Радиусы атомов химических элементов изменяются по определенным закономерностям в периодической системе. Эти закономерности определяются строением электронных оболочек атомов и зарядом их ядер.
Уменьшение радиусов атомов в периодах
В пределах одного периода, двигаясь слева направо, радиусы атомов уменьшаются. Это происходит из-за того, что заряд ядра атома увеличивается за счет роста числа протонов, в то время как число заполняемых электронных оболочек остается неизменным. Больший положительный заряд ядра сильнее притягивает отрицательно заряженные электроны, в результате чего размеры электронной оболочки и соответственно радиуса атома уменьшаются.
Например, во втором периоде радиус атома лития равен 152 пм, а радиус атома фтора — всего 64 пм. Разница почти в 2,5 раза!
Увеличение радиусов атомов в группах
В пределах одной группы периодической системы, двигаясь сверху вниз, радиусы атомов уменьшаются. Это связано с увеличением числа заполняемых электронных оболочек и, соответственно, ростом расстояния от ядра до валентных электронов. Хотя положительный заряд ядра и возрастает, экранирующее действие промежуточных электронных слоев ослабляет его влияние на внешние электроны. В итоге размеры внешней электронной оболочки и радиус атома увеличиваются.
- Радиус атома лития (I группа, 2 период) — 152 пм;
- Радиус атома цезия (I группа, 6 период) — 298 пм.
Резкое увеличение радиуса атома между периодами
При переходе от атома инертного газа (правый столбец периодической системы) к атому щелочного металла (левый столбец) следующего периода наблюдается резкое увеличение радиуса атома. Это вызвано тем, что следующий элемент начинает заполнять новый, более удаленный от ядра энергетический уровень. В результате размеры внешней электронной оболочки и соответственно радиус атома значительно возрастают.
Например, радиус атома неона (2 период) равен 69 пм, а радиус атома натрия (3 период) уже 186 пм, то есть почти в 3 раза больше!
Общие тенденции изменения радиусов атомов элементов
Исходя из вышеперечисленных закономерностей, можно сделать следующие выводы об общих тенденциях изменения радиусов атомов химических элементов:
- Наименьшие радиусы атомов наблюдаются у элементов VII группы периодической системы (галогены);
- Наибольшие радиусы атомов характерны для элементов I группы (щелочные металлы);
- Радиус атома резко уменьшается в ряду элементов F → O → N → C → B → Be (главная подгруппа II группы);
- Радиус атома резко возрастает при переходе от инертного газа к щелочному металлу следующего периода.
Знание закономерностей изменения атомных радиусов элементов в периодической системе позволяет прогнозировать свойства образуемых ими соединений и характер протекания химических реакций с их участием.
Влияние радиуса атома на свойства химической связи
Радиусы атомов оказывают значительное влияние на прочность и длину химических связей в соединениях. Чем меньше радиусы взаимодействующих атомов, тем на более близком расстоянии они могут приблизиться друг к другу, и тем прочнее образуемая между ними связь.
Например, в ряду соединений HF – HCl – HBr – HI прочность связи H–X возрастает, а ее длина уменьшается вследствие увеличения радиусов атомов галогенов.
Зависимость реакционной способности элементов от радиуса их атомов
Чем меньше радиус атома элемента, тем сложнее отторгнуть от него электроны, то есть тем меньше его реакционная способность в реакциях окисления. И наоборот, бóльшие по размерам атомы легче отдают электроны, проявляя восстановительные свойства.
Поэтому с уменьшением радиуса атомов металлические свойства элементов ослабевают, а неметаллические усиливаются. Наиболее ярко эту закономерность демонстрируют элементы главных подгрупп.
Влияние заряда иона на его размер
При ионизации атома, то есть при превращении его в заряженную частицу, размер иона также зависит от радиуса первоначального атома. Однако на него оказывает существенное влияние и величина электрического заряда иона.
- У катионов (положительно заряженных ионов) радиус меньше, чем у соответствующих им нейтральных атомов;
- У анионов (отрицательно заряженных ионов) радиус больше радиуса атомов.
Это объясняется тем, что при образовании катиона происходит оттягивание электронов от ядра, оно становится менее экранированным и сильнее притягивает оставшиеся электроны. А при образовании аниона, наоборот, ядро слабее удерживает избыточные электроны.
Зависимость физических свойств веществ от размеров атомов
Радиусы атомов и ионов в значительной степени определяют физические свойства образуемых ими веществ – такие как плотность, температуры плавления и кипения, растворимость, электропроводность и другие.
Чем меньше размер частиц, тем плотнее они могут упаковаться в твердых кристаллических решетках. Поэтому с увеличением радиуса атома плотность образуемых элементами твердых веществ уменьшается. То же самое наблюдается и в рядах ионных соединений с общим катионом или анионом.
Использование закономерностей изменения радиусов атомов на практике
Знания о закономерностях изменения радиусов атомов и ионов элементов активно применяются на практике – при синтезе новых веществ с заданными свойствами, разработке новых технологий, создании материалов с особыми характеристиками, в том числе высокотемпературных сверхпроводников, полупроводниковых материалов для электроники, конструкционных сплавов а также катализаторов для химической промышленности.
Таким образом, знание закономерностей изменения атомных и ионных радиусов позволяет не только объяснить многие свойства веществ, но и целенаправленно создавать материалы с нужными характеристиками для решения важнейших научных и технологических задач.
