Dimensione relativa degli atomi degli elementi chimici

La dimensione è una caratteristica importante degli atomi che compongono i diversi elementi presenti nella tavola periodica. Permette di comprendere molte delle loro caratteristiche, come la tendenza dell’idrogeno e dell’elio a fuoriuscire dai contenitori che li contengono, o l’incapacità di alcuni ioni di passare attraverso alcuni canali ionici della parete cellulare.

Tuttavia, quando immaginiamo un atomo costituito da un nucleo molto denso e piccolo circondato da una nuvola di elettroni ancora più piccoli che si muovono attorno ad esso, è difficile capire cosa significhi “dimensione” nel caso di un atomo. Questo perché gli atomi sono fatti quasi interamente di spazio vuoto e siamo abituati a intendere la dimensione come qualcosa associato a corpi solidi che possiamo vedere e manipolare con le nostre mani.

In considerazione di quanto sopra, per spiegare la dimensione relativa degli atomi degli elementi chimici, dobbiamo iniziare definendo tale dimensione dal punto di vista chimico.

Diversi modi per vedere la dimensione degli atomi

Definire la dimensione di qualcosa parte dal conoscerne la forma e le dimensioni. Nel caso degli atomi , generalmente assumiamo che abbiano la forma di una sfera, anche se questo non è strettamente vero. Tuttavia, è pratico assumerlo in questo modo.

Considerandoli come sfere, la dimensione degli atomi è determinata dal loro raggio o dal loro diametro. Quando pensiamo al raggio di un atomo, la prima cosa che ci viene in mente è la distanza tra il centro dell’atomo, o il suo nucleo, e il bordo esterno della sua nuvola di elettroni. Il problema è che la nuvola di elettroni non ha un bordo tagliente (così come le nuvole non hanno una superficie esterna tagliente).

Ciò implica che la definizione del raggio è complicata e alquanto ambigua. Inoltre, significa anche che misurare il raggio di un singolo atomo è praticamente impossibile. Quindi, sono stati sviluppati alcuni modi per determinare o stimare i raggi degli atomi sulla base di dati sperimentali.

Ci sono tre modi principali per esprimere la dimensione degli atomi:

• Il raggio atomico o raggio metallico.
• Il raggio covalente .
• Il raggio ionico.

I tre concetti sono diversi tra loro e si applicano a casi diversi. Per questo motivo non è sempre possibile confrontare direttamente tra loro le dimensioni di due atomi. Inoltre, la dimensione cambia a seconda che si tratti di un atomo neutro o di uno ione. In quest’ultimo caso la grandezza varia anche in funzione del valore e del segno della carica elettrica.

Raggio atomico o raggio metallico

Il concetto più semplice da comprendere è quello di raggio atomico. Il raggio atomico di un elemento è definito come metà della distanza media tra due atomi adiacenti in un cristallo dell’elemento puro. Questa distanza può essere facilmente determinata mediante tecniche di diffrazione di raggi X.

Il concetto di raggio atomico si applica principalmente ai metalli, che sono gli unici elementi che formano strutture cristalline in cui ogni atomo del metallo neutro è esattamente uguale a quello accanto. I non metalli, d’altra parte, generalmente non formano lo stesso tipo di solidi. È per questo motivo che il raggio atomico è spesso chiamato raggio metallico.

raggio covalente

Con l’eccezione dei gas nobili, la maggior parte dei non metalli allo stato puro forma molecole discrete o solidi con estese strutture di reti covalenti. Ad esempio, l’ossigeno elementare è costituito da molecole di ossigeno biatomico (O ₂ ), quindi in un cristallo di ossigeno solido, gli atomi di ossigeno legati in modo covalente in ciascuna molecola saranno più vicini l’uno all’altro che agli atomi di molecole adiacenti.

D’altra parte, casi come il carbonio, il cui allotropo più stabile è la grafite, formano strutture stratificate in cui gli atomi all’interno di uno strato sono legati tra loro in modo covalente, mentre non sono legati agli atomi negli strati adiacenti.

Ciò rende ambigua la definizione del raggio in funzione della distanza tra due nuclei adiacenti. In questi casi, la dimensione è definita come la metà della distanza tra due atomi identici legati in modo covalente tra loro. Questo raggio è chiamato raggio covalente ed è il più comunemente usato per stabilire la dimensione degli atomi non metallici .

D’altra parte, il raggio covalente è un concetto che ha una maggiore applicabilità rispetto al raggio metallico, poiché ci consente di assegnare un raggio agli atomi che fanno parte di una molecola o di un composto covalente. Inoltre, conoscendo il raggio covalente di un atomo, possiamo stimare il raggio covalente di un altro misurando la lunghezza di un legame covalente formato tra i due.

Di solito, il raggio covalente di un atomo è leggermente inferiore al suo rispettivo raggio metallico.

raggio ionico

Le due misure di dimensione atomica menzionate nelle sezioni precedenti possono essere applicate solo ad atomi neutri o ad atomi che fanno parte di molecole covalenti. Tuttavia, molti elementi che hanno elettronegatività marcatamente diverse si combinano per formare composti ionici in cui acquistano o perdono elettroni, diventando così rispettivamente anioni o cationi.

In questi casi possiamo stabilire la dimensione relativa degli atomi confrontando le dimensioni dei loro ioni, cioè il loro raggio ionico.

Quando abbiamo due ioni diversi collegati tra loro e conosciamo la distanza che li separa, assumiamo che questa distanza sarà la somma dei due raggi ionici. Tuttavia, come possiamo sapere quale frazione di questa distanza corrisponde all’uno o all’altro ione? È evidente che, per determinare il raggio di uno dei due ioni, occorre il valore del raggio dell’altro. Ciò significa che dobbiamo solo determinare il raggio di qualsiasi catione e qualsiasi anione.

Quindi possiamo usare il raggio del catione per determinare il raggio di qualsiasi altro anione che vogliamo, mentre possiamo usare il raggio dell’anione per determinare il raggio di qualsiasi altro catione.

Ciò è stato ottenuto per la prima volta dai dati cristallografici per lo ioduro di litio, un composto ionico costituito da un catione molto piccolo e un anione molto grande.

In questo composto la struttura cristallina è formata da un reticolo di ioni ioduro (I ^– ) in cui ogni anione è a diretto contatto con altri sei ioduri, mentre gli ioni litio (Li ⁺ ) si trovano nelle cavità che si formano ogni quattro ioduri, essendo a diretto contatto con tutti questi. Pertanto, il raggio ionico dello ioduro può essere determinato come metà della distanza tra due nuclei di iodio adiacenti, mentre la distanza tra i nuclei di litio e iodio consente di determinare il raggio ionico del litio sottraendo quello dello ioduro.

Andamento periodico del raggio atomico

Come accennato all’inizio, la dimensione atomica è una proprietà periodica della materia. Cioè, varia in modo prevedibile in un periodo e in un gruppo.

Nel periodo, sia il raggio atomico che il raggio covalente diminuiscono da sinistra a destra. Lo stesso accade con i raggi ionici di ioni che hanno la stessa carica elettrica. La ragione di questo comportamento è la carica nucleare effettiva, che aumenta all’aumentare del numero atomico.

D’altra parte, mentre ci si sposta da un periodo all’altro all’interno di un gruppo (cioè, scendendo lungo la lunghezza di un gruppo), anche la carica nucleare effettiva aumenta, ma gli elettroni più esterni (cioè gli elettroni di valenza) si trovano in elettroni gusci di livelli di energia crescenti. Ciò implica che i gusci di valenza sono sempre più lontani dal nucleo, quindi anche il raggio dell’atomo aumenta.

Variazione del raggio ionico con la carica

Oltre alla variazione periodica dei raggi atomici, covalenti e ionici, anche i raggi ionici dipendono fortemente dalla carica elettrica. Ogni elettrone aggiuntivo che viene introdotto in un atomo per convertirlo in un anione e aumentare la sua carica negativa aumenta la repulsione elettrostatica tra gli elettroni nel guscio di valenza, causando l’espansione della nuvola di elettroni e aumentando il raggio ionico.

Il contrario accade con i cationi. Ogni elettrone che viene rimosso da un atomo per convertirlo in un catione e aumentare la carica positiva, riduce la repulsione tra gli elettroni, aumenta la carica nucleare effettiva e quindi gli elettroni sono più fortemente attratti dal nucleo. L’effetto è una diminuzione del raggio ionico con l’aumento della carica positiva.

Esempio

Se confrontiamo i raggi dei diversi ioni che il cloro può formare, l’ordine dei raggi ionici sarà:

Cl ⁷⁺ < Cl ⁵⁺ < Cl ³⁺ < Cl ⁺ < Cl < Cl ^–

Riferimenti

Web di ricerca di Bodner. (nd). Dimensione degli atomi . https://chemed.chem.purdue.edu/genchem/topicreview/bp/ch7/index.php

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