2.3. Примеры периодического изменения свойств

 

2.3.1. Атомные и ионные радиусы

 

Поскольку квантовая механика запрещает точное определение координат частицы, понятия “радиус атома”, “радиус иона” условны. Атомные радиусы подразделяют на радиусы атомов металлов, ковалентные радиусы атомов неметаллов и радиусы атомов благородных газов. Их определяют как половину расстояния между слоями атомов в кристаллах соответствующих простых веществ (рис. 2.1) рентгенографическим или нейтронографическим методами.

 

Рис. 2.1. К определению понятия “радиус атома”

 

В общем случае радиус атома зависит не только от природы атомов, но и от характера химической связи между ними, агрегатного состояния, температуры и ряда других факторов. Это обстоятельство лишний раз указывает на относительность понятия “радиус атома”. Атомы не являются несжимаемыми, неподвижно застывшими шариками, они всегда принимают участие во вращательном и колебательном движении. В табл. 2.1 и 2.2 приведены значения радиусов атомов некоторых металлов и ковалентные радиусы атомов неметаллов.

 

Таблица 2.1

Атомные радиусы некоторых металлов

Металл	ra, пм	Металл	ra, пм
Li	155	Rb	248
Be	113	Sr	215
Na	189	Y	181
Mg	160	Zr	160
Al	143	Nb	145
K	236	Mo	139
Ca	197	Tc	136
Sc	164	Ru	134
Ti	146	Rh	134
V	134	Pd	137
Cr	127	Ag	144
Mu	130	Cd	156
Fe	126	In	166
Co	125	Cs	268
Ni	124	Ba	221
Cu	128	La	187
Zn	139	Hf	159

 

Таблица 2.2

Ковалентные радиусы атомов неметаллов

Элемент	ra, пм	Элемент	ra, пм
H	37	S	102
B	80	Cl	99
C	77	Ge	115
N	55	As	125
O	60	Se	116
F	71	Br	114
Si	118	Te	135
P	95	I	133

 

Радиусы атомов благородных газов значительно больше радиусов атомов неметаллов соответствующих периодов (табл. 2.2), поскольку в кристаллах благородных газов межатомное взаимодействие очень слабое.

Газ He Ne Ar Kr Xe

r_a, пм 122 160 191 201 220

Шкала ионных радиусов, понятно, не может быть основана на тех же принципах, что шкала атомных радиусов. Более того, строго говоря, ни одна характеристика индивидуального иона не может быть объективно определена. Поэтому существует несколько шкал ионных радиусов, все они относительны, т. е. построены на основе тех или иных допущений. Современная шкала ионных радиусов основана на допущении, что границей между ионами является точка минимума электронной плотности на линии, соединяющей центры ионов. В табл. 2.3 приведены значения радиусов некоторых ионов.

 

Таблица 2.3

Радиусы некоторых ионов

Ион	ri пм	Ион	ri, пм
Li^+	90	Mn^2+	81
Be^2+	59	Mn^4+	67
B^3+	41	Mn^7+	60
C^4+	30	Fe^2+	92
N^5+	27	Fe^3+	79
O^2–	126	Co^2+	89
F^–	119	Co^3+	69
Na^+	116	Ni^2+	83
Mg^2+	86	Cu^+	91
Al^3+	67	Cu^2+	87
Si^4+	54	Br^–	182
P^5+	52	Mo^6+	73
S^2–	170	Tc^7+	70
Cl^–	167	Ag^+	129
Cl^5+	88	I^–	206
Cl^7+	41	Ce^3+	115
Cr^6+	58	Nd^3+	112
		Lu^3+	100

 

Периодический закон ведёт к следующим закономерностям в изменении атомных и ионных радиусов.

1) В периодах слева направо в целом радиус атома уменьшается, хотя и неравномерно, затем в конце резко возрастает у атома благородного газа.

2) В подгруппах сверху вниз происходит рост радиуса атома: более значительный в главных подгруппах и менее значительный – в побочных. Эти закономерности легко объяснить с позиции электронного строения атома. В периоде при переходе от предыдущего элемента к последующему электроны идут в один и тот же слой и даже в одну и ту же оболочку. Растущий заряд ядра ведёт к более сильному притяжению электронов к ядру, не компенсируемому взаимным отталкиванием электронов. В подгруппах увеличение числа электронных слоёв и экранирование притяжения к ядру внешних электронов глубинными слоями ведёт к росту радиуса атома.

3) Радиус катиона меньше радиуса атома и уменьшается с ростом заряда катиона, например:

4) Радиус аниона больше радиуса атома, например:

 

5) В периодах радиусы ионов d-элементов одинакового заряда плавно уменьшаются, это так называемое d-сжатие, например:

6) Аналогичное явление отмечается и для ионов f-элементов – в периодах радиусы ионов f-элементов одинакового заряда плавно уменьшаются, это так называемое f-сжатие, например:

7) Радиусы однотипных ионов (имеющих сходную электронную “макушку”) в подгруппах плавно возрастают, например:

8) Если различные ионы имеют одинаковое число электронов (они называются изоэлектронными), то размер таких ионов, естественно, будет определяться зарядом ядра иона. Наименьшим будет ион с бóльшим зарядом ядра. Например, ионы Cl^–, S^2–, K⁺, Cа²⁺ имеют одинаковое число электронов (18), это изоэлектронные ионы. Наименьшим из них будет ион кальция, поскольку у него наибольший заряд ядра (+20), а наибольшим – ион S^2–, у которого наименьший заряд ядра (+16). Таким образом, вырисовывается следующая закономерность: радиус изоэлектронных ионов уменьшается с ростом заряда иона.