ขนาดสัมพัทธ์ของอะตอมของธาตุเคมี

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


ขนาดเป็นลักษณะสำคัญของอะตอมที่ประกอบเป็นองค์ประกอบต่างๆ ที่มีอยู่ในตารางธาตุ ช่วยให้เราเข้าใจลักษณะหลายอย่างของพวกมัน เช่น แนวโน้มของไฮโดรเจนและฮีเลียมที่จะหลุดออกจากภาชนะที่บรรจุพวกมัน หรือการที่ไอออนบางชนิดไม่สามารถผ่านช่องไอออนบางช่องในผนังเซลล์ได้

อย่างไรก็ตาม เมื่อเราจินตนาการถึงอะตอมที่ประกอบด้วยนิวเคลียสขนาดเล็กและหนาแน่นมาก ล้อมรอบด้วยกลุ่มเมฆที่มีอิเล็กตรอนขนาดเล็กกว่าเคลื่อนที่อยู่รอบๆ มัน เป็นการยากที่จะเข้าใจว่า “ขนาด” หมายถึงอะไรในกรณีของอะตอม นี่เป็นเพราะอะตอมถูกสร้างขึ้นจากพื้นที่ว่างเกือบทั้งหมด และเราคุ้นเคยกับการเข้าใจขนาดว่าเป็นสิ่งที่เกี่ยวข้องกับวัตถุที่เป็นของแข็งซึ่งเราสามารถมองเห็นและควบคุมได้ด้วยมือของเรา

จากมุมมองข้างต้น เพื่อที่จะอธิบายขนาดสัมพัทธ์ของอะตอมขององค์ประกอบทางเคมีเราต้องเริ่มต้นด้วยการกำหนดขนาดดังกล่าวจากมุมมองทางเคมี

หลายวิธีในการดูขนาดของอะตอม

การกำหนดขนาดของสิ่งใดสิ่งหนึ่งเริ่มจากการรู้รูปร่างและขนาดของสิ่งนั้น ในกรณีของอะตอมเรามักจะถือว่าพวกมันมีรูปร่างเป็นทรงกลม แม้ว่าสิ่งนี้จะไม่เป็นความจริงอย่างเคร่งครัดก็ตาม อย่างไรก็ตาม มันเป็นเรื่องจริงที่จะคิดแบบนั้น

เมื่อพิจารณาว่าเป็นทรงกลม ขนาดของอะตอมจะถูกกำหนดโดยรัศมีหรือเส้นผ่านศูนย์กลาง เมื่อเรานึกถึงรัศมีของอะตอม สิ่งแรกที่นึกถึงคือระยะห่างระหว่างศูนย์กลางของอะตอมหรือนิวเคลียสกับขอบด้านนอกของเมฆอิเล็กตรอน ปัญหาคือเมฆอิเล็กตรอนไม่มีขอบที่แหลมคม (เช่นเดียวกับที่เมฆไม่มีพื้นผิวด้านนอกที่แหลมคม)

นี่หมายความว่าการกำหนดรัศมีนั้นซับซ้อนและค่อนข้างคลุมเครือ นอกจากนี้ยังหมายความว่าการวัดรัศมีของอะตอมแต่ละอะตอมนั้นแทบจะเป็นไปไม่ได้เลย ดังนั้นจึงมีการพัฒนาวิธีการบางอย่างเพื่อกำหนดหรือประเมินรัศมีของอะตอมตามข้อมูลการทดลอง

มีสามวิธีหลักในการแสดงขนาดของอะตอม:

  • รัศมีอะตอมหรือรัศมีโลหะ
  • รัศมี โควา เลนต์
  • รัศมีไอออนิก

แนวคิดทั้งสามแตกต่างกันและนำไปใช้กับกรณีต่างๆ ด้วยเหตุนี้จึงเป็นไปไม่ได้เสมอที่จะเปรียบเทียบขนาดของอะตอมสองอะตอมโดยตรง นอกจากนี้ ขนาดยังเปลี่ยนแปลงขึ้นอยู่กับว่าเป็นอะตอมที่เป็นกลางหรือไอออน ในกรณีหลัง ขนาดยังแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับค่าและสัญลักษณ์ของประจุไฟฟ้า

รัศมีอะตอมหรือรัศมีโลหะ

แนวคิดที่ง่ายที่สุดในการทำความเข้าใจคือรัศมีอะตอม รัศมีอะตอมของธาตุถูกกำหนดให้เป็นครึ่งหนึ่งของระยะทางเฉลี่ยระหว่างสองอะตอมที่อยู่ติดกันในผลึกของธาตุบริสุทธิ์ ระยะทางนี้สามารถกำหนดได้ง่ายโดยใช้เทคนิคการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์

ขนาดสัมพัทธ์ของอะตอมของธาตุเคมี

แนวคิดของรัศมีอะตอมใช้กับโลหะเป็นหลัก ซึ่งเป็นองค์ประกอบเดียวที่สร้างโครงสร้างผลึกซึ่งแต่ละอะตอมของโลหะที่เป็นกลางจะเหมือนกันทุกประการกับอะตอมที่อยู่ถัดไป ในทางกลับกัน อโลหะมักจะไม่ก่อตัวเป็นของแข็งชนิดเดียวกัน ด้วยเหตุนี้รัศมีอะตอมจึงมักเรียกว่ารัศมีโลหะ

รัศมีโควาเลนต์

ยกเว้นก๊าซมีตระกูล อโลหะส่วนใหญ่ในสถานะบริสุทธิ์จะก่อตัวเป็นโมเลกุลที่ไม่ต่อเนื่องหรือของแข็งที่มีโครงสร้างเครือข่ายโควาเลนต์กว้างขวาง ตัวอย่างเช่น ธาตุออกซิเจนประกอบด้วยโมเลกุลของออกซิเจนไดอะตอม (O2 )ดังนั้นในผลึกออกซิเจนที่เป็นของแข็ง อะตอมของออกซิเจนที่มีพันธะโควาเลนต์ในแต่ละโมเลกุลจะอยู่ใกล้กันมากกว่าอะตอมของโมเลกุลที่อยู่ติดกัน

ในทางกลับกัน กรณีต่างๆ เช่น คาร์บอนซึ่งมีallotrope ที่เสถียร ที่สุดคือกราไฟต์ ก่อตัวเป็นโครงสร้างเป็นชั้นๆ ซึ่งอะตอมภายในชั้นหนึ่งมีพันธะโควาเลนต์ซึ่งกันและกัน ในขณะที่พวกมันไม่ได้สร้างพันธะกับอะตอมในชั้นที่อยู่ติดกัน

สิ่งนี้ทำให้การกำหนดรัศมีเป็นฟังก์ชันของระยะห่างระหว่างนิวเคลียสที่อยู่ติดกันสองอันที่ไม่ชัดเจน ในกรณีเหล่านี้ ขนาดถูกกำหนดให้เป็นครึ่งหนึ่งของระยะห่างระหว่างอะตอมที่เหมือนกันสองอะตอมที่มีพันธะโควาเลนต์ซึ่งกันและกัน รัศมีนี้เรียกว่ารัศมีโควาเลนต์ และรัศมีนี้ใช้กัน มากที่สุดในการกำหนดขนาดของอะตอมที่ไม่ใช่โลหะ

ขนาดสัมพัทธ์ของอะตอมของธาตุเคมี

ในทางกลับกัน รัศมีโควาเลนต์เป็นแนวคิดที่นำไปใช้ได้มากกว่ารัศมีโลหะ เนื่องจากช่วยให้เรากำหนดรัศมีให้กับอะตอมที่เป็นส่วนหนึ่งของโมเลกุลหรือสารประกอบโควาเลนต์ได้ นอกจากนี้ เมื่อทราบรัศมีโควาเลนต์ของอะตอมหนึ่ง เราสามารถประมาณรัศมีโควาเลนต์ของอีกอะตอมหนึ่งได้โดยการวัดความยาวของพันธะโควาเลนต์ที่เกิดขึ้นระหว่างอะตอมทั้งสอง

โดยปกติแล้ว รัศมีโควาเลนต์ของอะตอมจะน้อยกว่ารัศมีโลหะของมันเล็กน้อย

รัศมีไอออนิก

การวัดขนาดอะตอมทั้งสองแบบที่กล่าวถึงในส่วนก่อนหน้านี้สามารถใช้ได้กับอะตอมที่เป็นกลางหรืออะตอมที่เป็นส่วนหนึ่งของโมเลกุลโควาเลนต์เท่านั้น อย่างไรก็ตามธาตุหลายชนิดที่มีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตี้ต่างกันอย่างเห็นได้ชัดจะรวมกันเป็นสารประกอบไอออนิกซึ่งได้รับหรือสูญเสียอิเล็กตรอน จึงกลายเป็นไอออนหรือไอออนบวกตามลำดับ

ในกรณีเหล่านี้ เราสามารถสร้างขนาดสัมพัทธ์ของอะตอมได้โดยการเปรียบเทียบขนาดของไอออน ซึ่งก็คือรัศมีไอออนิกของอะตอม

เมื่อเรามีไอออนที่แตกต่างกันสองตัวเชื่อมโยงเข้าด้วยกัน และเราทราบระยะทางที่แยกไอออนทั้งสองออกจากกัน เราถือว่าระยะทางนี้จะเป็นผลรวมของรัศมีไอออนิกทั้งสอง อย่างไรก็ตาม เราจะรู้ได้อย่างไรว่าเศษส่วนใดของระยะทางนี้ตรงกับไอออนหนึ่งหรืออีกไอออนหนึ่ง เห็นได้ชัดว่า ในการกำหนดรัศมีของไอออนตัวใดตัวหนึ่งจากสองตัว เราต้องมีค่าของรัศมีของอีกตัวหนึ่ง ซึ่งหมายความว่าเราต้องกำหนดรัศมีของไอออนบวกและไอออนลบเท่านั้น

จากนั้นเราสามารถใช้รัศมีของไอออนบวกเพื่อกำหนดรัศมีของไอออนบวกอื่นๆ ที่เราต้องการ ในขณะที่เราสามารถใช้รัศมีของไอออนบวกเพื่อกำหนดรัศมีของไอออนบวกอื่นๆ

สิ่งนี้ประสบความสำเร็จเป็นครั้งแรกจากข้อมูลทางผลึกศาสตร์สำหรับลิเธียมไอโอไดด์ ซึ่งเป็นสารประกอบไอออนิกที่ประกอบด้วยไอออนบวกขนาดเล็กมากและประจุลบขนาดใหญ่มาก

ขนาดสัมพัทธ์ของอะตอมของธาตุเคมี

ในสารประกอบนี้ โครงสร้างผลึกเกิดจากโครงข่ายของไอโอไดด์ไอออน (I ) ซึ่งแต่ละไอออนสัมผัสโดยตรงกับไอโอไดด์อีก 6 ชนิด ในขณะที่ลิเธียมไอออน (Li + ) จะอยู่ในโพรงที่เกิดขึ้นทุกๆ สี่ ไอโอไดด์สัมผัสโดยตรงกับสิ่งเหล่านี้ทั้งหมด ดังนั้น รัศมีไอออนของไอโอไดด์สามารถกำหนดได้เท่ากับครึ่งหนึ่งของระยะห่างระหว่างนิวเคลียสไอโอดีนที่อยู่ติดกันสองนิวเคลียส ในขณะที่ระยะห่างระหว่างลิเธียมและนิวเคลียสของไอโอดีนทำให้สามารถระบุรัศมีไอออนิกของลิเธียมได้โดยการลบไอโอไดด์

แนวโน้มเป็นระยะของรัศมีอะตอม

ดังที่ได้กล่าวไว้ในตอนต้น ขนาดอะตอมเป็นคุณสมบัติประจำคาบของสสาร นั่นคือมันแปรผันไปตามที่คาดเดาได้ในช่วงเวลาหนึ่งและทั่วทั้งกลุ่ม

ในช่วงเวลานั้น ทั้งรัศมีอะตอมและรัศมีโคเวเลนต์จะลดลงจากซ้ายไปขวา สิ่งเดียวกันนี้เกิดขึ้นกับรัศมีไอออนิกของไอออนที่มีประจุไฟฟ้าเท่ากัน สาเหตุเบื้องหลังพฤติกรรมนี้คือประจุนิวเคลียร์ที่มีประสิทธิผล ซึ่งเพิ่มขึ้นเมื่อเลขอะตอมเพิ่มขึ้น

ในทางกลับกัน เมื่อคุณย้ายจากคาบหนึ่งไปยังอีกคาบหนึ่งภายในกลุ่ม (เช่น เคลื่อนลงมาตามความยาวของกลุ่ม) ประจุนิวเคลียร์ที่มีประสิทธิผลก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน แต่อิเล็กตรอนวงนอกสุด (เช่น เวเลนซ์อิเล็กตรอน) จะอยู่ในอิเล็กตรอน เปลือกของระดับพลังงานที่เพิ่มขึ้น นี่หมายความว่าวาเลนซ์เชลล์อยู่ห่างจากนิวเคลียสมากขึ้นเรื่อยๆ ดังนั้นรัศมีของอะตอมจึงเพิ่มขึ้นด้วย

การเปลี่ยนแปลงของรัศมีไอออนิกด้วยประจุ

นอกจากการเปลี่ยนแปลงเป็นระยะของรัศมีอะตอม โควาเลนต์ และไอออนิกแล้ว รัศมีไอออนิกยังขึ้นอยู่กับประจุไฟฟ้าอย่างมากอีกด้วย อิเล็กตรอนเพิ่มเติมแต่ละตัวที่ถูกนำเข้าสู่อะตอมเพื่อแปลงเป็นไอออนและเพิ่มประจุลบจะเพิ่มแรงผลักไฟฟ้าสถิตระหว่างอิเล็กตรอนในเปลือกเวเลนซ์ ทำให้เมฆอิเล็กตรอนขยายตัวและเพิ่มรัศมีไอออนิก

สิ่งที่ตรงกันข้ามเกิดขึ้นกับไอออนบวก อิเล็กตรอนแต่ละตัวที่ถูกดึงออกจากอะตอมเพื่อแปลงเป็นไอออนบวกและเพิ่มประจุบวก ลดแรงผลักระหว่างอิเล็กตรอน เพิ่มประจุนิวเคลียร์ที่มีประสิทธิภาพ ดังนั้นอิเล็กตรอนจึงถูกดึงดูดเข้าหานิวเคลียสมากขึ้น ผลที่ได้คือรัศมีไอออนิกลดลงพร้อมกับประจุบวกที่เพิ่มขึ้น

ตัวอย่าง

หากเราเปรียบเทียบรัศมีของไอออนต่างๆ ที่คลอรีนสามารถก่อตัวได้ ลำดับของรัศมีไอออนิกจะเป็นดังนี้:

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

อ้างอิง

เว็บวิจัย Bodner (น). ขนาดของอะตอม https://chemed.chem.purdue.edu/genchem/topicreview/bp/ch7/index.php

ฟิสิกส์และเคมี (2562, 15 มิถุนายน). ขนาดอะตอมและไอออน ฟิสิกส์และเคมี https://lafisicayquimica.com/7-3-tamanos-de-atomos-e-iones/

โสกราตีส (2559, 3 มกราคม). ขนาดอะตอมวัดอย่างไร? Socratic.org. https://socratic.org/questions/how-is-atomic-size-measure

ศึกษาเรียนรู้ (2557, 14 มิถุนายน). ขนาดอะตอม ยูทูบ. https://www.youtube.com/watch?v=HBIUnpU_vJA

Tome, C. (2020, 4 กุมภาพันธ์). ทำไมอะตอมถึงมีขนาด สมุดบันทึกวัฒนธรรมวิทยาศาสตร์ https://culturacientifica.com/2020/02/04/por-que-los-atomos-tienen-el-tamano-que-tienen/

-โฆษณา-

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

Artículos relacionados