"Химия (углублённый уровень)", Пузаков С.А., Машнина Н.В., Попков В.А.
Атомный радиус помогает сравнивать размеры атомов и понимать, насколько сильно ядро притягивает внешние электроны. Он зависит от числа электронных слоёв, заряда ядра и взаимного отталкивания электронов. Поэтому вниз по группе радиус обычно растёт, а слева направо в периоде уменьшается. При образовании катиона радиус обычно сокращается, при образовании аниона — увеличивается. Эти закономерности позволяют объяснять свойства элементов и ионов.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Атомный радиус — способ количественно оценить размер атома по расстоянию от ядра до внешней электронной оболочки. Это не жёсткая граница, поскольку электронное облако постепенно становится менее плотным. Понятие нужно, чтобы сравнивать размеры атомов и объяснять периодические изменения свойств элементов.
Ионный радиус — размер частицы после превращения атома в ион; при его оценке учитывают число электронных оболочек и взаимодействие электронов. Ионная оболочка может отличаться от атомной, даже если ядро осталось тем же. Сравнение радиусов помогает понять, как меняются размеры частиц при химических реакциях и в ионных соединениях.
Катион — положительно заряженный ион, который образуется, когда атом отдаёт один или несколько электронов. Число протонов в ядре при этом не меняется, поэтому заряд частицы становится положительным. Термин нужен, чтобы обозначать ионы металлов и описывать их образование в химических процессах.
Анион — отрицательно заряженный ион, образующийся при присоединении атомом одного или нескольких электронов. Электронов в нём становится больше, чем протонов, а ядро остаётся прежним. Это понятие используют, например, при описании неметаллов в ионных соединениях.
При движении вниз по группе у атомов последовательно появляются новые электронные слои. Внешний слой оказывается дальше от ядра, а внутренние электроны частично ослабляют его притяжение к ядру — это называют экранированием. Поэтому добавление протонов не компенсирует увеличение расстояния и экранирования, и атомный радиус обычно возрастает.
В пределах периода электроны добавляются на один и тот же внешний энергетический уровень, поэтому количество занятых слоёв не меняется. Заряд ядра при переходе к следующему элементу увеличивается на один протон. Притяжение электронного облака усиливается, и радиус обычно сокращается, хотя взаимное отталкивание электронов может немного влиять на отдельные значения.
На внешние электроны действует эффективный заряд ядра — результат притяжения со стороны протонов с учётом экранирования внутренними электронами. Чем он больше, тем сильнее ядро удерживает внешнюю оболочку и тем компактнее она может быть. Электроны одновременно отталкиваются друг от друга: это отталкивание стремится расширить облако и частично противодействует притяжению ядра.
Когда атом отдаёт электрон, он превращается в катион. Оставшиеся электроны сильнее ощущают притяжение того же ядра, а электронное отталкивание уменьшается; если опустел внешний слой, радиус особенно заметно сокращается. При присоединении электрона возникает анион: на оболочке усиливается взаимное отталкивание электронов, поэтому она обычно расширяется.
Изоэлектронными называют частицы с одинаковым числом электронов. Поскольку электронные оболочки у них заполнены одинаковым числом электронов, для сравнения особенно важен заряд ядра: большее число протонов сильнее притягивает всю оболочку. Следовательно, в изоэлектронном ряду радиус уменьшается с увеличением заряда ядра.
В таблице собраны основные направления сравнения. В графе «пример» указано, какие частицы удобно сопоставлять, чтобы увидеть закономерность. Сначала определите, меняется ли число электронных слоёв, затем учитывайте заряд ядра и число электронов.
| Ситуация | Изменение радиуса | Основная причина | Пример |
|---|---|---|---|
| Движение вниз по группе | Обычно увеличивается | Добавляется электронный слой, усиливается экранирование | Li < Na < K |
| Движение слева направо в периоде | Обычно уменьшается | Заряд ядра растёт, число слоёв не меняется | Na > Mg > Al |
| Образование катиона | Обычно уменьшается | Электроны удаляются, отталкивание ослабевает | Na⁺ меньше Na |
| Образование аниона | Обычно увеличивается | Присоединённый электрон усиливает отталкивание | Cl⁻ больше Cl |
| Сравнение изоэлектронных частиц | Уменьшается при росте заряда ядра | Большее число протонов сильнее притягивает те же электроны | O²⁻ > F⁻ > Na⁺ > Mg²⁺ |
Задача: расположить атомы Na, Mg и Al в порядке увеличения атомного радиуса. Все три элемента находятся в третьем периоде. Значит, число электронных слоёв у них одинаковое, и можно применить закономерность изменения радиуса в периоде.
Определяем положение элементов: Na, Mg и Al идут именно в таком порядке слева направо в периоде. Их порядковые номера равны 11, 12 и 13, поэтому заряд ядра возрастает. Дополнительного электронного слоя при этом не появляется.
Сравниваем притяжение внешних электронов: у Al заряд ядра больше, чем у Mg, а у Mg — больше, чем у Na. Поэтому оболочка сильнее стягивается от Na к Al. Радиус уменьшается в этом направлении.
Записываем частицы от наименьшего радиуса к наибольшему, то есть в порядке, обратном движению слева направо. Ответ: Al < Mg < Na.
Задача: сравнить радиусы атома Na, иона Na⁺ и иона Cl⁻. Здесь важно не смешивать изменение размера при ионизации с сопоставлением частиц разных элементов. Нужно отдельно учесть число электронов и слоёв.
У атома Na 11 электронов, распределённых по трём слоям; у Na⁺ после отдачи одного электрона остаётся 10 электронов и два занятых слоя. Потеря внешнего слоя и уменьшение отталкивания приводят к сокращению радиуса. Значит, Na⁺ меньше атома Na.
У Cl⁻ 18 электронов и три электронных слоя. При присоединении электрона оболочка хлора расширяется из-за усиления электронного отталкивания. У него также больше слоёв, чем у Na⁺, поэтому Cl⁻ значительно больше Na⁺.
Сопоставляем результаты: Na⁺ — самая компактная из этих частиц, затем идёт атом Na, а Cl⁻ — самая крупная. Ответ: Na⁺ < Na < Cl⁻.
Задача: расположить O²⁻, F⁻, Na⁺ и Mg²⁺ в порядке увеличения радиуса. Сначала проверяем электронные конфигурации, иначе нельзя понять, применимо ли сравнение изоэлектронных частиц. Затем сравниваем число протонов.
У кислорода с зарядом −2 десять электронов, у фтора с зарядом −1 тоже десять. У Na⁺ и Mg²⁺ также по десять электронов, потому что каждый атом отдал по два или одному электрону соответственно. Все четыре частицы изоэлектронны.
Записываем заряды ядер: у O — 8 протонов, у F — 9, у Na — 11, у Mg — 12. Чем больше протонов, тем сильнее притяжение одинакового числа электронов и тем меньше радиус. Поэтому Mg²⁺ меньше Na⁺, а Na⁺ меньше F⁻.
Располагаем частицы от наименьшего радиуса к наибольшему, обращая порядок роста заряда ядра. Ответ: Mg²⁺ < Na⁺ < F⁻ < O²⁻.
Ошибка: считать, что радиус всегда увеличивается с ростом порядкового номера элемента. Так рассуждают, если учитывают только добавление протонов или электронов и забывают, что элементы могут находиться в разных периодах и группах. Проверь себя: сначала отметь положение сравниваемых атомов в таблице, затем выясни, меняется ли число слоёв и направление движения.
Ошибка: путать изменение радиуса вниз по группе с изменением слева направо в периоде. В обоих случаях меняются порядковые номера и число электронов, но причины различны: вниз добавляются слои, а в периоде число слоёв сохраняется. Проверь себя, указав для каждого сравнения число слоёв и изменение заряда ядра.
Ошибка: утверждать, что катион больше исходного атома из-за положительного заряда. Знак заряда сам по себе не задаёт размер: катион теряет электроны, отталкивание ослабевает, а иногда исчезает внешний слой. Проверь себя, сравнив электронные конфигурации атома и иона и посчитав занятые оболочки.
Ошибка: сравнивать изоэлектронные частицы только по заряду иона. Заряд иона связан с разницей числа протонов и электронов, но при одинаковом числе электронов решающим становится число протонов в ядре. Проверь себя: посчитай электроны и протоны каждой частицы; большую оболочку при прочих равных имеет частица с меньшим зарядом ядра.
Для понимания радиусов нужны знания о строении атома, электронных конфигурациях и энергетических уровнях: без них нельзя определить число электронных слоёв. Периодический закон помогает связать положение элемента с зарядом ядра и изменениями радиуса. Эти сведения объясняют образование ионной связи и свойства ионных соединений, а также помогают сравнивать окислительно-восстановительные свойства элементов и устойчивость ионов.
Почему атомный радиус в периоде уменьшается, хотя число электронов увеличивается?
Электроны добавляются на тот же энергетический уровень, поэтому число электронных слоёв не меняется. Одновременно растёт заряд ядра, и его притяжение сильнее стягивает электронную оболочку.
Почему катион меньше атома, из которого он образовался?
При образовании катиона атом теряет один или несколько электронов. Электрон-электронное отталкивание уменьшается, а иногда исчезает и внешний слой, поэтому оставшиеся электроны притягиваются компактнее.
Всегда ли анион больше исходного атома?
При присоединении электронов число электронных слоёв обычно остаётся прежним, но усиливается отталкивание между электронами, и оболочка расширяется. Поэтому анион, как правило, больше исходного атома.
Как сравнить радиусы частиц с одинаковым числом электронов?
Такие частицы образуют изоэлектронный ряд. Сравнивают заряд их ядер: чем больше протонов при одинаковом числе электронов, тем сильнее притяжение и тем меньше радиус.
Почему при движении вниз по группе радиус увеличивается?
У каждого следующего элемента появляется дополнительный электронный слой. Внутренние слои экранируют притяжение ядра, поэтому внешний слой располагается дальше от него.
1.4. Изменение атомного радиуса и образование ионов
