Это не официальный сайт wikipedia.org 01.01.2023

Радиус атома — Википедия
Википедия

Радиус атома

(перенаправлено с «Атомный радиус»)

Ра́диус а́тома — расстояние между атомным ядром и самой дальней из стабильных орбит электронов в электронной оболочке этого атома. Поскольку, согласно квантовой механике, атомы не имеют четких границ, а вероятность найти электрон, связанный с ядром данного атома, на определённом расстоянии от этого ядра быстро убывает с увеличением расстояния, атому приписывают некоторый определённый радиус, полагая, что в шаре этого радиуса заключена подавляющая часть электронной плотности (порядка 90 процентов). Существуют различные определения радиуса атома[⇨], три наиболее широко используемых: радиус Ван-дер-Ваальса, ионный радиус и ковалентный радиус.

Изображение атома гелия, где плотность вероятности нахождения электрона представлена серым цветом, более тёмные области соответствуют большей плотности.
Примерная форма молекулы этанола, CH3CH2OH. Каждый атом представлен сферой с радиусом Ван-дер-Ваальса.

В зависимости от определения термин «радиус атома» может применяться либо только к изолированным атомам, либо также к атомам в конденсированной среде, ковалентно связанным в молекулах или в ионизированном и возбужденном состояниях; его значение может быть получено путем экспериментальных измерений или вычислено из теоретических моделей. Значение радиуса может зависеть от состояния атома и окружающей среды[1].

Электроны не имеют четко определённых орбит или границ. Скорее, их положения могут быть описаны как распределения вероятностей, которые постепенно сужаются по мере удаления от ядра без резкого сокращения. Кроме того, в конденсированном веществе и молекулах электронные облака атомов обычно в некоторой степени перекрываются, и некоторые из электронов могут перемещаться в области, охватывающей два или более атомов («принадлежать» нескольким атомам одновременно).

Согласно большинству определений, радиусы изолированных нейтральных атомов колеблются в диапазоне от 30 до 300 пм (или от 0,3 до 3 ангстрем), в то время как радиусы атомных ядер находятся пределах от 0,83 до 10 фм[2]. Следовательно, радиус типичного атома примерно в 30 тысяч раз больше радиуса его ядра.

Во многих случаях форма атома может быть аппроксимирована сферой. Это лишь грубое приближение, но оно может дать количественные представления и выступить в качестве базовой модели для описания для многих явлений, таких как плотность жидкостей и твердых веществ, диффузия жидкостей через молекулярные сита, расположение атомов и ионов в кристаллах, а также размер и форма молекул.

Радиусы атомов изменяются, подчиняясь определённым закономерностям периодической таблицы химических элементов. Например, радиусы атомов обычно уменьшаются при перемещении слева направо вдоль каждого периода (строки) таблицы, от щелочных металлов до благородных газов, и возрастают по мере продвижения сверху вниз в каждой группе (столбце). Радиусы атомов резко возрастают при переходе между благородным газом в конце каждого периода и щелочным металлом в начале следующего периода. Эти тенденции изменения радиусов атомов (наряду с другими химическими и физическими свойствами элементов) могут быть объяснены с точки зрения теории электронной оболочки атома, а также представляют доказательства подтверждения квантовой теории. Радиусы атомов уменьшаются в периодической таблице, потому что с увеличением атомного номера увеличивается число протонов в атоме, а дополнительные электроны добавляются в одну и ту же квантовую оболочку. Следовательно, эффективный заряд атомного ядра по отношению к внешним электронам увеличивается, притягивая внешние электроны. В результате электронное облако сжимается и атомный радиус уменьшается.

ИсторияПравить

В 1920 году, вскоре после того, как стало возможным определять размеры атомов с помощью рентгеноструктурного анализа, было высказано предположение, что все атомы одного и того же элемента имеют одинаковые радиусы[3]. Однако в 1923 году, когда было получено больше данных о кристаллах, было обнаружено, что аппроксимация атома сферой не всегда корректна при сравнении атомов одного и того же элемента в разных кристаллических структурах[4].

ОпределенияПравить

Широко используемые определения радиуса атома включают:

  • Радиус Ван-дер-Ваальса, Вандерваальсовы радиусы[5] — эта величина соответствует половине межъядерного расстояния между ближайшими одноимёнными атомами, не связанными между собой химической связью и принадлежащими разным молекулам (например, в молекулярных кристаллах).[6].
  • Ионный радиус: номинальный радиус ионов элемента в определённом состоянии ионизации, выведенный из расстояния между атомными ядрами в кристаллических солях, которые включают эти ионы. В принципе, расстояние между двумя соседними противоположно заряженными ионами (длина ионной связи между ними) должно равняться сумме их ионных радиусов[6].
  • Ковалентный радиус: номинальный радиус атомов элемента, когда они ковалентно связаны с другими атомами, выводится из расстояния между атомными ядрами в молекулах. В принципе, расстояние между двумя атомами, которые связаны друг с другом в молекуле (длина этой ковалентной связи), должно равняться сумме их ковалентных радиусов[6].
  • Металлический радиус: номинальный радиус атомов элемента, когда они соединены с другими атомами металлическими связями.
  • Боровский радиус: радиус орбиты электрона с наименьшей энергией, предсказанный Боровской моделью атома (1913)[7][8]. Он применим только к атомам и ионам с одним электроном, таким как водород, однократно ионизованный гелий и позитроний. Хотя сама модель в настоящее время устарела, радиус Бора для атома водорода считается одной из фундаментальных физических постоянных.

Измерение радиуса атома опытным путёмПравить

В таблице приведены измеренные опытным путём ковалентные радиусы для элементов, опубликованные американским химиком Д.Слейтером в 1964 году[9]. Значения приведены в пикометрах (пм или 1 × 10-12 м) с точностью около 5 пм. Оттенки цвета ячеек варьируются от красного до жёлтого по мере увеличения радиуса; серый цвет — отсутствие данных.

Группы
(столбцы) 		1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Периоды
(строки)
1 H
25 		He
 31
2 Li
145 		Be
105 		B
85 		C
70 		N
65 		O
60 		F
50 		Ne
 38
3 Na
180 		Mg
150 		Al
125 		Si
110 		P
100 		S
100 		Cl
100 		Ar
 71
4 K
220 		Ca
180 		Sc
160 		Ti
140 		V
135 		Cr
140 		Mn
140 		Fe
140 		Co
135 		Ni
135 		Cu
135 		Zn
135 		Ga
130 		Ge
125 		As
115 		Se
115 		Br
115 		Kr
 
5 Rb
235 		Sr
200 		Y
180 		Zr
155 		Nb
145 		Mo
145 		Tc
135 		Ru
130 		Rh
135 		Pd
140 		Ag
160 		Cd
155 		In
155 		Sn
145 		Sb
145 		Te
140 		I
140 		Xe
 
6 Cs
260 		Ba
215 		*
  		Hf
155 		Ta
145 		W
135 		Re
135 		Os
130 		Ir
135 		Pt
135 		Au
135 		Hg
150 		Tl
190 		Pb
180 		Bi
160 		Po
190 		At
  		Rn
 
7 Fr
  		Ra
215 		**
  		Rf
  		Db
  		Sg
  		Bh
  		Hs
  		Mt
  		Ds
  		Rg
  		Cn
  		Nh
  		Fl
  		Mc
  		Lv
  		Ts
  		Og
 
Лантаноиды *
  		La
195 		Ce
185 		Pr
185 		Nd
185 		Pm
185 		Sm
185 		Eu
185 		Gd
180 		Tb
175 		Dy
175 		Ho
175 		Er
175 		Tm
175 		Yb
175 		Lu
175
Актиноиды **
  		Ac
195 		Th
180 		Pa
180 		U
175 		Np
175 		Pu
175 		Am
175 		Cm
  		Bk
  		Cf
  		Es
  		Fm
  		Md
  		No
  		Lr
 

Объяснение общих тенденцийПравить

 
Ковалентный радиус атома в зависимости от зарядового числа.

Изменение радиуса атома с увеличением зарядового числа можно объяснить расположением электронов в оболочках с постоянной ёмкостью. Оболочки обычно заполнены в порядке увеличения радиуса, поскольку отрицательно заряженные электроны притягиваются положительно заряженными протонами атомного ядра. Поскольку зарядовое число увеличивается вдоль каждой строки периодической таблицы, дополнительные электроны входят в ту же самую внешнюю оболочку, а её радиус постепенно сжимается из-за увеличения заряда ядра. В атомах инертных газов внешняя оболочка полностью заполнена; следовательно, дополнительный электрон следующего элемента — щелочного металла — перейдет в следующую внешнюю оболочку, что объясняет внезапное увеличение атомного радиуса.

Увеличивающийся заряд ядра частично уравновешивается ростом числа электронов, это явление известно как экранирование[en]; он объясняет, почему размер атомов обычно увеличивается в каждом столбце периодической таблицы. Из этой закономерности есть важное исключение, известное как лантаноидное сжатие: меньшие, по сравнению с ожидаемыми, величины ионных радиусов химических элементов, входящих в группу лантаноидов (атомный номер 58—71), которое происходит из-за недостаточного экранирования заряда ядра электронами 4f-орбитали.

По существу, атомный радиус уменьшается на протяжении периодов из-за увеличения количества протонов в ядре. Соответственно, большее количество протонов создает более сильный заряд и сильнее притягивает электроны, уменьшая размер радиуса атома. При движении сверху вниз по столбцам (группам) периодической таблицы атомный радиус увеличивается, поскольку есть больше энергетических уровней и, следовательно, больше расстояние между протонами и электронами. Кроме того, электронное экранирование ослабляет притяжение протонов, поэтому оставшиеся электроны могут удаляться от положительно заряженного ядра. Таким образом, размер (радиус атома) увеличивается.

В следующей таблице приведены основные факторы, влияющие радиус атома:

Фактор Закон Возрастает с… как правило Влияние на радиус атома
Электронные оболочки Квантовая механика Главным и азимутальным квантовым числом Увеличивает радиус атома Возрастает сверху вниз в каждой колонке
Атомный заряд Притяжение электронов протонами ядра атома Зарядовым числом Сокращает радиус атома Сокращается в течение всего периода
Экранирование Отталкивание внешних электронов внутренними электронами Количеством электронов во внутренних оболочках Увеличивает радиус атома Снижает эффект второго фактора

Лантаноидное сжатиеПравить

Основная статья: Лантаноидное сжатие

У химических элементов группы лантаноидов электроны в 4f-подоболочке, которая постепенно заполняется от церия (Z = 58) до лютеция (Z = 71), не особенно эффективны для экранирования увеличивающегося заряда ядра. Элементы, следующие непосредственно за лантаноидами, имеют радиусы атомов, которые меньше, чем можно было бы ожидать, и которые почти идентичны атомным радиусам элементов, находящихся непосредственно над ними[10]. Следовательно, гафний имеет практически тот же атомный радиус (и химические свойства), что и цирконий, а тантал имеет радиус атома, как у ниобия, и так далее. Эффект лантаноидного сжатия заметен вплоть до платины (Z = 78), после чего он нивелируется релятивистским эффектом, известным как эффект инертной пары[en].

Лантаноидное сжатие даёт 5 следующих эффектов:

  1. Размер ионов Ln3 + регулярно уменьшается с атомным номером. Согласно правилам Фаянса[en], уменьшение размера ионов Ln3+ увеличивает ковалентную связь и уменьшает основную связь между ионами Ln3+ и OH− в Ln(OH)3 до такой степени, что Yb(OH)3 и Lu(OH)3 с трудом растворяются в горячем концентрированном NaOH. Отсюда порядок размера ионов Ln3+:
    La3+ > Ce3+ > …, … > Lu3+.
  2. Наблюдается регулярное уменьшение ионных радиусов.
  3. Наблюдается регулярное снижение способности ионов действовать в качестве восстановителя с увеличением атомного номера.
  4. Второй и третий ряды переходных элементов d-блока довольно близки по свойствам.
  5. Эти элементы встречаются вместе в природных минералах и их трудно разделить.

d-сжатиеПравить

Основная статья: d-сжатие

d-сжатие[en] менее выражено, чем лантаноидное сжатие, но возникает по той же причине. В этом случае плохая экранирующая способность 3d-электронов влияет на атомные радиусы и химические свойства элементов, следующих непосредственно за первым рядом переходных металлов, от галлия (Z = 30) до брома (Z = 35)[10].

Вычисленные радиусы атомовПравить

В таблице приведены значения радиусов атомов, рассчитанные по теоретическим моделям, опубликованные итальянским химиком Энрико Клементи[en] и другими в 1967 году[11]. Значения даны в пикометрах (пм).

Группы
(столбцы) 		1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Периоды
(строки)
1 H
53 		He
31
2 Li
167 		Be
122 		B
87 		C
67 		N
56 		O
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 		V
171 		Cr
166 		Mn
161 		Fe
156 		Co
152 		Ni
149 		Cu
145 		Zn
142 		Ga
136 		Ge
125 		As
114 		Se
103 		Br
94 		Kr
98
5 Rb
265 		Sr
219 		Y
212 		Zr
206 		Nb
198 		Mo
190 		Tc
183 		Ru
178 		Rh
173 		Pd
169 		Ag
165 		Cd
161 		In
156 		Sn
145 		Sb
133 		Te
123 		I
115 		Xe
108
6 Cs
298 		Ba
253 		*
 Hf
208 		Ta
200 		W
193 		Re
188 		Os
185 		Ir
180 		Pt
177 		Au
174 		Hg
171 		Tl
156 		Pb
154 		Bi
143 		Po
135 		At
127 		Rn
120
7 Fr
  		Ra
  		**
 Rf
  		Db
  		Sg
  		Bh
  		Hs
  		Mt
  		Ds
  		Rg
  		Cn
  		Nh
  		Fl
  		Mc
  		Lv
  		Ts
  		Og
 
Лантаноиды *
 La
226 		Ce
210 		Pr
247 		Nd
206 		Pm
205 		Sm
238 		Eu
231 		Gd
233 		Tb
225 		Dy
228 		Ho
226 		Er
226 		Tm
222 		Yb
222 		Lu
217
Актиноиды **
 Ac
  		Th
  		Pa
  		U
  		Np
  		Pu
  		Am
  		Cm
  		Bk
  		Cf
  		Es
  		Fm
  		Md
  		No
  		Lr
 

См. такжеПравить

ПримечанияПравить

  1. ↑ Cotton, F. A.; Wilkinson, G. Advanced Inorganic Chemistry (неопр.). — 5th. — Wiley, 1988. — С. 1385. — ISBN 978-0-471-84997-1.
  2. ↑ Basdevant, J.-L.; Rich, J.; Spiro, M. Fundamentals in Nuclear Physics (неопр.). — Springer, 2005. — С. 13, fig 1.1. — ISBN 978-0-387-01672-6.
  3. ↑ Bragg, W. L. The arrangement of atoms in crystals (англ.) // Philosophical Magazine : journal. — 1920. — Vol. 6, no. 236. — P. 169—189. — doi:10.1080/14786440808636111.
  4. ↑ Wyckoff, R. W. G. On the Hypothesis of Constant Atomic Radii (англ.) // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America : journal. — 1923. — Vol. 9, no. 2. — P. 33—38. — doi:10.1073/pnas.9.2.33. — Bibcode: 1923PNAS....9...33W. — PMID 16576657.
  5. ↑ Такое написание даёт «Русский орфографический словарь: около 200 000 слов / Российская академия наук. Институт русскоrо языка им. В. В. Виноградова / Под ред. В. В. Лопатина, О. Е. Ивановой. — Изд. 4-е, испр. и доп. — М.: АСТ-ПРЕСС КНИГА, 2013. — 896 с. — (Фундаментальные словари русскою языка). — с. 68. — ISBN 978-5-462-01272-3».
  6. ↑ 1 2 3 L.; Pauling. The Nature of the Chemical Bond (неопр.). — 2nd. — Cornell University Press, 1945.
  7. ↑ Bohr, N. On the Constitution of Atoms and Molecules, Part I. – Binding of Electrons by Positive Nuclei (англ.) // Philosophical Magazine : journal. — 1913. — Vol. 26, no. 151. — P. 1—24. — doi:10.1080/14786441308634955.
  8. ↑ Bohr, N. On the Constitution of Atoms and Molecules, Part II. – Systems containing only a Single Nucleus (англ.) // Philosophical Magazine : journal. — 1913. — Vol. 26, no. 153. — P. 476—502. — doi:10.1080/14786441308634993.
  9. ↑ Slater, J. C. Atomic Radii in Crystals (англ.) // Journal of Chemical Physics : journal. — 1964. — Vol. 41, no. 10. — P. 3199—3205. — doi:10.1063/1.1725697. — Bibcode: 1964JChPh..41.3199S.
  10. ↑ 1 2 W. L.; Jolly. Modern Inorganic Chemistry (неопр.). — 2nd. — McGraw-Hill Education, 1991. — С. 22. — ISBN 978-0-07-112651-9.
  11. ↑ Clementi, E.; Raimond, D. L.; Reinhardt, W. P. Atomic Screening Constants from SCF Functions. II. Atoms with 37 to 86 Electrons (англ.) // Journal of Chemical Physics : journal. — 1967. — Vol. 47, no. 4. — P. 1300—1307. — doi:10.1063/1.1712084. — Bibcode: 1967JChPh..47.1300C.

ЛитератураПравить

  • Рабинович В. А., Хавин З.Я. Краткий химический справочник. Изд. 2-е, испр. и доп. — Л.: Химия, 1978. — 392 с.
Источник — https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=Радиус_атома&oldid=120182783