Atomový poloměr - Atomic radius

The atomový poloměr a chemický prvek je měřítkem jeho velikosti atomy, obvykle střední nebo typická vzdálenost od středu jádro na hranici okolí mušle z elektrony. Protože hranice není dobře definovanou fyzickou entitou, existují různé neekvivalentní definice atomového poloměru. Tři široce používané definice atomového poloměru jsou: Van der Waalsův poloměr, iontový poloměr, a kovalentní poloměr.
V závislosti na definici se tento výraz může vztahovat pouze na izolované atomy nebo také na atomy v kondenzovaná hmota, kovalentně se lepit v molekuly, nebo v ionizovaný a vzrušené stavy; a jeho hodnotu lze získat experimentálními měřeními nebo vypočítat z teoretických modelů. Hodnota poloměru může záviset na stavu a kontextu atomu.[1]
Elektrony nemají určité dráhy ani ostře definované rozsahy. Jejich pozice musí být spíše popsána jako rozdělení pravděpodobnosti které se postupně zmenšují, když se člověk vzdaluje od jádra, bez ostrého omezení; tito jsou odkazoval se na jako atomové orbitaly nebo elektronové mraky. Navíc v kondenzované hmotě a molekulách se elektronové mraky atomů do určité míry obvykle překrývají a některé z elektronů se mohou pohybovat po velké oblasti zahrnující dva nebo více atomů.
Podle většiny definic se poloměry izolovaných neutrálních atomů pohybují mezi 30 a 300 odpoledne (biliony metru) nebo mezi 0,3 a 3 ångströms. Poloměr atomu je tedy více než 10 000krát větší než poloměr jeho jádra (1–10 fm ),[2] a méně než 1/1000 z vlnová délka viditelné světlo (400–700 nm ).

Pro mnoho účelů lze atomy modelovat jako koule. Toto je pouze hrubá aproximace, ale může poskytnout kvantitativní vysvětlení a předpovědi pro mnoho jevů, jako je hustota kapalin a pevných látek, difúze kapalin molekulární síta, uspořádání atomů a iontů v krystaly a velikost a tvar molekul.[Citace je zapotřebí ]
Atomové poloměry se liší předvídatelným a vysvětlitelným způsobem v celém světě periodická tabulka. Například poloměry obecně klesají podél každého období (řádku) tabulky, od alkalické kovy do vzácné plyny; a zvětšit každou skupinu (sloupec). Poloměr prudce stoupá mezi vzácným plynem na konci každého období a alkalickým kovem na začátku dalšího období. Tyto trendy atomových poloměrů (a různých dalších chemických a fyzikálních vlastností prvků) lze vysvětlit pomocí elektronový obal teorie atomu; poskytli důležité důkazy pro vývoj a potvrzení kvantová teorie. Atomové poloměry se v Periodické tabulce zmenšují, protože jak se zvyšuje atomové číslo, zvyšuje se počet protonů v průběhu periody, ale další elektrony se přidávají pouze do stejné kvantové skořápky. Proto se zvyšuje efektivní jaderný náboj směrem k nejvzdálenějším elektronům a přibližuje nejvzdálenější elektrony. Výsledkem je, že elektronový mrak se smršťuje a atomový poloměr se zmenšuje.
Dějiny
V roce 1920, krátce poté, co bylo možné určit velikost atomů pomocí Rentgenová krystalografie, bylo navrženo, aby všechny atomy stejného prvku měly stejné poloměry.[3] Avšak v roce 1923, kdy bylo k dispozici více dat o krystalu, bylo zjištěno, že aproximace atomu jako koule nemusí nutně platit při srovnání stejného atomu v různých krystalových strukturách.[4]
Definice
Široce používané definice atomového poloměru zahrnují:
- Van der Waalsův poloměr: v zásadě polovina minimální vzdálenosti mezi jádry dvou atomů prvku, které nejsou vázány na stejnou molekulu.[5]
- Iontový poloměr: jmenovitý poloměr iontů prvku ve specifickém ionizačním stavu, odvozený z rozestupu atomových jader v krystalických solích, které tento iont obsahují. V zásadě platí, že vzdálenost mezi dvěma sousedícími opačně nabitými ionty ( délka z iontová vazba mezi nimi) by se měl rovnat součtu jejich iontových poloměrů.[5]
- Kovalentní poloměr: jmenovitý poloměr atomů prvku, když kovalentně vázán na jiné atomy, jak je odvozeno z oddělení mezi atomovými jádry v molekulách. V zásadě by se vzdálenost mezi dvěma atomy, které jsou navzájem vázány v molekule (délka této kovalentní vazby), měla rovnat součtu jejich kovalentních poloměrů.[5]
- Kovový poloměr: jmenovitý poloměr atomů prvku, když je spojen s jinými atomy pomocí kovové vazby.[Citace je zapotřebí ]
- Bohrův poloměr: poloměr oběžné dráhy elektronu s nejnižší energií předpovídaný Bohrův model atomu (1913).[6][7] Je použitelný pouze pro atomy a ionty s jediným elektronem, jako je vodík, samostatně ionizovaný hélium, a pozitronium. Ačkoli samotný model je nyní zastaralý, Bohrův poloměr pro atom vodíku je stále považován za důležitou fyzikální konstantu.
Empiricky měřený atomový poloměr
Následující tabulka ukazuje empiricky měřené kovalentní poloměry pro prvky, jak zveřejnil J. C. Slater v roce 1964.[8] Hodnoty jsou v pikometry (pm nebo 1 × 10−12 m), s přesností asi 17 hodin. Stín rámečku se pohybuje od červené do žluté při zvětšování poloměru; šedá označuje nedostatek dat.
Skupina (sloupec) | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | |
Doba (řádek) | |||||||||||||||||||
1 | H 25 | On | |||||||||||||||||
2 | Li 145 | Být 105 | B 85 | C 70 | N 65 | Ó 60 | F 50 | Ne | |||||||||||
3 | Na 180 | Mg 150 | Al 125 | Si 110 | P 100 | S 100 | Cl 100 | Ar | |||||||||||
4 | K. 220 | Ca. 180 | Sc 160 | Ti 140 | PROTI 135 | Cr 140 | Mn 140 | Fe 140 | Spol 135 | Ni 135 | Cu 135 | Zn 135 | Ga 130 | Ge 125 | Tak jako 115 | Se 115 | Br 115 | Kr | |
5 | Rb 235 | Sr 200 | Y 180 | Zr 155 | Pozn 145 | Mo 145 | Tc 135 | Ru 130 | Rh 135 | Pd 140 | Ag 160 | CD 155 | v 155 | Sn 145 | Sb 145 | Te 140 | Já 140 | Xe | |
6 | Čs 260 | Ba 215 | * | Hf 155 | Ta 145 | Ž 135 | Re 135 | Os 130 | Ir 135 | Pt 135 | Au 135 | Hg 150 | Tl 190 | Pb 180 | Bi 160 | Po 190 | Na | Rn | |
7 | Fr. | Ra 215 | ** | Rf | Db | Sg | Bh | Hs | Mt. | Ds | Rg | Cn | Nh | Fl | Mc | Lv | Ts | Og | |
Lanthanidy | * | Los Angeles 195 | Ce 185 | Pr 185 | Nd 185 | Odpoledne 185 | Sm 185 | Eu 185 | Gd 180 | Tb 175 | Dy 175 | Ho 175 | Er 175 | Tm 175 | Yb 175 | Lu 175 | |||
Aktinidy | ** | Ac 195 | Čt 180 | Pa 180 | U 175 | Np 175 | Pu 175 | Dopoledne 175 | Cm | Bk | Srov | Es | Fm | Md | Ne | Lr | |||
Vysvětlení obecných trendů

Způsob, jakým se atomový poloměr mění, se zvyšuje protonové číslo lze vysvětlit uspořádáním elektronů ve skořápkách pevné kapacity. Mušle jsou obvykle vyplňovány v pořadí zvětšujícího se poloměru, protože záporně účtováno elektrony jsou přitahovány kladně nabitými protony v jádře. Jak se atomové číslo zvyšuje podél každého řádku periodické tabulky, další elektrony jdou do stejné vnější skořápky; jejichž poloměr se postupně zmenšuje v důsledku zvyšujícího se jaderného náboje. V ušlechtilém plynu je vnější plášť zcela naplněn; proto další elektron dalšího alkalického kovu půjde do dalšího vnějšího obalu, což odpovídá náhlému nárůstu poloměru atomu.
Rostoucí jaderný náboj je částečně vyvážen rostoucím počtem elektronů, což je jev známý jako stínění; což vysvětluje, proč se velikost atomů obvykle zvyšuje v každém sloupci. Existuje však jedna významná výjimka, známá jako lanthanoidová kontrakce: 5d blok prvků je mnohem menší, než by člověk očekával, kvůli slabému stínění elektronů 4f.
Atomový poloměr v podstatě klesá v průběhu období kvůli rostoucímu počtu protonů. Proto existuje větší přitažlivost mezi protony a elektrony, protože opačné náboje přitahují, a více protonů vytváří silnější náboj. Větší přitažlivost přitahuje elektrony blíže k protonům a zmenšuje velikost částice. Atomový poloměr se proto zmenšuje. Ve skupinách se zvyšuje atomový poloměr. Je to proto, že existuje více energetických úrovní, a proto je větší vzdálenost mezi protony a elektrony. Navíc elektronové stínění způsobuje pokles přitažlivosti, takže zbývající elektrony mohou jít dále od kladně nabitého jádra. Proto se zvětšuje velikost (atomový poloměr).
Následující tabulka shrnuje hlavní jevy, které ovlivňují atomový poloměr prvku:
faktor | zásada | zvýšit s ... | mají tendenci | vliv na poloměr |
---|---|---|---|---|
elektronové skořápky | kvantová mechanika | hlavní a azimutální kvantová čísla | zvětšit každý sloupec | zvyšuje atomový poloměr |
atomový náboj | atraktivní síla působící na elektrony protony v jádře | protonové číslo | zvýšit v každém období (zleva doprava) | zmenšuje poloměr atomu |
stínění | odpudivá síla působící na nejvzdálenější elektrony pláště vnitřními elektrony | počet elektronů ve vnitřních skořápkách | snížit účinek 2. faktoru | zvyšuje atomový poloměr |
Lanthanidová kontrakce
Elektrony v 4f-subshell, který se postupně plní od cer (Z = 58) až lutetium (Z = 71), nejsou zvláště účinné při ochraně rostoucího jaderného náboje od dílčích skořápek dále. Prvky bezprostředně následující po lanthanoidy mají atomové poloměry, které jsou menší, než by se dalo očekávat, a které jsou téměř identické s atomovými poloměry prvků bezprostředně nad nimi.[9] Proto hafnium má prakticky stejný atomový poloměr (a chemii) jako zirkonium, a tantal má atomový poloměr podobný niob, a tak dále. Účinek lanthanidové kontrakce je znatelný až Platina (Z = 78), poté je maskováno a relativistický efekt známý jako efekt inertního páru.
Kvůli kontrakci lanthanoidů lze vyvodit 5 následujících pozorování:
- Velikost Ln3+ ionty pravidelně klesají s atomovým číslem. Podle Fajanova pravidla, zmenšení velikosti Ln3+ ionty zvyšují kovalentní charakter a snižují základní charakter mezi Ln3+ a OH− ionty v Ln (OH)3, do té míry, že Yb (OH)3 a Lu (OH)3 se může obtížně rozpustit v horkém koncentrovaném NaOH. Proto je pořadí velikosti Ln3+ je dáno:
Los Angeles3+ > Ce3+ > ..., ...> Lu3+. - Pravidelně se snižuje jejich iontový poloměr.
- Pravidelně klesá jejich tendence působit jako redukční činidlo se zvyšováním atomového čísla.
- Druhá a třetí řada přechodových prvků d-bloku jsou si velmi blízké ve vlastnostech.
- V důsledku toho se tyto prvky vyskytují společně v přírodních minerálech a je obtížné je oddělit.
kontrakce d-bloku
Kontrakce d-bloku je méně výrazná než kontrakce lanthanoidu, ale vzniká z podobné příčiny. V tomto případě je to špatná stínící schopnost 3d-elektronů, která ovlivňuje atomové poloměry a chemii prvků bezprostředně následujících po první řadě přechodné kovy, z galium (Z = 31) až bróm (Z = 35).[9]
Vypočtené atomové poloměry
V následující tabulce jsou uvedeny atomové poloměry vypočítané z teoretických modelů publikovaných autorem Enrico Clementi a další v roce 1967.[10] Hodnoty jsou v pikometrech (pm).
Skupina (sloupec) | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | |
Doba (řádek) | |||||||||||||||||||
1 | H 53 | On 31 | |||||||||||||||||
2 | Li 167 | Být 112 | B 87 | C 67 | N 56 | Ó 48 | F 42 | Ne 38 | |||||||||||
3 | Na 190 | Mg 145 | Al 118 | Si 111 | P 98 | S 88 | Cl 79 | Ar 71 | |||||||||||
4 | K. 243 | Ca. 194 | Sc 184 | Ti 176 | PROTI 171 | Cr 166 | Mn 161 | Fe 156 | Spol 152 | Ni 149 | Cu 145 | Zn 142 | Ga 136 | Ge 125 | Tak jako 114 | Se 103 | Br 94 | Kr 88 | |
5 | Rb 265 | Sr 219 | Y 212 | Zr 206 | Pozn 198 | Mo 190 | Tc 183 | Ru 178 | Rh 173 | Pd 169 | Ag 165 | CD 161 | v 156 | Sn 145 | Sb 133 | Te 123 | Já 115 | Xe 108 | |
6 | Čs 298 | Ba 253 | * | Hf 208 | Ta 200 | Ž 193 | Re 188 | Os 185 | Ir 180 | Pt 177 | Au 174 | Hg 171 | Tl 156 | Pb 154 | Bi 143 | Po 135 | Na 127 | Rn 120 | |
7 | Fr. | Ra | ** | Rf | Db | Sg | Bh | Hs | Mt. | Ds | Rg | Cn | Nh | Fl | Mc | Lv | Ts | Og | |
Lanthanidy | * | Los Angeles 226 | Ce 210 | Pr 247 | Nd 206 | Odpoledne 205 | Sm 238 | Eu 231 | Gd 233 | Tb 225 | Dy 228 | Ho 226 | Er 226 | Tm 222 | Yb 222 | Lu 217 | |||
Aktinidy | ** | Ac | Čt | Pa | U | Np | Pu | Dopoledne | Cm | Bk | Srov | Es | Fm | Md | Ne | Lr |
Poznámky
- Rozdíl mezi empirickými a experimentálními daty: Empirickými daty se v zásadě rozumí „pocházející nebo založené na pozorování nebo zkušenosti“ nebo „spoléhání se na samotnou zkušenost nebo pozorování bez náležitého zohlednění systémových a teoretických údajů“.[11] V podstatě to znamená, že jste to měřili fyzickým pozorováním a generováním mnoha experimentů stejné výsledky. Přesto si všimněte, že hodnoty jsou nepočítá podle vzorce. Empirické výsledky se však často stávají rovnicí odhadu. Experimentální data jsou na druhé straně založena pouze na teoriích. Takové teoretické předpovědi jsou užitečné, když neexistují žádné způsoby experimentálního měření poloměrů, pokud chcete předpovědět poloměr prvku, který ještě nebyl objeven, nebo má příliš krátký poločas.
Viz také
- Atomové poloměry prvků (datová stránka)
- Chemická vazba
- Kovalentní poloměr
- Délka vazby
- Sterická překážka
- Kinetický průměr
Reference
- ^ Cotton, F. A .; Wilkinson, G. (1988). Pokročilá anorganická chemie (5. vydání). Wiley. p. 1385. ISBN 978-0-471-84997-1.
- ^ Basdevant, J.-L .; Rich, J .; Spiro, M. (2005). Základy jaderné fyziky. Springer. p. 13, obr. 1.1. ISBN 978-0-387-01672-6.
- ^ Bragg, W. L. (1920). „Uspořádání atomů v krystalech“. Filozofický časopis. 6. 40 (236): 169–189. doi:10.1080/14786440808636111.
- ^ Wyckoff, R. W. G. (1923). „K hypotéze konstantních atomových poloměrů“. Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. 9 (2): 33–38. Bibcode:1923PNAS ... 9 ... 33W. doi:10.1073 / pnas.9.2.33. PMC 1085234. PMID 16576657.
- ^ A b C Pauling, L. (1945). Povaha chemické vazby (2. vyd.). Cornell University Press. LCCN 42034474.
- ^ Bohr, N. (1913). „O ústavě atomů a molekul, část I. - Vazba elektronů kladnými jádry“ (PDF). Filozofický časopis. 6. 26 (151): 1–24. Bibcode:1913PMag ... 26 .... 1B. doi:10.1080/14786441308634955. Citováno 8. června 2011.
- ^ Bohr, N. (1913). „O ústavě atomů a molekul, část II. - Systémy obsahující pouze jedno jádro“ (PDF). Filozofický časopis. 6. 26 (153): 476–502. Bibcode:1913PMag ... 26..476B. doi:10.1080/14786441308634993. Citováno 8. června 2011.
- ^ Slater, J. C. (1964). "Atomové poloměry v krystalech". Journal of Chemical Physics. 41 (10): 3199–3205. Bibcode:1964JChPh..41.3199S. doi:10.1063/1.1725697.
- ^ A b Jolly, W. L. (1991). Moderní anorganická chemie (2. vyd.). McGraw-Hill. p. 22. ISBN 978-0-07-112651-9.
- ^ Clementi, E .; Raimond, D. L .; Reinhardt, W. P. (1967). "Atomové screeningové konstanty z funkcí SCF. II. Atomy s 37 až 86 elektrony". Journal of Chemical Physics. 47 (4): 1300–1307. Bibcode:1967JChPh..47.1300C. doi:10.1063/1.1712084.
- ^ https://www.merriam-webster.com/dictionary/empirical