiminden dış kabuk elektronlarını kısmen perdeler.
Bu nedenle, efektif nükleer yük, yani dış elektronun hissettiği yük, gerçek nükleer yükten daha azdır. Aynı değerlik kabuğundaki elektronlar birbirlerini çok etkili bir şekilde perdelemez. Periyod boyunca, iç kabuk elektronlarının sayısı sabit kalırken nükleer yük artar.
Böylece, etkili nükleer yük giderek artarken, dış elektronların koruması azalır ve bu, atom yarıçapında bir azalmaya yol açar. Bununla birlikte, çoğu geçiş elementinin yarıçapı her sırada neredeyse sabittir. Bunun nedeni, en dıştaki temel enerji seviyesindeki elektron sayısının neredeyse sabit olmasıdır.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: What is the difference between van der Waals radius and covalent radius?
Van der Waals radius, or nonbonding atomic radius, is one-half the distance between adjacent nuclei in atomic solids. Covalent radius, or bonding atomic radius, differs for metals and nonmetals. In metals, it's one-half the distance between neighboring atom centers in crystal structures. In nonmetal diatomic molecules, it's one-half the distance between bonded atom centers.
Q2: Why does atomic radius increase when moving down a group in the periodic table?
As you move down a group, the principal quantum number increases by one for each element, placing outer electrons farther from the nucleus. Although nuclear charge increases, the additional inner shell electrons shield outer electrons more effectively. This greater distance outweighs the increased nuclear charge, causing atomic radius to increase down the group.
Q3: How does effective nuclear charge explain the decrease in atomic radius across a period?
Across a period, nuclear charge increases while the number of inner shell electrons remains constant. Outer electrons in the same valence shell do not shield each other effectively. As effective nuclear charge increases, the nucleus pulls outer electrons closer, decreasing atomic radius. This stronger pull creates the periodic trend of decreasing size from left to right.
Q4: What role does electron shielding play in determining atomic size?
Inner shell electrons partially shield outer shell electrons from the nucleus's pull, reducing the effective nuclear charge felt by valence electrons. Core electrons shield efficiently, but outermost electrons do not shield one another effectively. The greater the effective nuclear charge after accounting for shielding, the stronger the nucleus holds outer electrons, resulting in a smaller atomic radius.
Q5: Why do transition elements have relatively constant atomic radii across a row?
Transition elements maintain roughly constant atomic radii across each row because the number of electrons in the outermost principal energy level remains nearly constant. Although nuclear charge increases, the additional electrons enter inner d orbitals, not the valence shell. This results in a roughly constant effective nuclear charge experienced by outer electrons.
Q6: How do alkali metals compare in size within their group?
Alkali metals show maximum atomic radius at the beginning of each period. Moving down group 1 from lithium to cesium, atomic radius increases significantly. This trend reflects the increasing principal quantum number for valence electrons, placing them progressively farther from the nucleus despite increasing nuclear charge.
Q7: What determines whether an atom's size is defined by bonding or nonbonding radius?
Bonding radius applies when atoms form covalent bonds, measured as one-half the distance between bonded atom centers in molecules or crystal structures. Nonbonding radius applies to isolated atoms in solids, measured as one-half the distance between adjacent nuclei. The choice depends on whether atoms are chemically bonded or simply in contact within a solid structure.