Наибольший радиус имеет: 11 класс. Химия. Тематическая контрольная работа. Закономерности в ПСХЭ — Вариант 4

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

Цели обучения

• Понимать периодические изменения атомных радиусов.
• Для предсказания относительных размеров ионов в изоэлектронном ряду.

Хотя некоторые люди попадают в ловушку, представляя атомы и ионы маленькими твердыми сферами, похожими на миниатюрные мячики для настольного тенниса или шарики, квантово-механическая модель говорит нам, что их формы и границы гораздо менее определены, чем предполагают эти изображения. В результате нельзя сказать, что атомы и ионы имеют точные размеры. В этом разделе мы обсудим, как определяются и получаются «размеры» атомов и ионов.

Atomic Radii

Вспомните, что вероятность нахождения электрона на различных доступных орбиталях медленно падает по мере увеличения расстояния от ядра. Этот момент показан на рис. 2.8.1, где показан график зависимости полной электронной плотности для всех занятых орбиталей трех инертных газов от их расстояния от ядра. Плотность электронов постепенно уменьшается с увеличением расстояния, что делает невозможным проведение резкой линии, обозначающей границу атома.

Рисунок 2.8.1 также показывает, что существуют отчетливые пики полной электронной плотности на определенных расстояниях и что эти пики возникают на разных расстояниях от ядра для каждого элемента. Каждый пик на данном графике соответствует электронной плотности в данной основной оболочке. Поскольку гелий имеет только одну заполненную оболочку ( n = 1), он показывает только один пик. Напротив, неон с заполненными n = 1 и 2 главные оболочки, имеет две вершины. Аргон с заполненными n = 1, 2 и 3 основными оболочками имеет три пика. Пик для заполненной оболочки n = 1 приходится на последовательно меньшие расстояния для неона ( Z = 10) и аргона ( Z = 18), поскольку при большем числе протонов их ядра заряжены более положительно, чем что из гелия. Поскольку оболочка 1 s ² находится ближе всего к ядру, ее электроны очень плохо экранируются электронами в заполненных оболочках с большими значениями n . Следовательно, два электрона в оболочке n = 1 испытывают почти полный ядерный заряд, что приводит к сильному электростатическому взаимодействию между электронами и ядром. Энергия оболочки n = 1 также сильно уменьшается (заполненная орбиталь 1 s становится более стабильной) с увеличением заряда ядра. По аналогичным причинам заполненная оболочка n = 2 в аргоне расположена ближе к ядру и имеет меньшую энергию, чем n = 2 корпуса в неоновом цвете.

Рисунок 2.8.1 иллюстрирует сложность измерения размеров отдельного атома. Однако, поскольку расстояния между ядрами в парах ковалентно связанных атомов могут быть измерены довольно точно, химики используют эти расстояния в качестве основы для описания приблизительных размеров атомов. Например, известно, что межъядерное расстояние в двухатомной молекуле Cl ₂ равно 198 пм. Мы относим половину этого расстояния к каждому атому хлора, давая хлору ковалентный атомный радиус ( r _cov ), что составляет половину расстояния между ядрами двух одноименных атомов, соединенных ковалентной связью в одной молекуле, 99 пм или 0,99 Å (часть (а) на рис. 2.8.2). Атомные радиусы часто измеряются в ангстремах (Å), единицах измерения, не входящих в систему СИ: 1 Å = 1 × 10 90 142 −10 90 143 м = 100 пм.

В аналогичном подходе мы можем использовать длины одинарных углерод-углеродных связей в органических соединениях, которые удивительно однородны при 154 пм, чтобы присвоить значение 77 пм в качестве ковалентного атомного радиуса для углерода. Если эти значения действительно отражают реальные размеры атомов, то мы должны быть в состоянии предсказать длины ковалентных связей, образованных между различными элементами путем их сложения. Например, мы могли бы предсказать расстояние между углеродом и хлором, равным 77 пм + 99 пм = 176 пм для связи C – Cl, что очень близко к среднему значению, наблюдаемому во многих хлорорганических соединениях. Аналогичный подход к измерению размера ионов обсуждается далее в этом разделе.

Ковалентные атомные радиусы можно определить для большинства неметаллов, но как химики получают атомные радиусы для элементов, которые не образуют ковалентных связей? Для этих элементов разработано множество других методов. Например, для металла металлический атомный радиус (r _{соответствует} ) определяется как половина расстояния между ядрами двух соседних атомов металла (часть (b) на рис. 2.8.2). Для таких элементов, как благородные газы, большинство из которых не образует стабильных соединений, мы можем использовать так называемый ван-дер-ваальсов атомный радиус (r _vdW ), который составляет половину межъядерного расстояния между двумя несвязанными атомами в твердом теле (часть (в) на рисунке 2.8.2). Это несколько затруднительно для гелия, который не образует твердого тела ни при какой температуре. Атом, такой как хлор, имеет как ковалентный радиус (расстояние между двумя атомами в молекуле \(Cl_2\)), так и ван-дер-ваальсов радиус (расстояние между двумя атомами Cl в разных молекулах, например, в \(Cl_2). {2(s)}\) при низких температурах). Эти радиусы обычно не совпадают (часть (d) на рис. 2.8.2).

Периодические тенденции в атомных радиусах

Поскольку невозможно измерить размеры как металлических, так и неметаллических элементов с помощью какого-либо одного метода, химики разработали самосогласованный способ расчета атомных радиусов с использованием квантово-механических функций. Хотя значения радиусов, полученные с помощью таких вычислений, не идентичны ни одному из экспериментально измеренных наборов значений, они позволяют сравнивать собственные размеры всех элементов и ясно показывают, что размер атома изменяется периодически (рис. 2.8. 3).

В периодической таблице радиусы атомов уменьшаются слева направо по строке и увеличиваются сверху вниз по столбцу. Из-за этих двух тенденций самые большие атомы находятся в нижнем левом углу периодической таблицы, а самые маленькие — в верхнем правом углу (рис. 2.8.4).

Расчетные атомные радиусы (в пикометрах) с -, р — и д -Блочные элементы. Размеры кружков иллюстрируют относительные размеры атомов. Расчетные значения основаны на квантово-механических волновых функциях. Источник: http://www.webelements.com. Web Elements — отличный онлайн-источник для поиска атомарных свойств.

Примечание

Атомные радиусы уменьшаются слева направо по строке (точке) и увеличиваются сверху вниз по столбцу (группе или семейству).

Тенденции в размерах атомов являются результатом различий в эффективные ядерные заряды ( Z _эфф ) испытываемые электронами на крайних орбиталях элементов. Для всех элементов, кроме H, эффективный заряд ядра всегда на 90×107 меньше фактического заряда ядра на 90×108 из-за экранирующих эффектов. Чем больше эффективный заряд ядра, тем сильнее внешние электроны притягиваются к ядру и тем меньше радиус атома.

Атомы во второй строке периодической таблицы (от Li до Ne) иллюстрируют эффект электронного экранирования. У всех заполнено 1 s ² внутренняя оболочка, но по мере прохождения слева направо по ряду заряд ядра увеличивается с +3 до +10. Хотя к орбиталям 2 s и 2 p добавляются электроны, электронов в одной и той же основной оболочке не очень эффективно экранируют друг друга от ядерного заряда . Таким образом, единственный 2 s электрон в литии испытывает эффективный ядерный заряд примерно +1, потому что электроны в заполненном 1 s ² оболочка эффективно нейтрализует два из трех положительных зарядов ядра. (Более подробные расчеты дают значение Z _эфф = +1,26 для Li.) Напротив, два 2 s электрона в бериллии не очень хорошо экранируют друг друга, хотя заполненные 1 s ^{2 Оболочка} эффективно нейтрализует два из четырех положительных зарядов ядра. Это означает, что эффективный ядерный заряд, испытываемый 2 с электронов в бериллии находится между +1 и +2 (расчетное значение равно +1,66). Следовательно, бериллий значительно меньше лития. Точно так же, когда мы продвигаемся по ряду, увеличивающийся ядерный заряд не эффективно нейтрализуется электронами, присоединяющимися к орбиталям 2 90 107 s 90 108 и 2 90 107 p 90 108 . Результатом является устойчивое увеличение эффективного заряда ядра и устойчивое уменьшение атомного размера.

Увеличение размера атомов вниз по столбцу также происходит из-за электронного экранирования, но ситуация более сложная, поскольку главное квантовое число n непостоянно. Как мы видели в главе 2, размер орбиталей увеличивается по мере увеличения n , при условии, что заряд ядра остается тем же самым . В группе 1, например, размер атомов существенно увеличивается вниз по колонке. На первый взгляд может показаться разумным приписать этот эффект последовательному присоединению электронов к нс орбиталей с возрастающими значениями n . Однако важно помнить, что радиус орбитали резко зависит от заряда ядра. По мере того, как мы спускаемся по столбцу элементов группы 1, главное квантовое число n увеличивается с 2 до 6, а заряд ядра увеличивается с +3 до +55!

Как следствие, радиусы нижних электронных орбиталей в цезии намного меньше, чем в литии, и электроны на этих орбиталях испытывают гораздо большую силу притяжения к ядру. Эта сила зависит от эффективного ядерного заряда, испытываемого внутренними электронами. Если бы самые внешние электроны в цезии испытали полный ядерный заряд +55, атом цезия действительно был бы очень маленьким. На самом деле эффективный ядерный заряд, ощущаемый внешними электронами цезия, намного меньше, чем ожидалось (6, а не 55). Это означает, что цезий с 6 s ¹ конфигурация валентных электронов намного больше, чем у лития, с конфигурацией валентных электронов 2 s ¹ . Эффективный заряд ядра относительно мало меняется для электронов на самой внешней, или валентной, оболочке от лития к цезию, потому что электронов в заполненных внутренних оболочках очень эффективно экранируют электроны во внешних оболочках от ядерного заряда . Несмотря на то, что цезий имеет ядерный заряд +55, он имеет 54 электрона в своей заполненной 19.0107 s ² 2 s ² 2 p ⁶ 3 s ² 3 p ⁶ 4 s ² 3 d ¹⁰ 4 P ⁶ 5 S ² 4 D ¹⁰ 5 P ⁶ Shells, сокращено как [XE] 5 S ^{2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2}

42 2

42 2 2

43

43. ⁶ , которые эффективно нейтрализуют большинство из 55 положительных зарядов ядра. Та же динамика отвечает за неуклонное увеличение размера, наблюдаемое по мере того, как мы спускаемся по другим столбцам периодической таблицы. Неравномерности обычно можно объяснить изменениями эффективного заряда ядра.

Примечание

Электроны в одной и той же основной оболочке не очень эффективно экранируют друг друга от ядерного заряда, тогда как электроны в заполненных внутренних оболочках очень эффективно экранируют электроны на внешних оболочках от ядерного заряда.

Пример 2.8.1

На основании их положения в периодической таблице расположите эти элементы в порядке возрастания атомного радиуса: алюминий, углерод и кремний.

Дано: три элемента

Запрос: расположить в порядке возрастания атомного радиуса

Стратегия:

1. Определить расположение элементов в периодической таблице. Определить относительные размеры элементов, находящихся в одном столбце, по их главному квантовому числу n . Затем определите порядок элементов в том же ряду по их эффективным зарядам ядер. Если элементы не находятся в одном столбце или строке, используйте парные сравнения.
2. Перечислите элементы в порядке увеличения атомного радиуса.

Решение:

A Эти элементы не находятся в одном столбце или строке, поэтому мы должны использовать попарные сравнения. Углерод и кремний находятся в группе 14, а углерод лежит выше, поэтому углерод меньше кремния (C < Si). Алюминий и кремний находятся в третьем ряду, а алюминий находится слева, поэтому кремний меньше алюминия (Si < Al), потому что его эффективный ядерный заряд больше. B Объединение двух неравенств дает общий порядок: C < Si < Al.

Упражнение 2.8.1

На основании их положения в периодической таблице расположите эти элементы в порядке возрастания размера: кислород, фосфор, калий и сера.

Ответ:

О < С < Р < К

Ионные радиусы и изоэлектронные серии

Ион образуется, когда один или несколько электронов удаляются от нейтрального атома (катионы) с образованием положительного иона или когда дополнительные электроны присоединяются к нейтральным атомам (анионам) с образованием отрицательного . Обозначения катион или анион произошли от ранних экспериментов с электричеством, которые обнаружили, что положительно заряженные частицы притягиваются к отрицательному полюсу батареи, катоду, а отрицательно заряженные частицы притягиваются к положительному полюсу, аноду.

Ионные соединения состоят из регулярно повторяющихся рядов чередующихся положительно заряженных катионов и отрицательно заряженных анионов. Хотя невозможно непосредственно измерить ионный радиус по той же причине, по которой невозможно непосредственно измерить радиус атома, возможно измерить расстояние между ядрами катиона и соседнего аниона в ионном соединении. определить ионный радиус (радиус катиона или аниона) одного или обоих. Как показано на рис. 2.8.6, межъядерное расстояние соответствует сумма радиусов катиона и аниона. Было разработано множество методов для пропорционального деления экспериментально измеренного расстояния между катионом меньшего размера и анионом большего размера. Эти методы производят наборы ионных радиусов, которые внутренне согласованы от одного ионного соединения к другому, хотя каждый метод дает несколько разные значения. Например, радиус иона Na ⁺ практически одинаков в NaCl и Na ₂ S, если для его измерения используется один и тот же метод. Таким образом, несмотря на незначительные различия, обусловленные методологией, можно наблюдать определенные тенденции.

Сравнение ионных радиусов с атомными радиусами (рис. 2.8.7) катион, потерявший электрон, всегда меньше своего исходного нейтрального атома, а анион, получив электрон, всегда больше исходного нейтрального атома . Когда один или несколько электронов удаляются из нейтрального атома, происходят две вещи: (1) отталкивание между электронами в одной и той же основной оболочке уменьшается, потому что присутствует меньше электронов, и (2) эффективный ядерный заряд, ощущаемый оставшимися электронами, увеличивается, потому что меньше электронов, чтобы экранировать друг друга от ядра. Следовательно, размер области пространства, занятой электронами, уменьшается (сравните Li на 167 пм с Li ⁺ в 19:00). Если для образования ионов с разными зарядами можно удалить разное количество электронов, ион с наибольшим положительным зарядом будет наименьшим (сравните Fe ^{2 +} при 78 пм с Fe ^{3 +} при 64,5 пм). И наоборот, добавление одного или нескольких электронов к нейтральному атому вызывает увеличение электрон-электронного отталкивания и уменьшение эффективного заряда ядра, поэтому размер вероятностной области увеличивается (сравните F при 42 пм с F ⁻ , 133:00).

Примечание

Катионы на всегда на меньше нейтрального атома, а анионы на всегда на больше.

Поскольку большинство элементов образуют либо катион, либо анион, но не то и другое вместе, существует мало возможностей для сравнения размеров катиона и аниона, полученных из одного и того же нейтрального атома. Однако некоторые соединения натрия содержат Na ^— , что позволяет сравнить его размер с размером гораздо более известного иона Na ⁺ , который встречается в многих соединениях . Радиус натрия в каждой из трех известных степеней окисления приведен в таблице 2.8.1. Все три вида имеют ядерный заряд +11, но они содержат 10 (Na ⁺ ), 11 (Na ⁰ ) и 12 (Na ^— ) электронов. Ион Na ⁺ значительно меньше нейтрального атома Na, поскольку 3 s ¹ электрона было удалено, чтобы образовалась закрытая оболочка с n = 2. Ион Na ⁻ больше, чем исходный атом Na, потому что дополнительный электрон создает конфигурацию 3 s ² валентного электрона, в то время как заряд ядра остается прежним.

Таблица 2.8.1: Экспериментально измеренные значения радиуса натрия в его трех известных степенях окисления

	На +	Нет данных 0	На −
Электронная конфигурация	1 с 2 2 с 2 2 р 6	1 с 2 2 с 2 2 р 6 3 с 1	1 с 2 2 с 2 2 р 6 3 с 2
Радиус (м)	102	154*	202 †
*Металлический радиус, измеренный для Na(s).
†Источник: М. Дж. Вагнер и Дж. Л. Дай, «Алкалиды, электриды и расширенные металлы», Ежегодный обзор материаловедения 23 (1993): 225–253.

Ионные радиусы имеют ту же вертикальную тенденцию, что и атомные радиусы; то есть для ионов с одинаковым зарядом ионный радиус увеличивается вниз по столбцу. Причина та же, что и для атомных радиусов: экранирование заполненными внутренними оболочками мало изменяет эффективный заряд ядра, ощущаемый внешними электронами. Снова главные оболочки с большими значениями n лежат на последовательно больших расстояниях от ядра.

Поскольку элементы в разных столбцах склонны образовывать ионы с разными зарядами, невозможно сравнивать ионы с одинаковым зарядом в ряду таблицы Менделеева. Вместо этого элементы, которые находятся рядом друг с другом, имеют тенденцию образовывать ионы с одинаковым количеством электронов, но с разными общими зарядами из-за их разных атомных номеров. Такой набор видов известен как изоэлектронный ряд. Например, изоэлектронный ряд частиц с конфигурацией закрытой оболочки неона (1 S ² 2 S ² 2 P ⁶ ) показан в таблице 7.3

. ⁺ . Все шесть ионов содержат по 10 электронов на орбиталях 1 s , 2 s и 2 p , но заряд ядра варьируется от +7 (N) до +13 (Al). Поскольку положительный заряд ядра увеличивается, а число электронов остается прежним, между электронами и ядром возникает большее электростатическое притяжение, что вызывает уменьшение радиуса. Следовательно, ион с наибольшим ядерным зарядом (Al ^{3 +} ) является самым маленьким, а ион с наименьшим ядерным зарядом (N ³⁻ ) является самым большим. Атом неона в этом изоэлектронном ряду не указан в табл. 2.8.3, поскольку неон не образует ни ковалентных, ни ионных соединений и, следовательно, его радиус трудно измерить.

Пример 2. 8.2

На основании их положения в периодической таблице расположите эти ионы в порядке увеличения радиуса: Cl ^— , К ⁺ , S ^{2 —} и Se ^{2 —} .

Дано: четыре иона

Запрошено: упорядочение по возрастанию радиуса

Стратегия:

1. Определите, какие ионы образуют изоэлектронный ряд. Из этих ионов предскажите их относительные размеры на основе их ядерных зарядов. Для ионов, не образующих изоэлектронный ряд, определите их положение в периодической таблице.
2. Определите относительные размеры ионов на основе их главных квантовых чисел и и их расположение в ряду.

Решение:

A Мы видим, что S и Cl находятся справа в третьей строке, а K и Se — в крайнем левом и правом концах четвертой строки соответственно. K ⁺ , Cl ^— и S ^{2 —} образуют изоэлектронный ряд с закрытой электронной конфигурацией [Ar]; то есть все три иона содержат 18 электронов, но имеют разные заряды ядер. Поскольку K ⁺ имеет наибольший ядерный заряд ( Z = 19), его радиус наименьший, а S ²⁻ с Z = 16 имеет наибольший радиус. Поскольку селен находится непосредственно под серой, мы ожидаем, что ион Se ^2– будет даже больше, чем S ^2– . B Следовательно, порядок должен быть K ⁺ < Cl ⁻ < S ²⁻ < Se ²⁻ .

Упражнение 2.8.2

Основываясь на их позициях в периодической таблице, расположите эти ионы в порядке увеличения размера: Br ^— , Ca ^{2 +} , Rb ⁺ и Sr ^{2 +} .

Ответ:

Ca ^{2 +} < Sr ^{2 +} < Rb ⁺ < Br ⁻

Резюме

Ионные радиусы имеют ту же вертикальную тенденцию, что и атомные радиусы, но горизонтальные тенденции различаются из-за различий в зарядах ионов.

Разработано множество методов для измерения размера отдельного атома или иона. covalent atomic radius ( r _cov ) is half the internuclear distance in a molecule with two identical atoms bonded to each other, whereas the metallic atomic radius ( r _met ) определяется как половина расстояния между ядрами двух соседних атомов в металлическом элементе. Радиус Ван-дер-Ваальса ( r _vdW ) элемента равен половине межъядерного расстояния между двумя несвязанными атомами в твердом теле. Атомные радиусы уменьшаются слева направо по ряду из-за увеличения эффективного заряда ядра из-за плохого экранирования электронов другими электронами в той же основной оболочке. Более того, атомные радиусы увеличиваются сверху вниз по столбцу, потому что эффективный заряд ядра остается относительно постоянным по мере увеличения главного квантового числа.