Taille relative des atomes d’éléments chimiques

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La taille est une caractéristique importante des atomes qui composent les différents éléments présents dans le tableau périodique. Elle nous permet de comprendre nombre de leurs caractéristiques, telles que la tendance de l’hydrogène et de l’hélium à s’échapper des conteneurs qui les contiennent, ou l’incapacité de certains ions à traverser certains canaux ioniques de la paroi cellulaire.

Cependant, lorsque nous imaginons un atome comme étant constitué d’un noyau très dense et petit entouré d’un nuage d’électrons encore plus petits se déplaçant autour de lui, il est difficile de comprendre ce que signifie « taille » dans le cas d’un atome. En effet, les atomes sont constitués presque entièrement d’espace vide et nous sommes habitués à comprendre la taille comme quelque chose associé à des corps solides que nous pouvons voir et manipuler avec nos mains.

Compte tenu de ce qui précède, pour expliquer la taille relative des atomes des éléments chimiques, il faut commencer par définir ladite taille du point de vue chimique.

Plusieurs façons de voir la taille des atomes

Définir la taille de quelque chose commence par connaître sa forme et ses dimensions. Dans le cas des atomes , on suppose généralement qu’ils ont la forme d’une sphère, bien que ce ne soit pas strictement vrai. Cependant, il est pratique de le supposer ainsi.

En les considérant comme des sphères, la taille des atomes est déterminée par leur rayon ou leur diamètre. Lorsque nous pensons au rayon d’un atome, la première chose qui nous vient à l’esprit est la distance entre le centre de l’atome, ou son noyau, et le bord extérieur de son nuage d’électrons. Le problème est que le nuage d’électrons n’a pas de bord net (tout comme les nuages ​​n’ont pas de surface externe nette).

Cela implique que la définition du rayon est compliquée et quelque peu ambiguë. De plus, cela signifie également que la mesure du rayon d’un atome individuel est pratiquement impossible. Ainsi, certaines méthodes ont été développées pour déterminer ou estimer les rayons des atomes sur la base de données expérimentales.

Il existe trois manières principales d’exprimer la taille des atomes :

  • Le rayon atomique ou rayon métallique.
  • Le rayon covalent .
  • Le rayon ionique.

Les trois concepts sont différents les uns des autres et s’appliquent à des cas différents. Pour cette raison, il n’est pas toujours possible de comparer directement la taille de deux atomes entre eux. De plus, la taille change selon qu’il s’agit d’un atome neutre ou d’un ion. Dans ce dernier cas, la taille varie également en fonction de la valeur et du signe de la charge électrique.

Rayon atomique ou rayon métallique

Le concept le plus simple à comprendre est celui de rayon atomique. Le rayon atomique d’un élément est défini comme la moitié de la distance moyenne entre deux atomes adjacents dans un cristal de l’élément pur. Cette distance peut être facilement déterminée au moyen de techniques de diffraction des rayons X.

Taille relative des atomes d'éléments chimiques

Le concept de rayon atomique s’applique principalement aux métaux, qui sont les seuls éléments qui forment des structures cristallines dans lesquelles chaque atome du métal neutre est exactement le même que celui qui lui est voisin. Les non-métaux, en revanche, ne forment généralement pas le même type de solides. C’est pour cette raison que le rayon atomique est souvent appelé rayon métallique.

rayon covalent

À l’exception des gaz nobles, la plupart des non-métaux à l’état pur forment soit des molécules discrètes, soit des solides avec des structures de réseau covalentes étendues. Par exemple, l’oxygène élémentaire est constitué de molécules d’oxygène diatomique (O 2 ), donc dans un cristal d’oxygène solide, les atomes d’oxygène liés par covalence dans chaque molécule seront plus proches les uns des autres que des atomes de molécules adjacentes.

D’autre part, des cas tels que le carbone, dont l’allotrope le plus stable est le graphite, forment des structures en couches dans lesquelles les atomes d’une couche sont liés de manière covalente les uns aux autres, alors qu’ils ne sont pas liés aux atomes des couches adjacentes.

Ceci rend ambiguë la définition du rayon en fonction de la distance entre deux noyaux adjacents. Dans ces cas, la taille est définie comme la moitié de la distance entre deux atomes identiques liés de manière covalente l’un à l’autre. Ce rayon s’appelle le rayon covalent, et c’est le plus couramment utilisé pour établir la taille des atomes non métalliques .

Taille relative des atomes d'éléments chimiques

D’autre part, le rayon covalent est un concept qui a une plus grande applicabilité que le rayon métallique, car il nous permet d’attribuer un rayon aux atomes faisant partie d’une molécule ou d’un composé covalent. De plus, en connaissant le rayon covalent d’un atome, on peut estimer le rayon covalent d’un autre en mesurant la longueur d’une liaison covalente formée entre les deux.

Habituellement, le rayon covalent d’un atome est légèrement inférieur à son rayon métallique respectif.

rayon ionique

Les deux mesures de taille atomique mentionnées dans les sections précédentes ne peuvent être appliquées qu’aux atomes neutres ou aux atomes faisant partie de molécules covalentes. Cependant, de nombreux éléments qui ont des électronégativités nettement différentes se combinent pour former des composés ioniques dans lesquels ils gagnent ou perdent des électrons, devenant ainsi respectivement des anions ou des cations.

Dans ces cas, nous pouvons établir la taille relative des atomes en comparant les tailles de leurs ions, c’est-à-dire leur rayon ionique.

Lorsque nous avons deux ions différents liés ensemble et que nous connaissons la distance qui les sépare, nous supposons que cette distance sera la somme des deux rayons ioniques. Cependant, comment savoir à quelle fraction de cette distance correspond tel ou tel ion ? Il est évident que, pour déterminer le rayon de l’un des deux ions, on a besoin de la valeur du rayon de l’autre. Cela signifie que nous n’avons qu’à déterminer le rayon de n’importe quel cation et de n’importe quel anion.

Ensuite, nous pouvons utiliser le rayon du cation pour déterminer le rayon de tout autre anion que nous voulons, tandis que nous pouvons utiliser le rayon de l’anion pour déterminer le rayon de tout autre cation.

Ceci a d’abord été réalisé à partir des données cristallographiques de l’iodure de lithium, un composé ionique composé d’un très petit cation et d’un très gros anion.

Taille relative des atomes d'éléments chimiques

Dans ce composé, la structure cristalline est formée par un réseau d’ions iodure (I ) dans lequel chaque anion est en contact direct avec six autres iodures, tandis que les ions lithium (Li + ) sont localisés dans les cavités qui se forment tous les quatre iodures, étant en contact direct avec tout cela. Ainsi, le rayon ionique de l’iodure peut être déterminé comme la moitié de la distance entre deux noyaux d’iode adjacents, tandis que la distance entre les noyaux de lithium et d’iode permet de déterminer le rayon ionique du lithium en soustrayant celui de l’iodure.

Tendance périodique du rayon atomique

Comme mentionné au début, la taille atomique est une propriété périodique de la matière. C’est-à-dire qu’il varie de manière prévisible sur une période et dans un groupe.

Au cours de la période, le rayon atomique et le rayon covalent diminuent de gauche à droite. La même chose se produit avec les rayons ioniques des ions qui ont la même charge électrique. La raison de ce comportement est la charge nucléaire effective, qui augmente à mesure que le numéro atomique augmente.

D’autre part, lorsque vous vous déplacez d’une période à une autre au sein d’un groupe (c’est-à-dire en descendant sur la longueur d’un groupe), la charge nucléaire effective augmente également, mais les électrons les plus externes (c’est-à-dire les électrons de valence) sont situés dans l’électron coquilles de niveaux d’énergie croissants. Cela implique que les couches de valence sont de plus en plus éloignées du noyau, donc le rayon de l’atome augmente également.

Variation du rayon ionique avec la charge

En plus de la variation périodique des rayons atomiques, covalents et ioniques, les rayons ioniques dépendent également fortement de la charge électrique. Chaque électron supplémentaire introduit dans un atome pour le convertir en anion et augmenter sa charge négative augmente la répulsion électrostatique entre les électrons dans la couche de valence, provoquant l’expansion du nuage d’électrons et augmentant le rayon ionique.

L’inverse se produit avec les cations. Chaque électron qui est retiré d’un atome pour le convertir en cation et augmenter la charge positive, réduit la répulsion entre les électrons, augmente la charge nucléaire effective et donc les électrons sont plus fortement attirés vers le noyau. L’effet est une diminution du rayon ionique avec l’augmentation de la charge positive.

Exemple

Si l’on compare les rayons des différents ions que le chlore peut former, l’ordre des rayons ioniques sera :

Cl 7+ < Cl 5+ < Cl 3+ < Cl + < Cl < Cl

Les références

Web de recherche Bodner. (sd). Taille des atomes . https://chemed.chem.purdue.edu/genchem/topicreview/bp/ch7/index.php

Physique et chimie. (2019, 15 juin). Tailles des atomes et des ions . Physique et chimie. https://lafisicayquimica.com/7-3-tamanos-de-atomos-e-iones/

Socratique. (2016, 3 janvier). Comment mesure-t-on la taille atomique ? Socratic.org. https://socratic.org/questions/how-is-atomic-size-measured

Étudierapprendre. (2014, 14 juin). AtomicSize . Youtube. https://www.youtube.com/watch?v=HBIUnpU_vJA

Tome, C. (2020, 4 février). Pourquoi les atomes ont-ils la même taille ? Cahier de Culture Scientifique. https://culturacientifica.com/2020/02/04/por-que-los-atomos-tienen-el-tamano-que-tienen/

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Israel Parada (Licentiate,Professor ULA)
(Licenciado en Química) - AUTOR. Profesor universitario de Química. Divulgador científico.

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