화학 원소 원자의 상대적 크기

Artículo revisado y aprobado por nuestro equipo editorial, siguiendo los criterios de redacción y edición de YuBrain.

크기는 주기율표에 있는 여러 원소를 구성하는 원자의 중요한 특성입니다. 이를 통해 수소와 헬륨이 포함된 용기에서 빠져나가는 경향이나 특정 이온이 세포벽의 일부 이온 채널을 통과할 수 없는 것과 같은 많은 특성을 이해할 수 있습니다.

그러나 원자가 주위를 움직이는 훨씬 더 작은 전자 구름으로 둘러싸인 매우 조밀하고 작은 핵으로 구성되어 있다고 상상할 때 원자의 경우 “크기”가 무엇을 의미하는지 이해하기 어렵습니다. 이것은 원자가 거의 전적으로 빈 공간으로 만들어지고 우리는 크기를 보고 손으로 조작할 수 있는 고체와 관련된 것으로 이해하는 데 익숙하기 때문입니다.

위의 관점에서 화학 원소 원자의 상대적인 크기를 설명하기 위해서는 화학적 관점에서 해당 크기를 정의하는 것부터 시작해야 합니다.

원자의 크기를 보는 몇 가지 방법

어떤 것의 크기를 정의하는 것은 그 모양과 치수를 아는 것에서 시작됩니다. 원자 의 경우 , 우리는 일반적으로 구체 모양을 가지고 있다고 가정하지만, 이는 엄밀히 말하면 사실이 아닙니다. 그러나 그렇게 가정하는 것이 실용적입니다.

구형으로 간주하면 원자의 크기는 반지름 또는 직경에 의해 결정됩니다. 원자의 반지름을 생각할 때 가장 먼저 떠오르는 것은 원자의 중심 또는 원자핵과 전자 구름의 바깥쪽 가장자리 사이의 거리입니다. 문제는 전자 구름이 날카로운 모서리를 가지고 있지 않다는 것입니다(구름이 날카로운 외부 표면을 가지고 있지 않은 것처럼).

이는 반지름을 정의하는 것이 복잡하고 다소 모호함을 의미합니다. 또한 개별 원자의 반지름을 측정하는 것이 현실적으로 불가능하다는 의미이기도 합니다. 따라서 실험 데이터를 기반으로 원자의 반지름을 결정하거나 추정하는 몇 가지 방법이 개발되었습니다.

원자의 크기를 표현하는 세 가지 주요 방법이 있습니다.

  • 원자 반경 또는 금속 반경.
  • 공유 반경 .
  • 이온 반경.

세 가지 개념은 서로 다르며 다른 경우에 적용됩니다. 이러한 이유로 두 원자의 크기를 서로 직접 비교하는 것이 항상 가능한 것은 아닙니다. 또한 중성 원자인지 이온인지에 따라 크기가 달라진다. 후자의 경우에도 전하의 값과 부호에 따라 크기가 달라진다.

원자 반경 또는 금속 반경

이해하기 가장 간단한 개념은 원자 반지름입니다. 원소의 원자 반경은 순수한 원소의 결정에서 인접한 두 원자 사이의 평균 거리의 절반으로 정의됩니다. 이 거리는 X선 회절 기술을 통해 쉽게 결정할 수 있습니다.

화학 원소 원자의 상대적 크기

원자 반경의 개념은 주로 중성 금속의 각 원자가 옆에 있는 원자와 정확히 동일한 결정 구조를 형성하는 유일한 원소인 금속에 적용됩니다. 반면에 비금속은 일반적으로 같은 유형의 고체를 형성하지 않습니다. 이러한 이유로 원자 반지름은 종종 금속 반지름이라고 합니다.

공유 반경

비활성 기체를 제외하고 대부분의 비금속은 순수한 상태에서 광범위한 공유 결합 네트워크 구조를 가진 이산 분자 또는 고체를 형성합니다. 예를 들어, 원소 산소는 이원자 산소 분자(O 2 )로 구성되므로 고체 산소 결정에서 각 분자의 공유 결합된 산소 원자는 인접한 분자의 원자보다 서로 더 가깝습니다 .

한편, 가장 안정한 동소체가 흑연인 탄소와 같은 경우는 한 층 내의 원자가 서로 공유 결합하고 인접한 층의 원자와는 결합하지 않는 층상 구조를 형성한다.

이것은 두 개의 인접한 핵 사이의 거리의 함수로 반지름을 정의하는 것을 모호하게 만듭니다. 이 경우 크기는 서로 공유 결합된 두 개의 동일한 원자 사이 거리의 절반으로 정의됩니다. 이 반지름을 공유 반지름이라고 하며 비금속 원자 의 크기를 정하는 데 가장 일반적으로 사용됩니다 .

화학 원소 원자의 상대적 크기

반면에 공유 반지름은 분자 또는 공유 결합 화합물의 일부인 원자에 반지름을 할당할 수 있기 때문에 금속 반지름보다 적용 가능성이 더 큰 개념입니다. 또한 한 원자의 공유 반경을 알면 두 원자 사이에 형성된 공유 결합의 길이를 측정하여 다른 원자의 공유 반경을 추정할 수 있습니다.

일반적으로 원자의 공유 반지름은 각각의 금속 반지름보다 약간 작습니다.

이온 반경

이전 섹션에서 언급한 원자 크기의 두 가지 척도는 중성 원자 또는 공유 분자의 일부인 원자에만 적용될 수 있습니다. 그러나 전기 음성도가 현저하게 다른 많은 원소들은 결합하여 전자를 얻거나 잃는 이온 화합물을 형성하여 각각 음이온 또는 양이온이 됩니다.

이 경우 이온의 크기, 즉 이온 반경을 비교하여 원자의 상대적 크기를 설정할 수 있습니다.

서로 다른 두 이온이 서로 연결되어 있고 이들을 분리하는 거리를 알고 있을 때 이 거리가 두 이온 반경의 합이 될 것이라고 가정합니다. 그러나 이 거리의 어떤 비율이 하나 또는 다른 이온에 해당하는지 어떻게 알 수 있습니까? 두 이온 중 하나의 반경을 결정하려면 다른 이온의 반경 값이 필요하다는 것이 분명합니다. 즉, 양이온과 음이온의 반지름만 결정하면 됩니다.

그런 다음 양이온의 반경을 사용하여 원하는 다른 음이온의 반경을 결정할 수 있고 음이온의 반경을 사용하여 다른 양이온의 반경을 결정할 수 있습니다.

이것은 매우 작은 양이온과 매우 큰 음이온으로 구성된 이온 화합물인 리튬 요오드화물에 대한 결정학적 데이터에서 처음 달성되었습니다.

화학 원소 원자의 상대적 크기

이 화합물에서 결정 구조는 각 음이온이 6개의 다른 요오드화물과 직접 접촉하는 요오드화물 이온(I – ) 의 네트워크에 의해 형성되며 리튬 이온(Li + )은 형성된 공동에 위치합니다. 요오드화물, 이들 모두와 직접 접촉합니다. 따라서, 요오드화물의 이온 반경은 인접한 두 요오드 핵 사이의 거리의 절반으로 결정될 수 있는 반면, 리튬과 요오드 핵 사이의 거리는 요오드화물의 이온 반경을 빼서 리튬의 이온 반경을 결정할 수 있습니다.

원자 반지름의 주기적 경향

처음에 언급했듯이 원자 크기는 물질의 주기적인 특성입니다. 즉, 기간과 그룹에 걸쳐 예측 가능한 방식으로 변화합니다.

이 기간 동안 원자 반지름과 공유 반지름은 모두 왼쪽에서 오른쪽으로 감소합니다. 동일한 전하를 갖는 이온의 이온 반경에서도 마찬가지입니다. 이러한 행동의 이유는 원자 번호가 증가함에 따라 증가하는 유효 핵 전하 때문입니다.

한편, 그룹 내에서 한 주기에서 다른 주기로 이동할 때(즉, 그룹의 길이 아래로 이동) 유효 핵 전하도 증가하지만 최외각 전자(즉, 원자가 전자)는 전자에 위치합니다. 증가하는 에너지 수준의 껍질. 이것은 원자가 껍질이 핵에서 점점 더 멀어짐을 의미하므로 원자의 반지름도 증가합니다.

전하에 따른 이온 반경의 변화

원자, 공유 및 이온 반경의 주기적인 변화 외에도 이온 반경도 전하에 크게 의존합니다. 음이온으로 변환하고 음전하를 증가시키기 위해 원자에 도입되는 각각의 추가 전자는 원자가 껍질에 있는 전자 사이의 정전기적 반발력을 증가시켜 전자 구름을 확장시키고 이온 반경을 증가시킵니다.

양이온은 그 반대입니다. 원자에서 제거된 각 전자는 양이온으로 전환되어 양전하를 증가시키고, 전자 사이의 반발력을 감소시키고, 유효 핵 전하를 증가시키므로 전자는 핵에 더 강하게 끌립니다. 그 효과는 양전하가 증가함에 따라 이온 반경이 ​​감소하는 것입니다.

염소가 형성할 수 있는 여러 이온의 반지름을 비교하면 이온 반지름의 순서는 다음과 같습니다.

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

참조

Bodner 연구 웹. (일차). 원자의 크기 . https://chemed.chem.purdue.edu/genchem/topicreview/bp/ch7/index.php

물리 및 화학. (2019년 6월 15일). 원자 및 이온 크기 . 물리학 및 화학. https://lafisicayquimica.com/7-3-tamanos-de-atomos-e-iones/

소크라테스. (2016년 1월 3일). 원자 크기는 어떻게 측정됩니까? Socratic.org. https://socratic.org/questions/how-is-atomic-size-measured

공부하세요. (2014년 6월 14일). AtomicSize . 유튜브. https://www.youtube.com/watch?v=HBIUnpU_vJA

Tome, C. (2020년 2월 4일). 왜 원자는 크기가 같습니까? 과학문화수첩. https://culturacientifica.com/2020/02/04/por-que-los-atomos-tienen-el-tamano-que-tienen/

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

Artículos relacionados