Kích thước tương đối của nguyên tử các nguyên tố hóa học

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


Kích thước là một đặc tính quan trọng của các nguyên tử tạo nên các nguyên tố khác nhau có trong bảng tuần hoàn. Nó cho phép chúng ta hiểu được nhiều đặc điểm của chúng, chẳng hạn như xu hướng hydro và heli thoát ra khỏi các vật chứa chứa chúng, hoặc khả năng một số ion nhất định không thể đi qua một số kênh ion trong thành tế bào.

Tuy nhiên, khi chúng ta tưởng tượng một nguyên tử bao gồm một hạt nhân nhỏ và rất đặc được bao quanh bởi một đám mây các electron thậm chí còn nhỏ hơn chuyển động xung quanh nó, thì rất khó để hiểu “kích thước” nghĩa là gì trong trường hợp nguyên tử. Điều này là do các nguyên tử được tạo ra gần như hoàn toàn từ không gian trống rỗng và chúng ta thường hiểu kích thước là thứ liên quan đến các vật thể rắn mà chúng ta có thể nhìn thấy và thao tác bằng tay.

Theo quan điểm trên, để giải thích kích thước tương đối của các nguyên tử của các nguyên tố hóa học, chúng ta phải bắt đầu bằng cách xác định kích thước nói trên theo quan điểm hóa học.

Một số cách để xem kích thước của các nguyên tử

Xác định kích thước của một cái gì đó bắt đầu từ việc biết hình dạng và kích thước của nó. Trong trường hợp nguyên tử , chúng ta thường cho rằng chúng có dạng hình cầu, mặc dù điều này không hoàn toàn đúng. Tuy nhiên, nó là thực tế để giả định nó theo cách đó.

Coi chúng như những hình cầu, kích thước của các nguyên tử được xác định bởi bán kính hoặc đường kính của chúng. Khi chúng ta nghĩ về bán kính của một nguyên tử, điều đầu tiên xuất hiện trong đầu là khoảng cách giữa tâm của nguyên tử, hoặc hạt nhân của nó, và rìa ngoài của đám mây điện tử của nó. Vấn đề là đám mây điện tử không có cạnh sắc nét (giống như các đám mây không có bề mặt sắc nét bên ngoài).

Điều này ngụ ý rằng việc xác định bán kính là phức tạp và hơi mơ hồ. Ngoài ra, điều đó cũng có nghĩa là việc đo bán kính của một nguyên tử riêng lẻ trên thực tế là không thể. Vì vậy, một số cách đã được phát triển để xác định hoặc ước tính bán kính của các nguyên tử dựa trên dữ liệu thực nghiệm.

Có ba cách chính để biểu thị kích thước của nguyên tử:

Ba khái niệm này khác nhau và áp dụng cho các trường hợp khác nhau. Vì lý do này, không phải lúc nào cũng có thể so sánh trực tiếp kích thước của hai nguyên tử với nhau. Ngoài ra, kích thước thay đổi tùy thuộc vào việc đó là nguyên tử trung tính hay ion. Trong trường hợp sau, kích thước cũng thay đổi tùy thuộc vào giá trị và dấu của điện tích.

Bán kính nguyên tử hoặc bán kính kim loại

Khái niệm đơn giản nhất để hiểu là bán kính nguyên tử. Bán kính nguyên tử của một nguyên tố được định nghĩa bằng một nửa khoảng cách trung bình giữa hai nguyên tử liền kề trong tinh thể của nguyên tố nguyên chất. Khoảng cách này có thể xác định dễ dàng bằng kỹ thuật nhiễu xạ tia X.

Kích thước tương đối của nguyên tử các nguyên tố hóa học

Khái niệm bán kính nguyên tử chủ yếu áp dụng cho kim loại, là nguyên tố duy nhất tạo thành cấu trúc tinh thể trong đó mỗi nguyên tử của kim loại trung hòa hoàn toàn giống với nguyên tử bên cạnh nó. Mặt khác, các phi kim thường không tạo thành cùng một loại chất rắn. Chính vì lý do này mà bán kính nguyên tử thường được gọi là bán kính kim loại.

bán kính cộng hóa trị

Ngoại trừ các khí hiếm, hầu hết các phi kim ở trạng thái tinh khiết của chúng đều tạo thành các phân tử rời rạc hoặc chất rắn có cấu trúc mạng cộng hóa trị rộng lớn. Ví dụ, oxy nguyên tố được tạo thành từ các phân tử oxy diatomic (O 2 ), vì vậy trong tinh thể oxy rắn, các nguyên tử oxy có liên kết cộng hóa trị trong mỗi phân tử sẽ gần nhau hơn so với các nguyên tử của các phân tử liền kề.

Mặt khác, các trường hợp như carbon, có dạng thù hình ổn định nhất là than chì, tạo thành các cấu trúc phân lớp trong đó các nguyên tử trong một lớp được liên kết cộng hóa trị với nhau, trong khi chúng không được liên kết với các nguyên tử ở các lớp liền kề.

Điều này làm cho việc xác định bán kính là một hàm của khoảng cách giữa hai hạt nhân liền kề trở nên mơ hồ. Trong những trường hợp này, kích thước được định nghĩa là một nửa khoảng cách giữa hai nguyên tử giống hệt nhau liên kết cộng hóa trị với nhau. Bán kính này được gọi là bán kính cộng hóa trị và nó được sử dụng phổ biến nhất để thiết lập kích thước của các nguyên tử phi kim loại .

Kích thước tương đối của nguyên tử các nguyên tố hóa học

Mặt khác, bán kính cộng hóa trị là một khái niệm có khả năng ứng dụng lớn hơn bán kính kim loại, vì nó cho phép chúng ta gán bán kính cho các nguyên tử là một phần của phân tử hoặc hợp chất cộng hóa trị. Hơn nữa, khi biết bán kính cộng hóa trị của một nguyên tử, chúng ta có thể ước tính bán kính cộng hóa trị của nguyên tử khác bằng cách đo độ dài của liên kết cộng hóa trị được hình thành giữa hai nguyên tử.

Thông thường, bán kính cộng hóa trị của nguyên tử nhỏ hơn một chút so với bán kính kim loại tương ứng của nó.

bán kính ion

Hai phép đo kích thước nguyên tử được đề cập trong các phần trước chỉ có thể được áp dụng cho các nguyên tử trung tính hoặc các nguyên tử là một phần của phân tử cộng hóa trị. Tuy nhiên, nhiều nguyên tố có độ âm điện khác nhau rõ rệt kết hợp với nhau để tạo thành các hợp chất ion trong đó chúng nhận hoặc mất electron, do đó trở thành anion hoặc cation tương ứng.

Trong những trường hợp này, chúng ta có thể thiết lập kích thước tương đối của các nguyên tử bằng cách so sánh kích thước của các ion của chúng, nghĩa là bán kính ion của chúng.

Khi chúng ta có hai ion khác nhau liên kết với nhau và chúng ta biết khoảng cách ngăn cách chúng, chúng ta giả định rằng khoảng cách này sẽ bằng tổng bán kính của hai ion. Tuy nhiên, làm thế nào chúng ta có thể biết phần nào của khoảng cách này tương ứng với một hoặc một ion khác? Rõ ràng là, để xác định bán kính của một trong hai ion, chúng ta cần giá trị bán kính của ion kia. Điều này có nghĩa là chúng ta chỉ cần xác định bán kính của bất kỳ cation và anion nào.

Sau đó, chúng ta có thể sử dụng bán kính của cation để xác định bán kính của bất kỳ anion nào khác mà chúng ta muốn, trong khi chúng ta có thể sử dụng bán kính của anion để xác định bán kính của bất kỳ cation nào khác.

Điều này lần đầu tiên đạt được từ dữ liệu tinh thể học của lithium iodua, một hợp chất ion được tạo thành từ một cation rất nhỏ và một anion rất lớn.

Kích thước tương đối của nguyên tử các nguyên tố hóa học

Trong hợp chất này, cấu trúc tinh thể được hình thành bởi mạng lưới các ion iotua (I ), trong đó mỗi anion tiếp xúc trực tiếp với sáu iotua khác, còn các ion liti (Li + ) nằm trong các hốc được tạo thành từng bốn. iốt, tiếp xúc trực tiếp với tất cả những thứ này. Do đó, bán kính ion của iotua có thể được xác định bằng một nửa khoảng cách giữa hai hạt nhân iốt liền kề, trong khi khoảng cách giữa hạt nhân liti và iốt cho phép xác định bán kính ion của liti bằng cách trừ đi bán kính ion của iotua.

Xu hướng định kỳ của bán kính nguyên tử

Như đã đề cập ở phần đầu, kích thước nguyên tử là một đặc tính tuần hoàn của vật chất. Nghĩa là, nó thay đổi theo một cách có thể dự đoán được trong một khoảng thời gian và giữa một nhóm.

Trong khoảng thời gian, cả bán kính nguyên tử và bán kính cộng hóa trị đều giảm dần từ trái sang phải. Điều tương tự cũng xảy ra với bán kính ion của các ion có cùng điện tích. Lý do đằng sau hành vi này là điện tích hạt nhân hiệu quả, tăng khi số nguyên tử tăng.

Mặt khác, khi bạn di chuyển từ giai đoạn này sang giai đoạn khác trong một nhóm (nghĩa là di chuyển theo chiều dài của một nhóm), điện tích hạt nhân hiệu dụng cũng tăng lên, nhưng các electron lớp ngoài cùng (tức là các electron hóa trị) nằm trong electron lớp vỏ tăng mức năng lượng. Điều này ngụ ý rằng các lớp vỏ hóa trị ngày càng xa hạt nhân, do đó bán kính của nguyên tử cũng tăng lên.

Sự biến thiên bán kính ion theo điện tích

Ngoài sự biến thiên tuần hoàn của bán kính nguyên tử, cộng hóa trị và ion, bán kính ion còn phụ thuộc rất nhiều vào điện tích. Mỗi electron bổ sung được đưa vào một nguyên tử để biến nó thành anion và tăng điện tích âm của nó sẽ làm tăng lực đẩy tĩnh điện giữa các electron trong lớp vỏ hóa trị, khiến đám mây electron mở rộng và tăng bán kính ion.

Điều ngược lại xảy ra với các cation. Mỗi electron bị tách ra khỏi nguyên tử để chuyển thành cation và làm tăng điện tích dương, làm giảm lực đẩy giữa các electron, làm tăng điện tích hạt nhân hiệu dụng và do đó các electron bị hạt nhân hút mạnh hơn. Hiệu ứng là giảm bán kính ion khi tăng điện tích dương.

Ví dụ

Nếu chúng ta so sánh bán kính của các ion khác nhau mà clo có thể tạo thành, thứ tự của bán kính ion sẽ là:

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

Người giới thiệu

Trang web nghiên cứu Bodner. (nd). Kích thước của nguyên tử . https://chemed.chem.purdue.edu/genchem/topicreview/bp/ch7/index.php

Vật lý và hóa học. (2019, ngày 15 tháng 6). Kích thước nguyên tử và ion . Vật lý và hóa học. https://lafisicayquimica.com/7-3-tamanos-de-atomos-e-iones/

Socrates. (2016, ngày 3 tháng 1). Kích thước nguyên tử được đo như thế nào? Socrates.org. https://socrates.org/questions/how-is-atomic-size-measured

studynlearn. (2014, ngày 14 tháng 6). Kích thước nguyên tử . YouTube. https://www.youtube.com/watch?v=HBIUnpU_vJA

Tome, C. (2020, ngày 4 tháng 2). Tại sao các nguyên tử có kích thước như chúng? Sổ tay Văn hóa Khoa học. https://culturacientifica.com/2020/02/04/por-que-los-atomos-tienen-el-tamano-que-tienen/

-Quảng cáo-

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

Artículos relacionados