Atom yarıçapı
Kimyasal bir elementin atom yarıçapı, atomlarının büyüklüğünün, genellikle çekirdeğin merkezinden elektronların çevresindeki kabukların sınırına ortalama veya tipik mesafenin bir ölçüsüdür. Sınır iyi tanımlanmış bir fiziksel varlık olmadığından, atomik yarıçapın eşdeğer olmayan çeşitli tanımları vardır. Atomik yarıçapın yaygın olarak kullanılan üç tanımı şunlardır: Van der Waals yarıçapı, iyonik yarıçapı ve kovalent yarıçapı.
Tanıma bağlı olarak, terim sadece izole edilmiş atomlar veya yoğunlaştırılmış madde içindeki atomlar, moleküllerde veya iyonize ve uyarılmış durumlarda kovalent olarak bağlanma; ve değeri deneysel ölçümlerle elde edilebilir veya teorik modellerden hesaplanabilir. Yarıçapın değeri atomun durumuna ve bağlamına bağlı olabilir.
Elektronların belirli yörüngeleri veya keskin bir şekilde tanımlanmış aralıkları yoktur. Daha ziyade, konumları keskin bir kesim olmadan çekirdekten uzaklaştıkça kademeli olarak azalan olasılık dağılımları olarak tanımlanmalıdır. Ayrıca, yoğun madde ve moleküllerde, atomların elektron bulutları genellikle bir dereceye kadar üst üste bindirilir ve bazı elektronlar, iki veya daha fazla atomu kapsayan geniş bir bölgede dolaşabilir.
Çoğu tanım altında, izole edilmiş nötr atomların yarıçapı 30 ila 300 pm (bir metrenin trilyonda biri) veya 0,3 ila 3 ångströms arasında değişir. Bu nedenle, bir atomun yarıçapı çekirdeğinin yarıçapının 10.000 katından (1-10 fm) ve görünür ışığın dalga boyunun (400-700 nm) 1/1000'inden azdır.
Birçok amaç için atomlar küre olarak modellenebilir. Bu sadece kaba bir yaklaşımdır, ancak sıvıların ve katıların yoğunluğu, sıvıların moleküler eleklerden difüzyonu, atomların düzenlenmesi kristallerdeki iyonlar ve moleküllerin büyüklüğü ve şekli ve benzeri pek çok olay için nicel açıklamalar ve tahminler sağlayabilir.
 Bir etanol molekülünün yaklaşık şekli, CH3CH2OH. Her atom, elementin Van der Waals yarıçapına sahip bir küre tarafından modellenmiştir. |
Atomik yarıçaplar periyodik tablo boyunca tahmin edilebilir ve açıklanabilir bir şekilde değişir. Örneğin yarıçaplar genel olarak tablonun her periyodu (sırası) boyunca alkali metallerden soy gazlara kadar azalır; ve her grubu (sütun) artırın. Yarıçap, her periyod sonunda soy gaz ile bir sonraki periyodun başında alkali metal arasında keskin bir artış gösterir. Atomik yarıçapların (ve elementlerin diğer çeşitli kimyasal ve fiziksel özelliklerinin) bu eğilimleri, atomun elektron kabuğu teorisi ile açıklanabilir; kuantum teorisinin gelişimi ve doğrulanması için önemli kanıtlar sağladılar. Atomik yarıçap Periyodik Tablo boyunca azalır çünkü atom sayısı arttıkça, proton sayısı periyot boyunca artar, ancak ekstra elektronlar sadece aynı kuantum kabuğuna eklenir. Bu nedenle, en dıştaki elektronlara doğru etkili nükleer yük artar ve en dıştaki elektronları yaklaştırır. Sonuç olarak, elektron bulutu büzülür ve atom yarıçapı azalır.
Tarihçe
1920'de, X-ışını kristalografisini kullanarak atomların boyutlarını belirlemek mümkün olduktan kısa bir süre sonra, aynı elementin tüm atomlarının aynı yarıçaplara sahip olduğu önerildi. Bununla birlikte, 1923'te, daha fazla kristal verisi elde edildiğinde, bir atomun küre olarak yakınlaştırılmasının, aynı atomu farklı kristal yapılarda karşılaştırırken zorunlu olarak bulunmadığı bulunmuştur.
Tanımlar
Atomik yarıçapın yaygın olarak kullanılan tanımları şunları içerir:
- Van der Waals yarıçapı: prensip olarak, aynı moleküle bağlı olmayan elementin iki atomunun çekirdeği arasındaki minimum mesafenin yarısı.
- İyonik yarıçapı: belirli bir iyonizasyon durumunda bir elementin iyonlarının nominal iyonu, o iyonu içeren kristal tuzlarda atom çekirdeğinin aralığından çıkarılır. Prensipte, iki bitişik zıt yüklü iyon arasındaki aralıklar (aralarındaki iyonik bağın uzunluğu) iyonik yarıçaplarının toplamına eşit olmalıdır.
- Kovalent yarıçapı: moleküllerdeki atom çekirdeği arasındaki ayrımdan çıkarıldığı gibi, diğer atomlara kovalent olarak bağlandığında bir elementin atomlarının nominal yarıçapıdır. Prensipte, bir molekülde birbirine bağlı iki atom arasındaki mesafe (bu kovalent bağın uzunluğu) kovalent yarıçaplarının toplamına eşit olmalıdır.
- Metalik yarıçap: metalik bağlarla diğer atomlara birleştirildiğinde bir elementin atomlarının nominal yarıçapı.
- Bohr yarıçapı: atomun Bohr modeli tarafından tahmin edilen en düşük enerjili elektron yörüngesinin yarıçapı (1913). Sadece hidrojen, tekli iyonize helyum ve pozitronyum gibi tek bir elektronu olan atomlara ve iyonlara uygulanabilir. Modelin kendisi artık eski olmasına rağmen, hidrojen atomu için Bohr yarıçapı hala önemli bir fiziksel sabit olarak kabul edilmektedir.
Ampirik olarak ölçülen atom yarıçapı
Aşağıdaki tablo, 1964'te J. C. Slater tarafından yayınlanan elementler için ampirik olarak ölçülen kovalent yarıçapları göstermektedir. Değerler, yaklaşık 5 pm'lik bir doğrulukla pikometre (pm veya 1×10−12 m) cinsindendir. Yarıçap arttıkça kutunun gölgesi kırmızıdan sarıya değişir; gri veri eksikliğini gösterir.
| Grup (column) |
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | |
| Periyot (row) |
|||||||||||||||||||
| 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 |
Nh |
Fl |
Mc |
Lv |
Ts |
Og | |
| Lantanitler | * |
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 | |||
| Aktinit | ** |
Ac 195 |
Th 180 |
Pa 180 |
U 175 |
Np 175 |
Pu 175 |
Am 175 |
Cm |
Bk |
Cf |
Es |
Fm |
Md |
No |
Lr | |||
Genel eğilimlerin açıklaması
Atomik yarıçapın artan atom numarasıyla değişme şekli, elektronların sabit kapasiteli kabuklarda düzenlenmesi ile açıklanabilir. Kabuklar genellikle artan yarıçap sırasına göre doldurulur, çünkü negatif yüklü elektronlar çekirdekteki pozitif yüklü protonlar tarafından çekilir. Atom numarası periyodik tablonun her sırası boyunca arttıkça, ilave elektronlar en dıştaki kabuğa girer; artan nükleer yük nedeniyle yarıçapı kademeli olarak daralır. Soy gazda, en dıştaki kabuk tamamen doldurulur; bu nedenle, bir sonraki alkali metalin ilave elektronu, atomik yarıçaptaki ani artışı hesaba katarak bir sonraki dış kabuğa girecektir.
Artan nükleer yük, kısmen koruyucu olarak bilinen bir fenomen olan artan elektron sayısıyla dengelenir; bu da atom boyutunun neden genellikle her sütunda arttığını açıklar. Bununla birlikte, lantanid kasılması olarak bilinen önemli bir istisna vardır: 4d elektronların zayıf koruması nedeniyle, 5d element bloğu beklenenden çok daha küçüktür.
Esasen, artan proton sayısı nedeniyle atom yarıçapı periyot boyunca azalır. Bu nedenle, protonlar ve elektronlar arasında daha büyük bir çekim vardır, çünkü zıt yükler çeker ve daha fazla proton daha güçlü bir yük oluşturur. Daha fazla çekim elektronları protonlara yaklaştırarak parçacığın boyutunu küçültür. Bu nedenle atom yarıçapı azalır. Gruplardan aşağı doğru atom yarıçapı artar. Çünkü protonlar ve elektronlar arasında daha fazla enerji seviyesi ve dolayısıyla daha büyük bir mesafe vardır. Ek olarak, elektron koruması cazibenin azalmasına neden olur, böylece kalan elektronlar pozitif yüklü çekirdekten daha uzağa gidebilir. Bu nedenle, boyut (atom yarıçapı) artar.
Aşağıdaki tabloda, bir elementin atom yarıçapını etkileyen ana fenomenler özetlenmektedir:
| faktör | prensip | ile artırmak ... | eğilimi | yarıçap üzerindeki etkisi |
|---|---|---|---|---|
| elektron kabukları | kuantum mekaniği | ana ve azimut kuantum sayıları | atom yarıçapı artar | her sütunu arttırır |
| nükleer yük | çekirdekteki protonlar tarafından elektronlara etki eden çekici kuvvet | atom numarası | atom yarıçapını azalır | her periyot boyunca azalır |
| koruyucu | iç elektronlar tarafından en dıştaki kabuk elektronlarına etki eden itici kuvvet | iç kabuklardaki elektron sayısı | atom yarıçapı artar | 2. faktörün etkisini azaltır |
Lantanid daralması
Seryumdan (Z = 58) lütuma (Z = 71) aşamalı olarak doldurulan 4f-alt kabuğundaki elektronlar, alt kabuklardan artan nükleer yükün daha da dışarıda kalmasında özellikle etkili değildir. Lantanitleri hemen takip eden elementler, beklenenden daha küçük olan ve hemen üstlerindeki elementlerin atomik yarıçaplarıyla neredeyse aynı olan atomik yarıçaplara sahiptir. Bu nedenle hafniyum, zirkonyumla neredeyse aynı atom yarıçapına (ve kimyaya) sahiptir ve tantal, niyobyuma benzer bir atom yarıçapına ve benzerliğe sahiptir. Lantanid daralmasının etkisi platine (Z = 78) kadar fark edilir, daha sonra atıl çift etkisi olarak bilinen göreli bir etki ile maskelenir.
Lantanid daralması nedeniyle, aşağıdaki 5 gözlem çizilebilir:
- Ln3+ iyonlarının boyutu atom numarasıyla düzenli olarak azalır. Fajan kurallarına göre, Ln3+ iyonlarının boyutundaki küçülme kovalent karakteri arttırır ve Ln(OH)3'teki Ln3+ ve OH− iyonları arasındaki temel karakteri YYb(OH)3 ve Lu(OH)3'ün sıcak konsantre NaOH içinde zorlukla çözülür. Bu nedenle Ln3+'nın boyut sırası verilmiştir:
La3+ > Ce3+ > ..., ... > Lu3+.
- İyonik yarıçaplarında düzenli bir azalma var.
- Atom sayısında artışla birlikte indirgeyici ajan olarak hareket etme eğilimlerinde düzenli bir azalma vardır.
- D-blok geçiş elemanlarının ikinci ve üçüncü sıraları özelliklerde oldukça yakındır.
- Sonuç olarak, bu elementler doğal minerallerde birlikte oluşur ve ayrılması zordur.
d-bloğu daralması
D-bloğu kontraksiyonu lantanid kontraksiyonundan daha az belirgindir, ancak benzer bir nedenden kaynaklanır. Bu durumda, geçiş metallerinin ilk sırasını hemen takip eden elementlerin atom yarıçaplarını ve kimyalarını galyumdan (Z = 31) bromine (Z = 35) etkileyen zayıf elektronlama zayıflama kapasitesidir.
Hesaplanan atom yarıçapları
Aşağıdaki tabloda, Enrico Clementi ve diğerleri tarafından 1967'de yayınlanan teorik modellerden hesaplanan atomik yarıçaplar gösterilmektedir. Değerler pikometre (pm) cinsindendir.
| Grup (kolon) |
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | |
| Periyot (sıra) |
|||||||||||||||||||
| 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 127 |
Rn 120 | |
| 7 | Fr |
Ra |
** |
Rf |
Db |
Sg |
Bh |
Hs |
Mt |
Ds |
Rg |
Cn |
Nh |
Fl |
Mc |
Lv |
Ts |
Og | |
| Lantanitler | * |
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 | |||
| Aktinit | ** |
Ac |
Th |
Pa |
U |
Np |
Pu |
Am |
Cm |
Bk |
Cf |
Es |
Fm |
Md |
No |
Lr | |||
Ayrıca bakınız
- Elementlerin atom yarıçapları (veri sayfası)
- Kimyasal bağ
- Kovalent yarıçapı
- Bağ uzunluğu
- Kinetik çap