شعاع اتمی عناصر چیست و در رابطه با آن چه می دانید؟

شعاع اتمی یک عنصر شیمیایی فاصله مرکز هسته تا بیرونی ترین پوسته الکترون است. از آنجا که مرز یک ماهیت فیزیکی کاملاً مشخص نیست تعاریف متنوعی از شعاع اتمی وجود دارد. بسته به تعریف ، این اصطلاح ممکن است فقط در مورد اتمهای مجزا یا در مورد اتمهای موجود در یک ماده متراکم بکار برود که از طریق پیوند کووالانسی در مولکول ها یا در حالت های یونیزه و برانگیخته قرار دارند.

اندازه شعاع اتمی عناصر از طریق اندازه گیری های تجربی بدست آمده یا از طریق مدل های نظری محاسبه می شود. تحت برخی تعاریف ، اندازه این شعاع ممکن است به وضعیت و زمینه اتم نیز بستگی داشته باشد. در درس شیمی پایه یازدهم ما با شعاع اتمی عناصر آشنا می شویم. در ادامه مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک توضیحات بیشتری در این رابطه ارائه می شود.

شعاع اتمی عناصر در جدول تناوبی

شعاع های اتمی به طور قابل پیش بینی و قابل توضیح در جدول تناوبی متفاوت هستند. به عنوان مثال ، شعاع ها به طور کلی در هر دوره (ردیف) جدول از فلزات قلیایی تا گازهای نجیب به سمت راست کاهش یافته و در هر گروه (ستون) به طرف پایین افزایش می یابد. در بخش شعاع اتمی شیمی یازدهم در این رابطه توضیحات کاملی ارائه شده است.

شعاع بین گاز نجیب در پایان هر دوره و فلز قلیایی در ابتدای دوره بعدی به شدت افزایش می یابد. این روند شعاع های اتمی (و سایر خصوصیات شیمیایی و فیزیکی) عناصر را می توان با تئوری پوسته الکترون اتم توضیح داد.

به عنوان نمونه ای از عناصر ، شعاع اتمی کربن در جدول تناوبی برابر ۶ ، فلوئور برابر ۹  و برم برابر با ۳۵  است که بزرگتر بودن آن در انتهای گروه ها و اول دوره را در جدول تناوبی نشان می دهد.

اندازه گیری شعاع اتمی

شعاع اتمی یک عنصر یک ویژگی مهم است زیرا به ما کمک می کند بسیاری از خصوصیات اتم و نحوه واکنش آن را درک کنیم. این شعاع فاصله هسته اتم تا دورترین مدار الکترونی است و بسیاری از روندهای جدول تناوبی به دلیل ارتباط آن با سایر خصوصیات اتمی مانند بار هسته ای به این ویژگی متکی است. از آنجا که مرزهایی که پوسته های الکترونی به یک اتم ختم می شوند می تواند کمی نامشخص باشد ، بنابراین تعریف واقعی شعاع اتمی نصف فاصله هسته های دو اتم با پیوند یکسان است. این شعاع برحسب پیکومتر اندازه گیری می شود.

شعاع اتمی عناصر واسطه

این کمیت در طول یک دوره به طور کلی از چپ به راست کاهش می یابد. ولی برخی استثناهای کوچک نیز در این بین وجود دارد مثلا این شعاع  اکسیژن کمی بیشتر از شعاع نیتروژن است. در طی یک دوره ، پروتون ها به هسته اضافه می شوند زیرا الکترون ها به همان سطوح انرژی اصلی اضافه می شوند. این الکترونها به دلیل افزایش بار مثبت ، به تدریج به هسته نزدیک می شوند. از آنجا که نیروی جاذبه بین هسته ها و الکترون ها افزایش می یابد ، اندازه اتم ها کاهش می یابد. این اثر با حرکت به سمت راست به  دلیل دافعه الکترون-الکترون کاهش می یابد در غیر این صورت اندازه اتم افزایش می یابد.

انواع شعاع اتمی

از آنجاییکه تعاریف مختلفی برای شعاع اتمی ارائه شده است این تعاریف بسته به نوع پیوند شیمیایی نیز متفاوت هستند. حقیقت این است که تعیین شعاع اتمی کار دشواری است زیرا در خصوص محل الکترون در لایه آخر، عدم قطعیت وجود دارد و این پدیده در اصل عدم قطعیت هایزنبرگ توضیح داده شده است.

شعاع کووالانسی

اگر دو اتم با یکدیگر پیوند کووالانسی برقرار کنند می ‌توان اندازه شعاع کووالانسی را تعیین کرد. در این حالت شعاع هر اتم برابر با نصف فاصله بین دو هسته اتم است زیرا در این پیوند هر دو اتم به یک اندازه الکترون ‌ها را جذب می ‌کنند.

شعاع یونی

شعاع یک اتم هنگام تشکیل یک یون یا پیوند یونی را شعاع یونی می ‌گوینند که با شعاع کووالانسی تفاوت دارد. اتم‌ ها در پیوند یونی اندازه ‌های متفاوتی دارند زیرا یکی از اتم‌ ها کاتیون و اتم دیگر آنیون است که شعاع کاتیون کوچکتر از شعاع آنیون است.

برای اندازه ‌گیری شعاع یونی یابد فاصله بین دو هسته ‌را بر اندازه اتم تقسیم کرد. طبیعی است که هرچه اندازه اتم بزرگتر باشد، شعاع آن نیز بزرگ ترخواهد بود.

شعاع فلزی

شعاع یک اتم در پیوند فلزی را  شعاع فلزی می گویند که در واقع نیمی از فاصله کل بین هسته دو اتم مجاور است. از آنجاییکه پیوند فلزی شامل گروهی از اتم‌ های یکسان در یک شبکه است، فاصله هر اتم با اتم دیگر نیز در این پیوند یکسان خواهد بود.

شعاع واندروالس

شعاع واندروالس شعاع فرضی یک کره سخت و معیاری برای بررسی اندازه اتمی است که فاقد پیوند شیمیایی است. شعاع واندروالس به عنوان نزدیک‌ ترین فاصله بین دو اتم یکسان و ناپیوندی تعریف می شود.

شعاع بور

شعاع بور یکی دیگر از تعاریف موجود در رابطه با شعاع اتمی است. شعاع بور در واقع یک ثابت فیزیکی است و به عنوان محتمل‌ ترین فاصله بین هسته و الکترون در اتم هیدروژن در حالت پایه تعریف می‌ شود.

شعاع اتمی کدام عناصر بیشتر است؟

برای بررسی این  مسئله باید گروه و ردیف ها را در جدول تناوبی بررسی کرد. بطور معمول بزرگترین شعاع مربوط به عنصر آخر هر گروه و عنصر اول هر ردیف در جدول تناوبی می باشد.

البته این روند یک قاعده کلی نیست و اتم‌ هایی هستند که از این قاعده پیروی نمی کنند. این مسئله بیشتر در فلزات واسطه دیده می شود زیرا الکترون ‌های اضافه شده به این عناصر به لایه الکترونی داخلی آنها افزوده شده بنابراین تعداد الکترون لایه آخر تغییر نمی کند.

شعاع اتمی در جدول تناوبی از چپ به راست

شعاع اتمی به اندازه یک اتم اشاره دارد که نشان می دهد یک اتم چقدر بزرگ یا کوچک است. شعاع اتمی یا اندازه، به عنوان کوتاه ترین فاصله بین مرکز هسته اتم و بیرونی ترین پوسته آن تعریف می شود. این مفهوم شبیه شعاع یک دایره است، با هسته مشابه مرکز دایره و بیرونی ترین مدار الکترون مربوط به لبه بیرونی دایره. اتم ها بلوک های ساختمانی اساسی ماده هستند و از یک هسته مرکزی تشکیل شده اند که از پروتون ها و نوترون ها تشکیل شده و توسط ابری از الکترون احاطه شده است.

به طور کلی، شعاع اتمی به عنوان فاصله کل از هسته یک اتم تا بیرونی ترین اوربیتال الکترونی تعریف می شود. با حرکت از چپ به راست در طول یک دوره (ردیف افقی)، شعاع اتمی به طور کلی کاهش می یابد. این به این دلیل است که تعداد پروتون‌ها در هسته افزایش می‌یابد که منجر به بار هسته ‌ای بیشتر می‌شود و الکترون‌ ها را به هسته نزدیک ‌تر می ‌کند. در مقابل، وقتی یک گروه (ستون عمودی) در جدول تناوبی به سمت پایین حرکت می کنید، شعاع اتمی تمایل به افزایش دارد. این به این دلیل است که با حرکت به سمت پایین گروه، لایه ‌های الکترونی جدید اضافه می‌شوند و فاصله بین بیرونی‌ ترین الکترون ‌ها و هسته را افزایش می‌ دهند.

شعاع اتمی بر اساس چگالی الکترون و مفهوم ابر الکترونی است که مرزهای دقیقی ندارد و معمولاً در زمینه اتم های جدا شده مورد بحث قرار می گیرد. در مولکول‌ها، اتم‌ها به دلیل تأثیر اتم‌های همسایه و ماهیت پیوندهای شیمیایی می‌توانند اندازه‌های مؤثر متفاوتی داشته باشند. شعاع های اتمی اطلاعاتی در مورد شکل کلی سه بعدی یا توزیع الکترون در یک اتم ارائه نمی دهند. آنها بر اساس روش های مختلف اندازه گیری و مدل های نظری تخمین زده می شود. روش‌های مختلف ممکن است مقادیر کمی متفاوت به دست آورند و انتخاب روش می ‌تواند بر شعاع گزارش‌ شده تأثیر بگذارد.