Rozmiar atomu jest jedną z wielkości fizycznych, dzięki którym możliwe jest przedstawienie zmian właściwości chemicznych pierwiastków w zależności od położenia w układzie okresowym. Wielkość atomów jest ważna przy próbie wyjaśnienia zachowania atomów, cząsteczek lub jonów. Jednym ze sposobów wyrażania wielkości atomów jest promień atomowypromień atomupromień atomowy. Za rozmiar atomu lub jonu odpowiada głównie rozmiar chmury elektronowej. Pomimo, że w naszym postrzeganiu sam atom jest bardzo mały to porównując rozmiar jądra atomowego do rozmiaru samego atomu może zauważyć, że rozmiar atom jest nieporównywalnie większy od rozmiaru jego jądra (ok. ${10}^5$ razy mniejszych od rozmiarów atomu).

Chmury elektronówchmura elektronowaChmury elektronów nie mają wyraźnych granic, więc nie możemy zmierzyć dokładnego promienia atomu. Jednak gdy atomy łączą się ze sobą tworząc cząsteczki, ich centra (jądrajądro atomowejądra) znajdują się wtedy w określonych odległościach od siebie. W celu standaryzacji pomiaru promieni atomowych, mierzy się odległość między jądrami dwóch identycznych atomów połączonych ze sobą.

Promień atomowy jest zdefiniowany jako połowa odległości pomiędzy jądrami dwóch atomów tego samego pierwiastka, połączonych wiązaniem chemicznym.

RQ5r9eGPwm0aX

Ilustracja przedstawiająca przybliżenie się dwóch atomów wodoru na odległość $\text{r}$ oraz utworzenie wiązania kowalencyjnego. Dwie czarne kulki symbolizują jądra atomów, zaś dwie szare kuliste chmury wokół nich symbolizują chmurę elektronową. Chmury nakładają się na siebie. Nad nimi znajduje się wzór $\text{r = }\frac{\text{d}}{\text{2}}$, gdzie $\text{d}$ to odległość pomiędzy jądrami atomów.

Nasze rozważania zawęzimy do pierwiastków usytuowanych w grupach głównych układu okresowego 1., 2. oraz 13.-17. W ramach danego okresu, największe promienie mają te atomy, które rozpoczynają dany okres. Prócz wodoru, są to zatem atomy litowców. Wraz ze wzrostem liczby atomowej dla atomów kolejnych pierwiastków danego okresu, można zaobserwować zapełnianie danej powłoki kolejnymi elektronami. Objawia się to zmniejszeniem promienia atomu w danym okresie. Wynika to stąd, że im większy ładunek jądra (równy liczbie atomowej), tym silniej przyciąga ono elektrony wszystkich powłok (również elektrony znajdujące się na najbardziej zewnętrznej powłoce, która decyduje o wielkości atomu).

W grupach głównych promienie atomowe kolejnych pierwiastków rosną w dół grupy. Łatwo to zrozumieć biorąc pod uwagę wielkość chmury elektronowej atomów pierwiastków. Poruszając się w dół grupy, atomy kolejnych pierwiastków rozmieszczają elektrony na coraz bardziej oddalonych od jądra powłokach elektronowych, np. beryl rozmieszcza elektrony na dwóch powłokach, magnez już na trzech, wapń na czterech, stront na pięciu, a bar na sześciu. Skoro elektrony zajmują coraz bardziej oddalone od jądra powłoki, rośnie zatem rozmiar chmury elektronowej, a w konsekwencji także promień atomowy.

Podsumowując dyskusję dotyczącą promieni poszczególnych atomów, można powiedzieć, że promieniem atomowy rośnie w układzie okresowym (w grupach głównych) w lewo i w dół, a zatem w stronę atomu fransu.

W wyniku oderwania elektronu lub elektronów, atom przechodzi w kation (jon o ładunku dodatnim), ponieważ liczba elektronów na powłokach jest mniejsza od liczby protonów w jądrze. Dokładnie można to zobrazować, zapisując konfigurację elektronową atomu pierwiastka oraz jego kationów:

• konfiguracja elektronowa:

  ${}_{26}{}^{ }\mathrm{Fe}: 1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{2}3d^6$

Atom żelaza w czasie jonizacji oddaje najpierw elektrony z podpowłoki 4s. Po oddaniu obu elektronów powstaje kation dwudodatni:

• konfiguracja elektronowa:

  ${{}_{26}{}^{ }\mathrm{Fe}}^{2+}: 1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}3d^6$

Jeśli ${\text{Fe}}^{2+}$ ulega dalszej jonizacji, to kolejny elektron jest usuwany już z podpowłoki 3d. Powstaje w ten sposób kation trójdodatni:

• konfiguracja elektronowa:

  ${{}_{26}{}^{ }\mathrm{Fe}}^{3+}: 1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}3d^5$

Promienie jonowe kationów są mniejsze od promienia atomu, od którego pochodzą te jony. Im większy ładunek dodatni ma kation (im więcej elektronów oddał), tym jego promień jest mniejszy. Dlaczego? Można to wyjaśnić, biorąc pod uwagę dwie poniższe informacje:

• usuwanie elektronów z powłok elektronowych może prowadzić do utraty najbardziej zewnętrznych powłok elektronowych, a więc do zmniejszenia rozmiaru chmury elektronowej;

• utrata elektronu oznacza, że w drobinie jest więcej protonów niż elektronów. Im więcej elektronów zostanie usuniętych z powłok, tym z większą siłą jądro atomowe (którego ładunek dodatni przecież nie zmienia się) będzie przyciągać elektrony, które pozostały jeszcze w chmurze elektronowej.

Odwrotną zależność można zaobserwować dla anionów (jonów o ładunku ujemnym), powstałych w wyniku przyłączenia elektronów do atomu. Promienie jonowe anionów są większe niż atom, z którego pochodzą. Im większy ładunek ujemny posiada dany anion, tym jego promień jest większy. Elektrony są dodawane do zewnętrznej powłoki elektronowej zwiększającej rozmiar chmury elektronowej, a zatem również promień. Ponadto, ze wzrostem ujemnego ładunku anionu, jądro o stałym i niezmienny ładunku dodatnim musi przyciągać i utrzymywać coraz większą liczbę elektronów. W konsekwencji elektrony te są przyciągane słabiej, co również wpływa na rozmiar chmury elektronowej.

Podobnie jak w przypadku promienia atomowego, promienie jonowe jonów o tym samym ładunku są coraz większe dla kolejnych pierwiastków danej grupy układu okresowego.

Słownik

Bibliografia

Atkins P., Jones J., Chemical Principles: The Quest for Insight, 5th Edition, New York 2009.

Encyklopedia PWN

Penkala T., Podstawy Chemii Ogólnej, Warszawa 1982.

Saunders N., Saunders A., As Chemistry, Oxford 2007.