Atomradius - Atomic radius
Der Atomradius eines chemischen Element ist ein Maß für die Größe der Atom , in der Regel des mittleren oder typischen Abstand von der Mitte des Kerns an die Grenze der umgebenden Schalen von Elektronen . Da die Grenze keine wohldefinierte physikalische Einheit ist, gibt es verschiedene nicht äquivalente Definitionen des Atomradius. Vier weit verbreitete Definitionen des Atomradius sind: Van-der-Waals-Radius , Ionenradius , metallischer Radius und kovalenter Radius . Typischerweise wird wegen der Schwierigkeit, Atome zu isolieren, um ihre Radien getrennt zu messen, der Atomradius in einem chemisch gebundenen Zustand gemessen; Allerdings sind theoretische Berechnungen natürlich einfacher, wenn man Atome isoliert betrachtet. Die Abhängigkeiten von Environment, Probe und State führen zu einer Vielzahl von Definitionen.
Je nach Definition kann der Begriff Atome in kondensierter Materie , kovalente Bindungen in Molekülen oder in ionisierten und angeregten Zuständen betreffen ; und sein Wert kann durch experimentelle Messungen erhalten oder aus theoretischen Modellen berechnet werden. Der Wert des Radius kann vom Zustand und Kontext des Atoms abhängen.
Elektronen haben weder definierte Bahnen noch scharf definierte Reichweiten. Ihre Positionen müssen vielmehr als Wahrscheinlichkeitsverteilungen beschrieben werden , die sich ohne scharfe Grenze allmählich verjüngen, wenn man sich vom Kern entfernt; diese werden als Atomorbitale oder Elektronenwolken bezeichnet. Darüber hinaus überlappen sich in kondensierter Materie und Molekülen die Elektronenwolken der Atome normalerweise bis zu einem gewissen Grad, und einige der Elektronen können über einen großen Bereich wandern, der zwei oder mehr Atome umfasst.
Unter den meisten Definitionen liegen die Radien der isolierten neutralen Atome zwischen 30 und 300 pm ( Milliardstel eines Meters) oder zwischen 0,3 und 3 Ångström . Daher beträgt der Radius eines Atoms mehr als das 10.000-fache des Radius seines Kerns (1–10 fm ) und weniger als 1/1000 der Wellenlänge des sichtbaren Lichts (400–700 nm ).
Für viele Zwecke können Atome als Kugeln modelliert werden. Dies ist nur eine grobe Näherung, kann aber quantitative Erklärungen und Vorhersagen für viele Phänomene liefern, wie die Dichte von Flüssigkeiten und Festkörpern, die Diffusion von Flüssigkeiten durch Molekularsiebe , die Anordnung von Atomen und Ionen in Kristallen sowie die Größe und Form von Molekülen .
Geschichte
1920, kurz nachdem es möglich war, die Größe von Atomen mit Röntgenkristallographie zu bestimmen , wurde vorgeschlagen, dass alle Atome des gleichen Elements die gleichen Radien haben. Als jedoch 1923 mehr Kristalldaten zur Verfügung standen, wurde festgestellt, dass die Näherung eines Atoms als Kugel nicht unbedingt zutrifft, wenn man dasselbe Atom in verschiedenen Kristallstrukturen vergleicht.
Definitionen
Weit verbreitete Definitionen des Atomradius umfassen:
- Van-der-Waals-Radius : In der einfachsten Definition der halbe Mindestabstand zwischen den Kernen zweier Atome des Elements, die sonst nicht durch kovalente oder metallische Wechselwirkungen verbunden sind. Der Van-der-Waals-Radius kann sogar für Elemente (wie Metalle) definiert werden, in denen Van-der-Waals-Kräfte von anderen Wechselwirkungen dominiert werden. Da Van-der-Waals-Wechselwirkungen durch Quantenfluktuationen der atomaren Polarisation entstehen , kann die Polarisierbarkeit (die normalerweise leichter gemessen oder berechnet werden kann) verwendet werden, um den Van-der-Waals-Radius indirekt zu definieren.
- Ionenradius : der Nennradius der Ionen eines Elements in einem bestimmten Ionisationszustand, abgeleitet aus dem Abstand der Atomkerne in kristallinen Salzen, die dieses Ion enthalten. Grundsätzlich sollte der Abstand zwischen zwei benachbarten entgegengesetzt geladenen Ionen (die Länge der Ionenbindung zwischen ihnen) der Summe ihrer Ionenradien entsprechen.
- Kovalenter Radius : der nominelle Radius der Atome eines Elements bei kovalenter Bindung an andere Atome, abgeleitet aus der Trennung zwischen den Atomkernen in Molekülen. Grundsätzlich sollte der Abstand zweier Atome, die in einem Molekül aneinander gebunden sind (die Länge dieser kovalenten Bindung), gleich der Summe ihrer kovalenten Radien sein.
- Metallischer Radius : der Nennradius von Atomen eines Elements, wenn es durch Metallbindungen mit anderen Atomen verbunden ist .
- Bohr-Radius : der Radius der niederenergetischen Elektronenbahn, die vom Bohr-Modell des Atoms (1913) vorhergesagt wurde . Sie gilt nur für Atome und Ionen mit einem einzelnen Elektron, wie beispielsweise Wasserstoff , einfach ionisiertes Helium und Positronium . Obwohl das Modell selbst mittlerweile veraltet ist, gilt der Bohrsche Radius für das Wasserstoffatom immer noch als wichtige physikalische Konstante.
Empirisch gemessener Atomradius
Die folgende Tabelle zeigt empirisch gemessene kovalente Radien für die Elemente, wie sie 1964 von JC Slater veröffentlicht wurden. Die Werte sind in Pikometern (pm oder 1×10 -12 m) mit einer Genauigkeit von etwa 5 pm angegeben. Die Schattierung der Box reicht von Rot bis Gelb mit zunehmendem Radius; grau weist auf fehlende Daten hin.
Gruppe (Spalte) |
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | fünfzehn | 16 | 17 | 18 | |||
Zeitraum (Zeile) |
|||||||||||||||||||||
1 |
H 25 |
Er |
|||||||||||||||||||
2 |
Li 145 |
Sei 105 |
B 85 |
C 70 |
N 65 |
O 60 |
F 50 |
Ne |
|||||||||||||
3 |
Nicht 180 |
mg 150 |
Al 125 |
Si 110 |
P 100 |
S 100 |
Kl 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 |
Als 115 |
Se 115 |
Br 115 |
Kr |
|||
5 |
Rb 235 |
Sr 200 |
Y 180 |
Zr 155 |
Nr. 145 |
Mo 145 |
Tc 135 |
Ru 130 |
RH 135 |
Pd 140 |
Ag 160 |
CD 155 |
In 155 |
Sn 145 |
Sb 145 |
Te 140 |
ich 140 |
Xe |
|||
6 |
Cs 260 |
Ba 215 |
* |
Lu 175 |
HF 155 |
Ta 145 |
W 135 |
Zu 135 |
Os 130 |
Ich 135 |
Punkt 135 |
Au 135 |
Hg 150 |
Tl 190 |
Pb 180 |
Bi 160 |
Po 190 |
Bei |
Rn |
||
7 |
NS |
Ra 215 |
** |
Lr |
Rf |
Db |
Sg |
Bh |
Hs |
Berg |
Ds |
Rg |
Cn |
Nh |
Fl |
Mc |
Lv |
Ts |
Og |
||
* |
La 195 |
Ce 185 |
Pr 185 |
Nd 185 |
Uhr 185 |
Sm 185 |
Eu 185 |
Gott 180 |
Tb 175 |
Dy 175 |
Ho 175 |
Äh 175 |
Tm 175 |
Yb 175 |
|||||||
** |
AC 195 |
Do 180 |
Pa 180 |
U 175 |
Np 175 |
Pu 175 |
Bin 175 |
Cm |
Bk |
Vgl |
Es |
Fm |
Md |
Nein |
|||||||
Erläuterung der allgemeinen Trends
Die Variation des Atomradius mit zunehmender Ordnungszahl lässt sich durch die Anordnung der Elektronen in Schalen fester Kapazität erklären. Die Schalen werden im Allgemeinen nach zunehmendem Radius gefüllt, da die negativ geladenen Elektronen von den positiv geladenen Protonen im Kern angezogen werden . Wenn die Ordnungszahl entlang jeder Reihe des Periodensystems zunimmt, gehen die zusätzlichen Elektronen in dieselbe äußerste Schale; deren Radius sich aufgrund der zunehmenden Kernladung allmählich verkleinert. Bei einem Edelgas ist die äußerste Hülle vollständig ausgefüllt; daher wird das zusätzliche Elektron des nächsten Alkalimetalls in die nächste äußere Schale gehen, was die plötzliche Zunahme des Atomradius erklärt.
Die zunehmende Kernladung wird teilweise durch die zunehmende Anzahl von Elektronen ausgeglichen, ein Phänomen, das als Abschirmung bekannt ist ; Das erklärt, warum die Größe der Atome normalerweise in jeder Spalte zunimmt. Es gibt jedoch eine bemerkenswerte Ausnahme, die als Lanthanoid-Kontraktion bekannt ist : Der 5d-Elementblock ist aufgrund der schwachen Abschirmung der 4f-Elektronen viel kleiner als man erwarten würde.
Im Wesentlichen nimmt der Atomradius aufgrund einer steigenden Anzahl von Protonen über die Perioden ab. Daher besteht eine größere Anziehungskraft zwischen den Protonen und Elektronen, da sich entgegengesetzte Ladungen anziehen und mehr Protonen eine stärkere Ladung erzeugen. Die größere Anziehungskraft zieht die Elektronen näher an die Protonen heran, wodurch die Teilchengröße verringert wird. Daher nimmt der Atomradius ab. Unterhalb der Gruppen nimmt der Atomradius zu. Dies liegt daran, dass es mehr Energieniveaus und damit einen größeren Abstand zwischen Protonen und Elektronen gibt. Darüber hinaus führt die Elektronenabschirmung dazu, dass die Anziehungskraft abnimmt, sodass sich verbleibende Elektronen weiter vom positiv geladenen Kern entfernen können. Daher nimmt die Größe oder der Atomradius zu.
Die folgende Tabelle fasst die wichtigsten Phänomene zusammen, die den Atomradius eines Elements beeinflussen:
Faktor | Prinzip | erhöhen mit... | neigen dazu | Auswirkung auf den Radius |
---|---|---|---|---|
Elektronenschalen | Quantenmechanik | Haupt- und azimutale Quantenzahlen | Erhöhen Sie jede Spalte nach unten | vergrößert den Atomradius |
Nuklearladung | Anziehungskraft auf Elektronen durch Protonen im Kern | Ordnungszahl | Zunahme in jeder Periode (von links nach rechts) | verkleinert den Atomradius |
Abschirmung | Abstoßungskraft, die durch innere Elektronen auf die Elektronen der äußersten Schale einwirkt | Anzahl der Elektronen in inneren Schalen | die Wirkung des 2. Faktors reduzieren | vergrößert den Atomradius |
Lanthanoid-Kontraktion
Die Elektronen in der 4f- Unterschale , die von Lanthan ( Z = 57) zu Ytterbium ( Z = 70) fortschreitend gefüllt wird, schirmen die zunehmende Kernladung der weiter außen liegenden Unterschalen nicht besonders effektiv ab. Die den Lanthaniden unmittelbar folgenden Elemente haben Atomradien, die kleiner sind als erwartet und die mit den Atomradien der unmittelbar darüber liegenden Elemente fast identisch sind. Daher ist Lutetium tatsächlich etwas kleiner als Yttrium , Hafnium hat praktisch den gleichen Atomradius (und die gleiche Chemie) wie Zirkonium , und Tantal hat einen ähnlichen Atomradius wie Niob und so weiter. Der Effekt der Lanthanoid-Kontraktion ist bis Platin ( Z = 78) spürbar , danach wird er durch einen relativistischen Effekt, den sogenannten Inert-Paar-Effekt, maskiert .
Aufgrund der Lanthanoid-Kontraktion können die folgenden 5 Beobachtungen gemacht werden:
- Die Größe von Ln 3+ -Ionen nimmt regelmäßig mit der Ordnungszahl ab. Nach den Regeln von Fajans erhöht die Verringerung der Größe von Ln 3+ -Ionen den kovalenten Charakter und verringert den basischen Charakter zwischen Ln 3+ und OH − -Ionen in Ln(OH) 3 , bis zu dem Punkt, dass Yb(OH) 3 und Lu( OH) 3 kann sich in heißem konzentriertem NaOH nur schwer lösen. Damit ist die Größenordnung von Ln 3+ gegeben:
La 3+ > Ce 3+ > ..., ... > Lu 3+ . - Ihre Ionenradien nehmen regelmäßig ab.
- Ihre Tendenz, als Reduktionsmittel zu wirken, nimmt mit zunehmender Ordnungszahl regelmäßig ab.
- Die Eigenschaften der zweiten und dritten Reihe von D-Block-Übergangselementen sind ziemlich ähnlich.
- Folglich kommen diese Elemente in natürlichen Mineralien zusammen vor und sind schwer zu trennen.
D-Block-Kontraktion
Die d-Block-Kontraktion ist weniger ausgeprägt als die Lanthanoid-Kontraktion, entsteht aber aus einer ähnlichen Ursache. In diesem Fall ist es die schlechte Abschirmfähigkeit der 3d-Elektronen, die sich auf die Atomradien und die Chemie der Elemente unmittelbar nach der ersten Reihe der Übergangsmetalle von Gallium ( Z = 31) bis Brom ( Z = 35) auswirkt .
Berechnete Atomradien
Die folgende Tabelle zeigt Atomradien, die aus theoretischen Modellen berechnet wurden, wie sie 1967 von Enrico Clementi und anderen veröffentlicht wurden. Die Werte sind in Pikometern (pm) angegeben.
Gruppe (Spalte) |
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | fünfzehn | 16 | 17 | 18 | ||
Zeitraum (Zeile) |
||||||||||||||||||||
1 |
H 53 |
Er 31 |
||||||||||||||||||
2 |
Li 167 |
Sei 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 |
Kl 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 |
Als 114 |
Se 103 |
Br 94 |
Kr 88 |
||
5 |
Rb 265 |
Sr 219 |
Y 212 |
Zr 206 |
Nr. 198 |
Mo 190 |
Tc 183 |
Ru 178 |
RH 173 |
Pd 169 |
Ag 165 |
CD 161 |
In 156 |
Sn 145 |
Sb 133 |
Te 123 |
ich 115 |
Xe 108 |
||
6 |
Cs 298 |
Ba 253 |
* |
Lu 217 |
HF 208 |
Ta 200 |
W 193 |
Zu 188 |
Os 185 |
Ich 180 |
Punkt 177 |
Au 174 |
Hg 171 |
Tl 156 |
Pb 154 |
Bi 143 |
Po 135 |
Bei 127 |
Rn 120 |
|
7 |
NS |
Ra |
** |
Lr |
Rf |
Db |
Sg |
Bh |
Hs |
Berg |
Ds |
Rg |
Cn |
Nh |
Fl |
Mc |
Lv |
Ts |
Og |
|
* |
La 226 |
Ce 210 |
Pr 247 |
Nd 206 |
Uhr 205 |
Sm 238 |
Eu 231 |
Gott 233 |
Tb 225 |
Dy 228 |
Ho 226 |
Er 226 |
Tm 222 |
Yb 222 |
||||||
** |
Ac |
NS |
Pa |
U |
Np |
Pu |
Bin |
Cm |
Bk |
Vgl |
Es |
Fm |
Md |
Nein |
Siehe auch
- Atomradien der Elemente (Datenseite)
- Chemische Bindung
- Kovalenter Radius
- Bindungslänge
- Sterische Behinderung
- Kinetischer Durchmesser
Anmerkungen
- Unterschied zwischen empirischen und berechneten Daten: Empirische Daten bedeuten „aus Beobachtungen oder Erfahrungen stammend oder darauf beruhend“ oder „auf Erfahrung oder Beobachtung allein beruhend, oft ohne Berücksichtigung von System- und Theoriedaten“. Mit anderen Worten, die Daten werden durch physikalische Beobachtung gemessen und durch andere Experimente überprüft, die ähnliche Ergebnisse liefern . Berechnete Daten hingegen werden aus theoretischen Modellen abgeleitet. Solche Vorhersagen sind besonders nützlich für Elemente, deren Radien experimentell nicht gemessen werden können (zB solche, die nicht entdeckt wurden oder die eine zu kurze Halbwertszeit haben).