Išči

    Atomski polmer

    Model helijevega atoma, na katerem je s sivimi odtenki prikazana gostota verjetnosti lege elektrona.

    Atomski polmer kemijskega elementa je merilo velikosti njegovega atoma in običajno pomeni tipično razdaljo od jedra do meje elektronskega oblaka, ki ga obdaja. Glede na to, da meja oblaka ni točno definirana fizikalna količina, obstaja več neenakovrednih definicij atomskega polmera.

    Izraz se lahko odvisno od definicije uporablja samo za osamljene atome, lahko pa tudi za kondenzirano snov, kovalentno vez v molekuli ter v ionizirana in vzbujena stanja. Vrednost atomskega polmera se lahko dobi eksperimentalno ali se jo izračuna iz teoretičnih modelov. V nekaterih definicijah je vrednost polmera lahko odvisna od atomskega stanja in konteksta.[1]

    Pojem atomskega polmera je težko definirati, ker elektroni nimajo definiranih orbital ali ostro omejene svobode gibanja. Njihova lega mora biti zato opisana s porazdelitvijo verjetnosti, ki se postopoma manjša, ko se elektron brez ostre prekinitve oddaljujejo od jedra. Eletronski oblaki se v kondenzirani snovi in molekulah običajno tudi delno prekrivajo, nekaj elektronov pa se lahko prosto giblje po večjem prostoru, ki obdaja dva ali več atomov.

    Atomski polmeri izoliranih nevtralnih atomov so v večini definicij kljub konceptualnim težavam na območju od 30 do 300 pm. Polmer atoma je torej več kot 10000 krat večji od polmera njegovega jedra, ki meri 1-10 fm (10−15 m)[2] in manj kot 1/1000 valovne dolžine vidne svetlobe (400-700 nm).

    Približna oblika molekuje etanola CH3CH2OH. Atomi elementov so modelirani kot kroglice z van der Waalsovim polmerom.

    Za mnoge namene se atomi lahko modelirajo kot kroglice. Takšni modeli so sicer grobi približki, vendar omogočajo kvantitativne razlage in napovedovanje mnogih pojavov, na primer gostoto tekočin in trdnin, difuzijo tekočin skozi molekularna sita, razporeditev atomov in ionov v kristalih ter velikost in obliko molekul.

    Atomski polmeri se v periodnem sistemu elementov spreminjajo na predvidljiv iz razložljiv način. Polmeri po periodi (vrstici) od alkalijskih kovin proti žlahtnim plinom na splošno padajo, v posamezni skupini (koloni) navzdol pa rastejo. Polmer atoma od žlahtnega plina na koncu periode do alkalijske kovine na začetku naslednje periode se skokovito poveča. Trende atomskih polmerov, pa tudi drugih kemijskih in fizikalnih lastnosti elementov, se lahko razloži s teorijo elektronskih orbital. Trendi so tudi pomemben dokaz za razvoj in potrditev kvantne teorije.

    Vsebina

    Definicije

    V širši praksi se uporabljajo naslednje definicije atomskega polmera:

    Empirično izmerjeni atomski polmeri

    V naslednji preglednici so prikazani empirično izmerjeni kovalentni polmeri elementov, ki jih je leta 1964 objavil J.C. Slater.[6] Vrednosti so v pikometrih (pm) s točnostjo približno 5 pm.

    Skupina 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
    Perioda
    1 H
    25
    He
     
    2 Li
    145
    Be
    105
    B
    85
    C
    70
    N
    65
    O
    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
    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
     
    Uut
     
    Uuq
     
    Mc
     
    Uuh
     
    Uus
     
    Uuo
     
    Lantanoidi *
     
    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
    Aktinoidi **
     
    Ac
    195
    Th
    180
    Pa
    180
    U
    175
    Np
    175
    Pu
    175
    Am
    175
    Cm
     
    Bk
     
    Cf
     
    Es
     
    Fm
     
    Md
     
    No
     
    Lr
     

    Razlaga splošnih trendov

    Način, kako atomskih polmeri naraščajo z naraščajočim vrstnim številom, se lahko razloži z razporeditvijo elektronov na elektronskih orbitalah z nespremenljivo kapaciteto. Orbitale se običajno polnijo po vrsti od najbližje do najbolj oddaljene. Z naraščanjem vrstnega števila po posamezni vrstici (periodi) periodnega sistema se negativni vpliv elektronov zaradi njihove vedno večje oddaljenosti od jedra manjša, zato vedno večji pozitivni naboj jedra povzroči zmanjševanje atomskih polmerov. V žlahtnih plinih je najbolj zunanja orbitala polna, zato se bo šel dodatni elektron naslednje alkalijske kovine na novo najbolj zunanjo orbitalo, kar bo povzročilo skokovito povečanje atomskega polmera.

    Naraščajoči pozitivni naboj jedra se delno kompenzira z naraščajočim številom elektronov. Pojav se imenuje ščitenje in pojasnjuje naraščanje atomskih polmerov po skupini navzdol. Ščitenje je v dveh primerih (lantanoidna kontrakcija in kontrakcija bloka d) manj učinkovito, zato so atomi manjši kot bi sicer pričakovali.

    Najpomembnejši pojavi, ki vplivajo na atomski polmer elementa, so prikazani v naslednji preglednici.

    Činitelj Princip Narašča s/z... Trend Vpliv na polmer
    elektronske orbitale kvantna mehanika osnovnimi in azimutskimi kvantnimi števili atomski polmer raste narašča po koloni navzdol
    naboj jedra protoni jedra privlačijo elektrone vrstno število atomski polmer pada naboj po posamezni periodi pada
    ščitenje na elektrone na zunanjih orbitalah deluje odbojna sila notranjih elektronov število elektronskih ovojnic atomski polmer raste zmanjša se vpliv pozitivnega naboja jedra

    Lantanoidna kontrakcija

    Glavni članek: Lantanoidna kontrakcija.

    Elektroni na podorbitali 4f, ki se progresivno polni od cerija (Z = 58) do lutecija (Z = 71), niso posebno učinkoviti pri ščitenju naraščajočega naboja jedra pred bolj zunanjimi podorbitalami. Elementi, ki neposredno sledijo lantanu, imajo zato manjše atomske polmere kot bi pričakovali. Njihovi atomski polmeri so skoraj enaki atomskim polmerom (in kemiji) elementov, ki so v periodnem sistemu neposredno nad njimi:[7] hafnij ima skoraj enak polmer (in kemijo) kot cirkonij, tantal kot niobij in tako naprej. Vpliv lantanoidne kontrakcije je opazen vse do platine (Z = 78), za njo pa ga zamaskira relativistični učinek, poznan kot učinek inertnih parov.

    Lantanoidna kontrakcija je vzrok za naslednje pojave:

    Kontrakcija bloka d

    Kontrakcija bloka d je manj prepoznavna kot lantanoidna kontrakcija, vendar izhaja iz istega vzroka. V tem primeru gre za slabo sposobnost ščitenja 3d elektronov, ki vplivajo na atomske polmere in kemijo elementov, ki sledijo prvi vrstici prehodnih kovin, se pravi na elemente od galija (Z = 31) do broma (Z = 35).[7]

    Izračunani atomski polmeri

    V naslednji preglednici so zbrani atomski polmeri, izračunani iz teoretičnih modelov, ki so jih objavili Enrico Clementi in drugi leta 1967.[8] Dimenzije so v pikometrih.

    Skupina 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
    Perioda
    1 H
    53
    He
    31
    2 Li
    167
    Be
    112
    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
    88
    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
     
    Rn
    120
    7 Fr
     
    Ra
     
    **
     
    Rf
     
    Db
     
    Sg
     
    Bh
     
    Hs
     
    Mt
     
    Ds
     
    Rg
     
    Cn
     
    Uut
     
    Uuq
     
    Mc
     
    Uuh
     
    Uus
     
    Uuo
     
    Lantanoidi *
     
    La
     
    Ce
     
    Pr
    247
    Nd
    206
    Pm
    205
    Sm
    238
    Eu
    231
    Gd
    233
    Tb
    225
    Dy
    228
    Ho
     
    Er
    226
    Tm
    222
    Yb
    222
    Lu
    217
    Aktinoidi **
     
    Ac
     
    Th
     
    Pa
     
    U
     
    Np
     
    Pu
     
    Am
     
    Cm
     
    Bk
     
    Cf
     
    Es
     
    Fm
     
    Md
     
    No
     
    Lr
     

    Opombe in sklici

    1. Cotton, F. A., Wilkinson, G. (1988). Advanced Inorganic Chemistry (5th Edn). New York: iley. ISBN 0-471-84997-9. str. 1385.
    2. Jean-Louis Basdevant, James Rich & Michel Spiro (2005). Fundamentals in Nuclear Physics. Springer. str. Fig. 1.1, p. 13. ISBN 0387016724.
    3. 3,0 3,1 3,2 Pauling, Linus (1945). The Nature of the Chemical Bond. Ithaca, NY: Cornell University Press.
    4. Niels Bohr (1913), On the Constitution of Atoms and Molecules, Part I. Philosophical Magazine, volume 26, str. 1–24. Online version.
    5. Niels Bohr (1913), On the Constitution of Atoms and Molecules, Part II. Philosophical Magazine, volume 26, str. 476–502. Online version.
    6. J. C. Slater (1964), Journal of Chemical Physics, volume 41, str. 3199.
    7. 7,0 7,1 Jolly, William L. (1991). Modern Inorganic Chemistry (2nd Edn.). New York: McGraw-Hill. ISBN 0-07-112651-1. str. 22.
    8. E. Clementi, D. L. Raimondi, and W. P. Reinhardt (1967), Journal of Chemical Physics, volume 47, str. 1300.