Ατομικές ακτίνες, Χρώμα, Καταλυτική Συμπεριφορά

Εισαγωγή 

Η συνολική απόσταση από τον πυρήνα ενός ατόμου μέχρι το εξώτατο τροχιακό των ηλεκτρονίων είναι γνωστή ως ατομική ακτίνα. Με απλούστερους όρους, μπορεί να συγκριθεί με την ακτίνα ενός κύκλου, όπου ο πυρήνας βρίσκεται στο κέντρο και το εξώτατο τροχιακό του ηλεκτρονίου βρίσκεται στην περιφέρεια. Καθώς περπατάτε πάνω και κάτω στον περιοδικό πίνακα, θα παρατηρήσετε μοτίβα που εξηγούν πώς κυμαίνονται οι ατομικές ακτίνες.

Το καθαρό θετικό φορτίο που αισθάνεται το ηλεκτρόνιο σθένους είναι το ενεργό πυρηνικό φορτίο (Zeff) ενός ατόμου. Επειδή τα ηλεκτρόνια του πυρήνα κρύβουν κάποιο θετικό φορτίο, το ηλεκτρόνιο σθένους δεν αισθάνεται το πλήρες θετικό φορτίο. Εδώ είναι μια πλήρης εξήγηση της θωράκισης και του αποτελεσματικού πυρηνικού φορτίου. Το ατομικό μέγεθος ενός ατόμου επηρεάζεται ουσιαστικά από το Zeff Καθώς το Zeff χαμηλώνει, η ατομική ακτίνα αυξάνεται επειδή τα ηλεκτρόνια απομακρύνονται περισσότερο από τον πυρήνα, μειώνοντας την έλξη μεταξύ του πυρήνα και του ηλεκτρονίου. Επειδή ο Zeff μειώνεται καθώς μετακινείστε προς τα κάτω μια ομάδα και από δεξιά προς τα αριστερά στον περιοδικό πίνακα, η ατομική ακτίνα αυξάνεται καθώς μετακινείστε προς τα κάτω μια ομάδα και από δεξιά προς τα αριστερά.

Τύποι ακτίνας σε σχέση με τύπους ομολόγων

Οι ατομικές ακτίνες είναι δύσκολο να υπολογιστούν επειδή η θέση του εξώτατου ηλεκτρονίου είναι ασαφής - δεν γνωρίζουμε ακριβώς πού βρίσκεται το ηλεκτρόνιο. Η Αρχή της Αβεβαιότητας του Heisenberg μπορεί να εξηγήσει αυτή τη συμπεριφορά. Καθορίζουμε την ακτίνα με βάση την απόσταση μεταξύ των πυρήνων δύο δεσμευμένων ατόμων για να αποκτήσουμε μια ακριβή, αλλά ακόμα ατελής, μέτρηση της ακτίνας. Οι ακτίνες των ατόμων καθορίζονται επομένως από τους δεσμούς που δημιουργούν. Η ακτίνα ενός ατόμου ποικίλλει ανάλογα με τον δεσμό που δημιουργεί, επομένως δεν υπάρχει κάτι τέτοιο ως σταθερή ακτίνα ατόμου.

Ακτίνα ομοιοπολικού δεσμού

Η ομοιοπολική ακτίνα μπορεί να υπολογιστεί όταν δύο άτομα έχουν σχηματίσει ομοιοπολική σύνδεση. Όταν δύο άτομα του ίδιου στοιχείου συνδέονται ομοιοπολικά, η ακτίνα κάθε ατόμου είναι η μισή απόσταση μεταξύ των πυρήνων, επειδή τα ηλεκτρόνια έλκονται σε αντίθετες κατευθύνσεις. Η διάμετρος ενός ατόμου καθορίζεται από την απόσταση μεταξύ δύο πυρήνων, αλλά θέλετε την ακτίνα, η οποία είναι η μισή της διαμέτρου.

Οι ομοιοπολικές ακτίνες θα ακολουθούν το ίδιο μοτίβο με τις ατομικές ακτίνες κατά την αύξηση. Αυτό το σχέδιο οφείλεται στο γεγονός ότι όσο μεγαλύτερες είναι οι ακτίνες, τόσο μεγαλύτερη είναι η απόσταση μεταξύ των δύο πυρήνων. Για περισσότερες πληροφορίες, ανατρέξτε στην εξήγηση του Zeff.

Ιονική ακτίνα

Η ακτίνα ενός ατόμου που δημιουργεί έναν ιοντικό δεσμό ή ένα ιόν ονομάζεται ιοντική ακτίνα. Σε έναν ιοντικό δεσμό, κάθε άτομο έχει διαφορετική ακτίνα από ότι σε έναν ομοιοπολικό δεσμό. Αυτή είναι μια κρίσιμη έννοια. Το γεγονός ότι τα άτομα σε έναν ιοντικό δεσμό έχουν πολύ διαφορετικά μεγέθη εξηγεί τη διακύμανση της ακτίνας. Ένα από τα άτομα είναι ένα κατιόν, το οποίο είναι μικρότερο από το άλλο, ενώ το άλλο είναι ένα ανιόν, το οποίο είναι πολύ μεγαλύτερο. Για να ληφθεί υπόψη αυτή η διαφορά, πρέπει πρώτα να υπολογίσουμε ολόκληρη την απόσταση μεταξύ των δύο πυρήνων και να τη διαιρέσουμε με το ατομικό μέγεθος. Όσο μεγαλύτερο είναι το ατομικό μέγεθος, τόσο μεγαλύτερη είναι η ακτίνα.

Η ιοντική ακτίνα των κατιόντων είναι μικρότερη από αυτή των ουδέτερων ατόμων. Τα ανιόντα, από την άλλη πλευρά, έχουν μεγαλύτερες ιοντικές ακτίνες από τα ουδέτερα αντίστοιχα.

Ακολουθεί μια πλήρης εξήγηση:

1. Το κατιόν, το οποίο είναι ένα θετικά φορτισμένο ιόν, περιέχει εξ ορισμού λιγότερα ηλεκτρόνια από πρωτόνια. Σε σύγκριση με το ουδέτερο άτομο ενδιαφέροντος, η απώλεια ενός ηλεκτρονίου θα έχει ως αποτέλεσμα μια μετατόπιση στις ατομικές ακτίνες (χωρίς φορτίο).

2. Η απώλεια ενός ηλεκτρονίου σημαίνει ότι το άτομο έχει τώρα περισσότερα πρωτόνια από ηλεκτρόνια, όπως αναφέρθηκε προηγουμένως. Επειδή υπάρχουν λιγότερα ηλεκτρόνια για να σύρουν τα πρωτόνια προς τον πυρήνα, το ατομικό μέγεθος θα συρρικνωθεί, με αποτέλεσμα μια ισχυρότερη έλξη των ηλεκτρονίων προς τον πυρήνα. Ομοίως, θα πέσει όταν ο αριθμός των ηλεκτρονίων στο εξωτερικό περίβλημα μειωθεί, με αποτέλεσμα μια μικρότερη ακτίνα.

3. Ένας μαγνήτης και ένα μεταλλικό αντικείμενο μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως αναλογία. Εάν δέκα μαγνήτες και δέκα μεταλλικά αντικείμενα αντιπροσωπεύουν ένα ουδέτερο άτομο, με τους μαγνήτες να αντιπροσωπεύουν πρωτόνια και τα μεταλλικά αντικείμενα να αντιπροσωπεύουν ηλεκτρόνια, τότε η αφαίρεση ενός μεταλλικού αντικειμένου, που ισοδυναμεί με την αφαίρεση ενός ηλεκτρονίου, θα αναγκάσει τον μαγνήτη να τραβήξει τα μεταλλικά αντικείμενα πιο κοντά μεταξύ τους. ο αριθμός των μεταλλικών αντικειμένων θα μειωθεί. Αυτό μπορεί επίσης να ειπωθεί για τα πρωτόνια που σέρνουν ηλεκτρόνια πιο κοντά στον πυρήνα, με αποτέλεσμα τη μείωση του ατομικού μεγέθους.

Καθώς δημιουργούνται θετικά ιόντα, η ιοντική ακτίνα πέφτει.

Ένα ανιόν, από την άλλη πλευρά, θα είναι μεγαλύτερο από το άτομο από το οποίο σχηματίστηκε λόγω του κέρδους ενός ηλεκτρονίου. Η προσθήκη ενός ηλεκτρονίου στο εξωτερικό περίβλημα αυξάνει την ακτίνα επειδή υπάρχουν τώρα περισσότερα ηλεκτρόνια πιο μακριά από τον πυρήνα και περισσότερα ηλεκτρόνια για να τραβήξουν προς τον πυρήνα, με αποτέλεσμα η έλξη να γίνει ελαφρώς ασθενέστερη από αυτή ενός ουδέτερου ατόμου, με αποτέλεσμα την αύξηση της ατομικής ακτίνας.

Μεταλλική ακτίνα

Η ακτίνα ενός ατόμου που συνδέεται με μια μεταλλική σύνδεση είναι γνωστή ως μεταλλική ακτίνα. Σε ένα μεταλλικό σύμπλεγμα, η μεταλλική ακτίνα είναι το ήμισυ της συνολικής απόστασης μεταξύ των πυρήνων δύο γειτονικών ατόμων. Η απόσταση μεταξύ κάθε ατόμου σε ένα μέταλλο θα είναι η ίδια επειδή αποτελείται από άτομα του ίδιου στοιχείου.

Τάση ατομικής ακτίνας στις  Περιοδικές τάσεις

Καθώς ο αριθμός των ηλεκτρονικών κελυφών σε ένα άτομο αυξάνεται, η ακτίνα του ατόμου αυξάνεται καθώς μετακινείστε προς τα κάτω στον περιοδικό πίνακα των στοιχείων.

Γενικά, καθώς μετακινείστε από τα αριστερά προς τα δεξιά μιας περιόδου, το μέγεθος ενός ατόμου συρρικνώνεται. Το αποτελεσματικό πυρηνικό φορτίο αυξάνεται με την πάροδο του χρόνου καθώς η θωράκιση των ηλεκτρονίων παραμένει σταθερή. Ένα υψηλότερο αποτελεσματικό πυρηνικό φορτίο έλκει τα ηλεκτρόνια πιο έντονα, έλκοντας το ηλεκτρονιακό νέφος πιο κοντά στον πυρήνα και μειώνοντας την ατομική ακτίνα.

Κάθετη κίνηση 

Καθώς  προχωράμε σε μια ομάδα, η ακτίνα των ατόμων αυξάνεται.

Οριζόντια κίνηση

Καθώς μετακινείστε από την αριστερή στη δεξιά πλευρά μιας περιόδου, το μέγεθος ενός ατόμου συρρικνώνεται.

ΕΞΑΙΡΕΣΕΙΣ:Ο πυρήνας έλκει ηλεκτρόνια προς τα μέσα επειδή τα ηλεκτρόνια που προστίθενται στα μεταβατικά στοιχεία προστίθενται στο εσωτερικό ηλεκτρονιακό κέλυφος ενώ το εξωτερικό κέλυφος παραμένει σταθερό. Αυτό το φαινόμενο εξηγείται από τη διαμόρφωση ηλεκτρονίων των μετάλλων μετάπτωσης.

Η ηλεκτρονική διαμόρφωση (E.C.) του Ga είναι:

[Ar]3d104s24p1

Το φαινόμενο διαλογής (ή το φαινόμενο θωράκισης) για τα εξώτατα ηλεκτρόνια μειώνεται λόγω της χαμηλής επίδρασης θωράκισης των ηλεκτρονίων d. Ως αποτέλεσμα, το αποτελεσματικό πυρηνικό φορτίο στα εξωτερικά ηλεκτρόνια αυξάνεται, προκαλώντας τη συρρίκνωση του μεγέθους του ατόμου. Ως αποτέλεσμα, τα μεγέθη των Ga και Al είναι σχεδόν ίδια.

Η σειρά της ισχύος διείσδυσης των τροχιακών είναι:s>p> d>f

Ως αποτέλεσμα, εάν τα εσωτερικά ηλεκτρόνια βρίσκονται στο s -τροχιακό, θα έχουν μεγαλύτερη επίδραση διαλογής από αυτά στο τροχιακό p, εξασθενώντας το φαινόμενο διαλογής.

Αυτό εξηγεί γιατί το Ga έχει το ίδιο μέγεθος με το άτομο πριν από αυτό και το Sb είναι κάπως μεγαλύτερο από το Sn.

Συμπέρασμα 

Όταν προσπαθείτε να περιγράψετε τη συμπεριφορά των ατόμων ή των ενώσεων, το μέγεθος των ατόμων είναι κρίσιμο. Η ατομική ακτίνα είναι ένας από τους τρόπους με τους οποίους μπορούμε να εκφράσουμε το μέγεθος των ατόμων. Αυτές οι πληροφορίες εξηγούν γιατί ορισμένα μόρια ταιριάζουν μεταξύ τους και γιατί άλλα έχουν μερίδες που γεμίζουν πολύ κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες.