原子半径について詳しく解説

導入

化学元素の原子半径は、その原子のサイズの尺度であり、通常は原子核と周囲の電子雲の境界の間の平均距離です。この境界は明確に定義された物理的実体ではないため、原子半径には同等ではない定義がいくつかあります。

定義に応じて、この用語は孤立した原子にのみ適用される場合もあれば、凝縮物質内の原子、分子内の共有結合、またはイオン化および励起状態の原子にも適用される場合があります。その値は実験測定によって取得することも、理論モデルから計算することもできます。特定の定義では、原子半径の値は原子の状態とその環境に依存する可能性があります。

多くの場合、原子は球としてモデル化できます。これはやや大雑把な近似ですが、流体と固体の密度、分子ふるい内の流体の拡散、結晶内の原子とイオンの配置、分子のサイズと形状など、多くの現象の説明と予測を提供できます。 。

ただし、電子には明確に定義された軌道や正確なサイズがないため、原子半径の概念を定義するのは困難です。したがって、それらの位置は、突然打ち消されることなく、コアから離れるにつれて徐々に減少する分布確率を使用して記述されなければなりません。さらに、凝縮した物質や分子では、原子の電子雲が重なり合うことが多く、一部の電子が 2 つ以上の原子上に非局在化することがあります。
これらの概念的な困難にもかかわらず、孤立原子のほとんどの定義では、半径が 30 ～ 300 pm (0.3 ～ 3 オングストローム) とされています。したがって、原子半径は原子核の 10,000 倍ですが、原子核の波長の 1,000 分の 1 未満です。見える。
原子半径は、周期表内を移動するにつれて予測可能な方法で変化します。たとえば、半径は一般に、アルカリから希ガスまで表の期間 (行) に沿って減少します。列を下るにつれて増加します。

原子半径の定義と計算方法

固体で

原子半径は、固体または分子内の 2 つの隣接する原子の原子核を隔てる距離の半分として定義されます。原子半径を求める式は次のとおりです。

ここで、 nは原子価殻の主量子数、 Z _{eff は}原子核の有効電荷、 a0 は計算の基準として機能するボーア原子の半径を示し、0.0529 nm に相当します。

化学結合に関与する原子の中で

2 つの非金属間に共有結合が形成される場合、それは共有結合半径と呼ばれる特定のタイプの原子半径になります。 2 つの金属間に金属結合が形成される場合、それは金属半径と呼ばれる特定の種類の原子半径になります。

X 線回折装置を使用して測定されるこの長さにより、2 つの原子の電子雲が混合している場合でも、原子のサイズを大まかに決定できます。

周期表内の進化

周期表では、同じ期間内で右に行くほど原子半径は小さくなります。この周期特性は、有効電荷の増加に直接関係しています。これは、一定期間にわたって左から右に移動すると、陽子と価電子の数が増加しますが、内部電子によって引き起こされる遮蔽効果は本質的に同じままであるためです。この成長は、原子核と価電子の間の引力の増加、したがって 2 つの原子の原子核間の距離の減少を反映しています。

同じ列の下に行くほど、原子半径は大きくなります。この周期的傾向の説明は比較的単純です。主量子数nの二乗は、原子半径の式におけるZ _effよりも速く増加します。物理用語で言えば、これは、家族の上から下に向かって、陽子の数と内部電子の数が増加しますが、価電子の数は一定のままであることを意味します。したがって、スクリーニング効果はますます重要になり、価電子は原子核にあまり強く保持されなくなります。原子半径の増加は、「電子雲の膨張」によって引き起こされます。

次の表は、JC Slater が発表したオングストローム単位の値を示しており、近似値は 0.12 Å です。