Jak się zmieniają promienie atomów i jonów w układzie okresowym?

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.

Czym są promienie atomowe i jonowe oraz jak się zmieniają w układzie okresowym pierwiastków?

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 atomu 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 atomu

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 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 r = d2, gdzie d to odległość pomiędzy jądrami atomów. — Przybliżenie się dwóch atomów wodoru na odległość r i utworzenie wiązania kowalencyjnego (uwspólnianie pary elektronowej) przez te atomy obniża energię układu o 436 $\frac{kJ}{mol}$ (energia wiązania).
Źródło: GroMar Sp. z o. o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Jak zmieniają się promienie atomów pierwiastków leżących w tym samym okresie?

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).

Jak zmieniają się promienie atomów pierwiastków leżących w tej samej grupie?

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.

RD2WjveAYjym81

Ilustracja przedstawia układ okresowy pierwiastków z wartościami promieni atomowych (zaznaczonych przy każdym symbolu jako zielone półkole) i promieni jonowych pierwiastków (zaznaczonych przy każdym symbolu jako półkole pomarańczowe dla kationów lub niebieskie dla anionów). Na przykład dla fransu Fr: liczba atomowa 87, średnia masa atomowa 223,02 unita, promień atomowy zaznaczony na zielonym półkolu wynosi 270 pikometrów [pm], na mniejszym pomarańczowym półkolu stykającym się z półkolem zielonym znajduje się wartość promienia jonowego wynoszącego 180 pikometrów. jeżeli jest niebieski oznacza anion. 7 s 1 , w prawym dolnym rogu kwadratu, oznacza konfigurację elektronów walencyjnych. Pod symbolem pierwiastka Fr jest F r + - symbol jonu; oraz litera k oznaczająca, że jon występuje tylko w kryształach, a nie w roztworach wodnych. Dla wodoru podano wartości zarówno promienia atomowego równą 30 pikometrów oraz wartości promieni jonowych dla kationu równą 105-, zaś dla anionu równą 154 pikometry. Podano również odpowiednio wartości promieni jonowych kationów i promieni atomowych dla następujących pierwiastków: lit (78; 152), sód (98; 186), potas (133; 227), rubid (149; 248), cez (165; 265), frans (180; 270), beryl (34; 114), magnez (78; 160), wapń (106; 197), stront (127; 215), bar (143; 217), rad (152; 223), skand (83; 161), itr (106; 181), tytan (60; 145), cyrkon (87; 160), hafn (84; 157), wanad (65; 132), niob (72; 143), tantal (72; 143), chrom (64; 125), molibden (96; 136), wolfram (68; 137), mangan (70; 129), technet (72; 130), ren (72; 137), żelazo (67; 124), ruten (77; 134), osm (81; 134), kobalt (64; 125), rod (75; 134), iryd (75; 136), nikiel (78; 127), pallad (86; 138), platyna (85; 138), miedź (72; 128), srebro (113; 144), złoto (91; 144), cynk (83; 133), kadm (103; 149); rtęć (112; 160), bor (23; 88), glin (57; 143), gal (72; 122), ind (92; 163), tal (105; 170), german (53; 122), cyna (74; 140), ołów (84; 175), arsen (69; 121), antymon (89; 141), bizmut (96; 155). Ponadto, podano wartości promieni jonowych i atomowych dla większości lantanowców i aktynowców: lantan (122; 188), cer (107; 182), prazeodym (106; 183), neodym (104; 182), promet (99; 181), samar (96; 180), europ (95; 204), gadolin (94, 180), terb (93, 178), dyspoz (91; 177), holm (90; 177), erb (89; 176), tul (87; 175), lutet (85; 173), aktyn (118; 188), tor (99; 180), proaktyn (98; 161), uran (97; 138), neptun (95; 131), pluton (93; 151), ameryk (92; 184). Oprócz tego, wartości promieni jonowych anionów i promieni atomowych podano dla następujących pierwiastków, wyrażając je w pikometrach: węgiel (260; 77), krzem (271; 117), azot (171; 70), fosfor (212; 110), tlen (132; 66), siarka (184; 104), selen (191; 117), tellur (211; 143), polon (240; 153), fluor (133; 58), chlor (181; 99), brom (196; 114), jod (220; 133), astat (227; 140). Dla pozostałych pierwiastków grup od pierwszej do piętnastej podano wartości promieni jonowych dla kationów, z wyjątkiem pierwiastków, dla których nie wyznaczono jeszcze dokładnych wartości. — Wartości promieni atomowych i jonowych pierwiastków
Źródło: GroMar Sp. z o.o., na podstawie K. Pazdro, A. Rola–Noworyta, Chemia Repetytorium dla przyszłych maturzystów i studentów, Oficyna Edukacyjna Krzysztof Pazdro, Warszawa 2014, licencja: CC BY-SA 3.0.

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.

Promień jonu

Promień jonowy

odległość najbardziej oddalonych elektronów od jądra atomu, w przypadku jonów utworzonych z jednego atomu, lub też od geometrycznego centrum jonów, złożonych z większej liczby atomów.

Symulacja 1

Przeanalizuj symulację pod kątem zmian promieni atomów i jonów dla pierwiastków podczas odrywania kolejnych elektronów od atomu danego pierwiastka: $H$ , $Na$ , $Mg$ , $K$ , $Li$ , $Rb$ , $Cs$ , $Al$ , $Si$ , $P$ , $S$ , $Cl$ i $Ar$ . Zmiany wartości promienia możesz obserwować wyciągając odpowiednią ilość elektronów z niebieskiej chmury do szarego pola. Jak myślisz, w jaki sposób będzie zmieniać się promień, jeżeli do atomu będą dołączane kolejne elektrony?

RxK02WK7oiGPw

Symulacja interaktywna pt. "Potencjał jonizacyjny pierwiastków"
Źródło danych: Dayah M., Periodic Table - Ptable, online: https://ptable.com, dostęp: 29.06.2022.

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Podpowiedźwhite

Polecenie 1

Co dzieje się za promieniem atomu, gdy odrywa się od atomu kolejne elektrony?

Jak będzie zmieniać się promień, gdy do atomu będą przyłączane elektrony?

RrnsmrNhNKBkr

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

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

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

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

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

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.

Podsumowując – jeżeli porównujemy wielkość atomu żelaza i jego jonów, to:

Fe > {Fe}^{2 +} > {Fe}^{3 +}

ReLWATOiT37ZV1

Ilustracja przedstawiająca atom litu symbolizowany przez dużą zieloną kulkę, poniżej informacja Li 152 pikometry, 3 elektrony, 3 protony, konfiguracja elektronowa dla litu 1s22s1. Strzałka w prawo, za strzałką kation litu symbolizowany przez mniejszą zieloną kulkę z zaznaczonym znakiem plus, poniżej znajduje się symbol Li+, 58 pikometrów, 2 elektrony, 3 protony, konfiguracja elektronowa 1s2. — Atom litu traci elektron, dlatego promień kationu litu jest mniejszy od promienia atomu litu.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

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.

RP21akM6MNfPi1

Ilustracja przedstawiająca atom fluoru symbolizowany przez małą fioletową kulkę, poniżej informacja: symbol fluoru F, promień atomowy 58 pikometrów, 9 elektronów, 9 protonów, konfiguracja elektronowa dla fluoru 1s22s22p5. Strzałka w prawo, za strzałką anion fluorkowy symbolizowany przez większą fioletową kulkę z zaznaczonym znakiem minus, poniżej znajduje się symbol F-, 133 pikometry, 10 elektronów, 9 protonów, konfiguracja elektronowa 1s22s22p6. — Atom fluoru zyskuje elektron, dlatego promień anionu fluorkowego jest większy od promienia atomu fluoru.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

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

Polecenie 1

Przeanalizuj poniższą grafikę interaktywną. Zwróć uwagę na podane wielkości promieni dla poszczególnych atomów i ich jonów, a także na podane konfiguracje elektronowe atomów pierwiastków. Następnie, w oparciu o grafikę, rozwiąż poniższe zadania.

R1M0HLZoBaj0O

Grafika interaktywna pt. Jak zmieniają się promienie atomów i jonów w układzie okresowym?
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Czy wiesz, jak zmieniają się promienie atomów i jonów pierwiastków w układzie okresowym? Zapoznaj się z opisem grafiki. Zwróć uwagę na podane wielkości promieni dla poszczególnych atomów i ich jonów, a także na podane konfiguracje elektronowe atomów pierwiastków. Następnie, w oparciu o grafikę, rozwiąż poniższe zadania.

R5O6T0iuGexRD

Ćwiczenie 1

RZkKDIzjV2C1X

Ćwiczenie 2

RPYhGPB86qFtl1

Ćwiczenie 3

REtljLNyRHQBw1

Ćwiczenie 4

R1U4YOAD9JxDC1

Ćwiczenie 5

RSpwGGleDVXh11

Ćwiczenie 6

Ćwiczenie 7

R12lPgGw97mOj

Wskaż konfigurację elektronową dla N a indeks górny, plus, koniec indeksu górnego oraz M g indeks górny, dwa, plus, koniec indeksu górnego oraz określ liczbę powłok elektronowych dla każdego z jonów. Konfiguracja elektronowa N a indeks górny, plus, koniec indeksu górnego: 1. jeden s indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, dwa s indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, dwa p indeks górny, cztery, koniec indeksu górnego, 2. jeden s indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, dwa s indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, dwa p indeks górny, sześć, koniec indeksu górnego, 3. jeden s indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, dwa s indeks górny, jeden, koniec indeksu górnego, dwa p indeks górny, sześć, koniec indeksu górnego, 4. dwa, 5. cztery, 6. pięć, 7. jeden s indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, dwa s indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, dwa p indeks górny, pięć, koniec indeksu górnego, 8. dwa, 9. trzy, 10. jeden s indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, dwa s indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, dwa p indeks górny, sześć, koniec indeksu górnego, 11. jeden s indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, dwa s indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, dwa p indeks górny, cztery, koniec indeksu górnego, 12. pięć, 13. jeden s indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, dwa s indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, dwa p indeks górny, pięć, koniec indeksu górnego, 14. cztery, 15. trzy, 16. jeden s indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, dwa s indeks górny, jeden, koniec indeksu górnego, dwa p indeks górny, sześć, koniec indeksu górnego .
Konfiguracja elektronowa M g indeks górny, dwa, plus, koniec indeksu górnego: 1. jeden s indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, dwa s indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, dwa p indeks górny, cztery, koniec indeksu górnego, 2. jeden s indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, dwa s indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, dwa p indeks górny, sześć, koniec indeksu górnego, 3. jeden s indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, dwa s indeks górny, jeden, koniec indeksu górnego, dwa p indeks górny, sześć, koniec indeksu górnego, 4. dwa, 5. cztery, 6. pięć, 7. jeden s indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, dwa s indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, dwa p indeks górny, pięć, koniec indeksu górnego, 8. dwa, 9. trzy, 10. jeden s indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, dwa s indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, dwa p indeks górny, sześć, koniec indeksu górnego, 11. jeden s indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, dwa s indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, dwa p indeks górny, cztery, koniec indeksu górnego, 12. pięć, 13. jeden s indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, dwa s indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, dwa p indeks górny, pięć, koniec indeksu górnego, 14. cztery, 15. trzy, 16. jeden s indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, dwa s indeks górny, jeden, koniec indeksu górnego, dwa p indeks górny, sześć, koniec indeksu górnego .
Liczba powłok N a indeks górny, plus, koniec indeksu górnego: 1. jeden s indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, dwa s indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, dwa p indeks górny, cztery, koniec indeksu górnego, 2. jeden s indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, dwa s indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, dwa p indeks górny, sześć, koniec indeksu górnego, 3. jeden s indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, dwa s indeks górny, jeden, koniec indeksu górnego, dwa p indeks górny, sześć, koniec indeksu górnego, 4. dwa, 5. cztery, 6. pięć, 7. jeden s indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, dwa s indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, dwa p indeks górny, pięć, koniec indeksu górnego, 8. dwa, 9. trzy, 10. jeden s indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, dwa s indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, dwa p indeks górny, sześć, koniec indeksu górnego, 11. jeden s indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, dwa s indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, dwa p indeks górny, cztery, koniec indeksu górnego, 12. pięć, 13. jeden s indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, dwa s indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, dwa p indeks górny, pięć, koniec indeksu górnego, 14. cztery, 15. trzy, 16. jeden s indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, dwa s indeks górny, jeden, koniec indeksu górnego, dwa p indeks górny, sześć, koniec indeksu górnego .
Liczba powłok M g indeks górny, dwa, plus, koniec indeksu górnego: 1. jeden s indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, dwa s indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, dwa p indeks górny, cztery, koniec indeksu górnego, 2. jeden s indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, dwa s indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, dwa p indeks górny, sześć, koniec indeksu górnego, 3. jeden s indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, dwa s indeks górny, jeden, koniec indeksu górnego, dwa p indeks górny, sześć, koniec indeksu górnego, 4. dwa, 5. cztery, 6. pięć, 7. jeden s indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, dwa s indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, dwa p indeks górny, pięć, koniec indeksu górnego, 8. dwa, 9. trzy, 10. jeden s indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, dwa s indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, dwa p indeks górny, sześć, koniec indeksu górnego, 11. jeden s indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, dwa s indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, dwa p indeks górny, cztery, koniec indeksu górnego, 12. pięć, 13. jeden s indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, dwa s indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, dwa p indeks górny, pięć, koniec indeksu górnego, 14. cztery, 15. trzy, 16. jeden s indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, dwa s indeks górny, jeden, koniec indeksu górnego, dwa p indeks górny, sześć, koniec indeksu górnego .

Odpowiedz, który z promieni jonowych jest większy i uzasadnij dlaczego.

R1QG1aLcmu9RZ

Porównywane jony posiadają taką samą liczbę elektronów i taką samą konfigurację elektronową. Promienie są jednak różne ze względu na różne ładunki jądra. Większy promień jonowy posiada ${Na}^{+}$ . Jądro kationu magnezu ma większy ładunek jądra i silniej przyciąga elektrony, co powoduje, że jego promień jest mniejszy.

bg‑blue

Notatnik

R17TY7A3VUjRk

Źródło: Gromar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

promień atomu

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

chmura elektronowa

fiz. poglądowe pojęcie, używane w kwantowym opisie atomów i cząsteczek, oznaczające obszar, w którym występuje duże prawdopodobieństwo znalezienia elektronów

jądro atomowe

centralna część atomu, o rozmiarach ok. $10^{5}$ razy mniejszych od rozmiarów atomu, skupiająca prawie całą jego masę

Powinowactwo elektronowe

Elektroujemność pierwiastków chemicznych