Raza atomului

Raza unui atom  este distanța dintre nucleul atomic și cea mai îndepărtată dintre orbitele stabile ale electronilor din învelișul de electroni a acestui atom. Deoarece, conform mecanicii cuantice , atomii nu au granițe clare, iar probabilitatea de a găsi un electron asociat cu nucleul unui anumit atom la o anumită distanță de acest nucleu scade rapid odată cu creșterea distanței, o anumită rază este atribuită atom, crezând că majoritatea covârșitoare este închisă într-o bilă de această rază.parte din densitatea electronilor (aproximativ 90 la sută). Există diverse definiții ale razei atomice , cele trei cele mai utilizate fiind raza van der Waals , raza ionică și raza covalentă .

În funcție de definiție, termenul „raza unui atom” se poate aplica fie numai atomilor izolați, fie și atomilor din materie condensată , legați covalent în molecule sau în stări ionizate și excitate ; valoarea sa poate fi obţinută din măsurători experimentale sau calculată din modele teoretice. Valoarea razei poate depinde de starea atomului și de mediu [1] .

Electronii nu au orbite sau limite bine definite. Mai degrabă, pozițiile lor pot fi descrise ca distribuții de probabilitate care se îngustează treptat pe măsură ce se îndepărtează de miez fără o reducere bruscă. În plus, în materia condensată și molecule, norii de electroni de atomi se suprapun de obicei într-o oarecare măsură, iar unii dintre electroni se pot mișca într-o regiune care cuprinde doi sau mai mulți atomi („aparțin” mai multor atomi în același timp).

Conform celor mai multe definiții, razele atomilor neutri izolați variază între 30 și 300 pm (sau 0,3 până la 3 angstromi ), în timp ce razele nucleelor ​​atomice variază între 0,83 și 10 fm [2] . Prin urmare, raza unui atom tipic este de aproximativ 30.000 de ori mai mare decât raza nucleului său.

În multe cazuri, forma unui atom poate fi aproximată printr-o sferă . Aceasta este doar o aproximare aproximativă, dar poate oferi reprezentări cantitative și poate acționa ca un model de bază pentru descrierea multor fenomene, cum ar fi densitatea lichidelor și a solidelor, difuzia lichidelor prin site moleculare , aranjarea atomilor și ionilor în cristale , și dimensiunea și forma moleculelor...

Razele atomilor se modifică, respectând anumite modele ale tabelului periodic al elementelor chimice . De exemplu, razele atomice scad în general pe măsură ce vă deplasați de la stânga la dreapta de-a lungul fiecărei perioade (rând) a tabelului, de la metale alcaline la gaze nobile și cresc pe măsură ce vă deplasați de sus în jos în fiecare grup (coloană). Razele atomice cresc brusc la tranziția dintre un gaz nobil la sfârșitul fiecărei perioade și un metal alcalin la începutul perioadei următoare. Aceste tendințe ale razelor atomice (împreună cu alte proprietăți chimice și fizice ale elementelor) pot fi explicate în termenii teoriei învelișului de electroni atomici și oferă, de asemenea, dovezi pentru confirmarea teoriei cuantice . Razele atomilor scad în tabelul periodic deoarece, pe măsură ce numărul atomic crește, numărul de protoni din atom crește, iar electroni suplimentari sunt adăugați în aceeași înveliș cuantic. Prin urmare, sarcina efectivă a nucleului atomic în raport cu electronii exteriori crește, atrăgând electronii exteriori. Ca urmare, norul de electroni se contractă și raza atomică scade.

Istorie

În 1920, la scurt timp după ce a devenit posibilă determinarea dimensiunii atomilor folosind analiza de difracție cu raze X , s-a sugerat că toți atomii aceluiași element au aceleași raze [3] . Totuși, în 1923, când s-au obținut mai multe date despre cristale, s-a constatat că aproximarea unui atom cu o sferă nu este întotdeauna corectă atunci când se compară atomii aceluiași element din structuri cristaline diferite [4] .

Definiții

Definițiile utilizate pe scară largă pentru raza unui atom includ:

• Raza Van der Waals , razele Van der Waals [5]  - această valoare corespunde cu jumătate din distanța internucleară dintre cei mai apropiați atomi cu același nume care nu sunt legați chimic și aparțin unor molecule diferite (de exemplu, în cristale moleculare ). [6] .
• Raza ionică : Raza nominală a ionilor unui element într-o anumită stare de ionizare, derivată din distanța dintre nucleele atomice din sărurile cristaline care includ acești ioni. În principiu, distanța dintre doi ioni învecinați încărcați opus ( lungimea legăturii ionice dintre ei) ar trebui să fie egală cu suma razelor lor ionice [6] .
• Raza covalentă : Raza nominală a atomilor unui element atunci când sunt legați covalent de alți atomi, derivată din distanța dintre nucleele atomice din molecule. În principiu, distanța dintre doi atomi care sunt legați unul de celălalt într-o moleculă (lungimea acestei legături covalente) ar trebui să fie egală cu suma razelor lor covalente [6] .
• Raza metalică : Raza nominală a atomilor unui element atunci când aceștia sunt legați de alți atomi prin legături metalice .
• Raza Bohr : raza orbitei electronului cu cea mai joasă energie prezisă de modelul Bohr al atomului (1913) [7] [8] . Se aplică doar atomilor și ionilor cu un electron, cum ar fi hidrogenul , heliul ionizat individual și pozitroniul . Deși modelul în sine este acum învechit, raza Bohr pentru atomul de hidrogen este considerată una dintre constantele fizice fundamentale.

Măsurarea empiric a razei unui atom

Tabelul prezintă razele covalente măsurate experimental pentru elemente publicate de chimistul american D. Slater în 1964 [9] . Valorile sunt date în picometre (pm sau 1 × 10-12 m) cu o precizie de aproximativ 5 pm. Nuanțele de culoare a celulelor variază de la roșu la galben pe măsură ce raza crește; culoare gri - fără date.

Explicația tendințelor generale

Modificarea razei unui atom cu o creștere a numărului de sarcină poate fi explicată prin aranjarea electronilor în învelișuri cu o capacitate constantă. Învelișurile sunt de obicei umplute în ordinea creșterii razei, deoarece electronii încărcați negativ sunt atrași de protonii încărcați pozitiv ai nucleului atomic. Pe măsură ce numărul de sarcină crește de-a lungul fiecărui rând al tabelului periodic, electroni suplimentari intră în aceeași înveliș exterioară, iar raza acestuia se micșorează treptat din cauza creșterii sarcinii nucleare. La atomii de gaz rari, învelișul exterior este complet umplut; prin urmare, electronul suplimentar al următorului element, metalul alcalin, va merge în următorul înveliș exterior, ceea ce explică creșterea bruscă a razei atomice.

Creșterea sarcinii nucleare este parțial echilibrată de o creștere a numărului de electroni, fenomen cunoscut sub numele de screening ; explică de ce dimensiunea atomilor crește în general în fiecare coloană a tabelului periodic. Există o excepție importantă de la acest model, cunoscută sub denumirea de contracție a lantanidelor : valori mai mici decât cele așteptate ale razelor ionice ale elementelor chimice incluse în grupul lantanidelor (număr atomic 58-71), care apare din cauza screening-ului insuficient al nucleare. sarcina de electroni ai orbitalului 4f.

În esență, raza atomică scade de-a lungul perioadelor din cauza creșterii numărului de protoni din nucleu. În consecință, mai mulți protoni creează o sarcină mai puternică și atrag electronii mai puternic, reducând dimensiunea razei atomului. Pe măsură ce vă deplasați în jos pe coloanele (grupurile) tabelului periodic, raza atomică crește deoarece există mai multe niveluri de energie și, prin urmare, distanță mai mare între protoni și electroni. În plus, ecranarea electronilor slăbește atracția protonilor, astfel încât electronii rămași se pot îndepărta de nucleul încărcat pozitiv. Astfel, mărimea (raza atomului) crește.

Următorul tabel prezintă principalii factori care afectează raza unui atom:

Contracția lantanidelor

În elementele chimice ale grupului lantanide, electronii din subshell 4f , care se umple treptat de la ceriu (Z = 58) la lutețiu (Z = 71), nu sunt deosebit de eficienți în protejarea sarcinii nucleare în creștere. Elementele imediat următoare lantanidelor au raze atomice mai mici decât ne-am aștepta și care sunt aproape identice cu cele ale elementelor aflate direct deasupra lor [10] . Prin urmare, hafniul are în esență aceeași rază atomică (și proprietăți chimice) ca și zirconiul , în timp ce tantalul are o rază atomică precum niobiul și așa mai departe. Efectul compresiei lantanidelor este vizibil până la platină (Z = 78), după care este nivelat de un efect relativist cunoscut sub numele de efectul de pereche inertă .

Compresia lantanidelor are următoarele 5 efecte:

1. Mărimea ionilor Ln3 + scade în mod regulat cu numărul atomic. Conform regulilor Fajans , scăderea dimensiunii ionilor Ln 3+ crește legătura covalentă și reduce legătura principală dintre ionii Ln 3+ și OH − din Ln(OH) 3 într-o asemenea măsură încât Yb(OH) ) 3 și Lu(OH) 3 greu de dizolvat în NaOH concentrat fierbinte. De aici ordinea mărimii ionilor Ln 3+ :
   La 3+ > Ce 3+ > …, … > Lu 3+ .
2. Se observă o scădere regulată a razelor ionice.
3. Există o scădere regulată a capacității ionilor de a acționa ca agent reducător odată cu creșterea numărului atomic.
4. Al doilea și al treilea rând de elemente de tranziție ale blocului d sunt destul de similare ca proprietăți.
5. Aceste elemente apar împreună în mineralele naturale și sunt greu de separat.

d-compresie

d-compresia este mai puțin pronunțată decât contracția lantanoidă, dar apare din același motiv. În acest caz, slaba capacitate de ecranare a electronilor 3d afectează razele atomice și proprietățile chimice ale elementelor imediat următoare primului rând de metale de tranziție , de la galiu (Z = 30) la brom (Z = 35) [10] .

Raze atomice calculate

Tabelul prezintă valorile razelor atomilor, calculate după modele teoretice, publicate de chimistul italian Enrico Clementi și alții în 1967 [11] . Valorile sunt date în picometri (pm).

Vezi și

• raza Bohr
• raza covalentă
• Raza Van der Waals
• Raza ionică
• legătură chimică

Note

1. ↑ Cotton, F.A.; Wilkinson, G. Advanced Anorganic Chemistry (nedefinit) . — al 5-lea. - Wiley , 1988. - S.  1385 . - ISBN 978-0-471-84997-1 .  
2. ↑ Basdevant, J.-L.; Bogat, J.; Spiro, M. Fundamentals in Nuclear Physics (nespecificat) . - Springer , 2005. - P. 13, fig 1.1. - ISBN 978-0-387-01672-6 .  
3. ↑ Bragg, WL Aranjamentul atomilor în cristale // Philosophical Magazine  : journal  . - 1920. - Vol. 6 , nr. 236 . - P. 169-189 . - doi : 10.1080/14786440808636111 .  
4. ^ Wyckoff, RWG On the Hypothesis of Constant Atomic Radii  //  Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America  : journal. - 1923. - Vol. 9 , nr. 2 . - P. 33-38 . - doi : 10.1073/pnas.9.2.33 . — Cod biblic . — PMID 16576657 .
5. ↑ Această ortografie este dată de Dicționarul de ortografie rusă: aproximativ 200.000 de cuvinte / Academia Rusă de Științe. Institutul de Limba Rusă V. V. Vinogradova / Ed. V. V. Lopatina, O. E. Ivanova. - Ed. a 4-a, rev. si suplimentare — M.: AST-PRESS KNIGA, 2013. — 896 p. — (Dicționare fundamentale ale limbii ruse). - Cu. 68. - ISBN 978-5-462-01272-3 ".
6. ↑ 1 2 3 L.; Pauling. Natura legăturii chimice  (neopr.) . — al 2-lea. — Cornell University Press , 1945.
7. ↑ Bohr, N. On the Constitution of Atoms and Molecules, Part I. - Binding of Electrons by Positive Nuclei // Philosophical Magazine  : journal  . - 1913. - Vol. 26 , nr. 151 . - P. 1-24 . - doi : 10.1080/14786441308634955 .  
8. ↑ Bohr, N. Despre constituția atomilor și moleculelor, partea a II-a. – Sisteme care conțin doar un singur nucleu (engleză)  // Philosophical Magazine  : journal. - 1913. - Vol. 26 , nr. 153 . - P. 476-502 . - doi : 10.1080/14786441308634993 .  
9. ↑ Slater, JC Atomic Radii in Crystals  //  Journal of Chemical Physics  : journal. - 1964. - Vol. 41 , nr. 10 . - P. 3199-3205 . - doi : 10.1063/1.1725697 . - Cod .
10. ↑ 12 W.L .; Vesel. Chimie anorganică modernă  (nedefinită) . — al 2-lea. - McGraw-Hill Education , 1991. - P. 22. - ISBN 978-0-07-112651-9 .
11. ↑ Clementi, E.; Raymond, D.L.; Reinhardt, WP Constante de screening atomic din funcțiile SCF. II. Atomi cu 37 până la 86 de electroni  (engleză)  // Journal of Chemical Physics  : journal. - 1967. - Vol. 47 , nr. 4 . - P. 1300-1307 . - doi : 10.1063/1.1712084 . - Cod .

Literatură

• Rabinovici V.A., Khavin Z.Ya. Scurtă carte de referință chimică. Ed. al 2-lea, rev. si suplimentare - L .: Chimie, 1978. - 392 p.