شعاع واندروالسی چیست؟ – تعریف و محاسبه
هرگاه دواتم در مجاورت هم و تحت جاذبه ضعیف الکتروستاتیکی باشند، ولی هیچ پیوند شیمیایی باهم نداشته باشند به نصف فاصله این دو اتم شعاع واندروالسی می گویند. این مقاله نشریه جهان شیمی فیزیک به بررسی و تعریف این خصوصیت فیزیکی عناصر می پردازد.
فهرست مطالب :
۱- تعریف شعاع اتمی
۲- شعاع یونی
۳- شعاع کووالانسی
۴- تعریف شعاع واندروالسی
۴- حجم واندروالس
۵- روش های تعیین شعاع واندروالسی
۶- روند تغییر شعاع واندروالسی در جدول تناوبی
۱- تعریف شعاع اتمی :
شعاع اتمی یک معیار برای اندازه گیری اندازه اتم و مشخص کردن حد و مرز آن ها است. به فاصله بین مرکز هسته اتم تا آخرین نقطه ای که ابر الکترونی وجود دارد شعاع اتمی می گویند. اما چون الکترون ها به صورت ابر الکترونی و تا حد بی نهایت در اطراف هسته در حرکت هستند به همین جهت برای آن ها نمی توان مرز مشخصی قایل شد. همین موضوع اندازه گیری دقیق بزرگی اتم را با مشکل مواجه کرده است. در کل برای اندازه گیری شعاع اتمی سه صورت مختلف بیان شده است. شعاع یونی، شعاع کووالانسی و شعاع واندروالسی.
۲- شعاع یونی :
شعاع یونی به نصف فاصله بین مراکز یون های یکسان وقتی که در حالت مماس با هم هستند، شعاع یونی خواهد بود. اگر یون ها مختلف باشد این مقدار برابر مجموع شعاع های یونی آن ها خواهد بود. مثلا در کلرید سدیم، وقتی یون های کلر و سدیم مماس با هم هستند فاصله مراکز هسته ها، مجموع شعاع یونی سدیم و کلر است.
۳- شعاع کووالانسی :
شعاع کووالانسی به نصف فاصله بین مراکز هسته های دو اتم جور هسته که باهم پیوند کووالانسی یگانه تشکیل دادند گفته می شود. مثلا در مولکول کلر که الکترون های دو اتم کلر با هم به اشتراک گذاشته شده و بین آن ها پیوند شیمیایی برقرار شده است، به نصف فاصله بین مراکز هسته اتم های آن ها شعاع کووالانسی اتم کلر می گویند.
۴- تعریف شعاع واندروالسی :
سومین صورت شعاع اتمی شعاع واندروالسی است. وقتی یک اتم به صورت کره سخت فرض شود، فاصله مرکز هسته تا اتم دیگر را شعاع واندروالسی گویند. زمانی که بین اتم ها پیوند کووالانسی برقرار نشود، کوتاهترین فاصله ای که بین اتم ها وجود دارد با مجموع شعاع واندروالسی اتم ها برابر است. این فاصله زمانی تعیین می شود که بین نیروهای جاذبه و نیروهای دافعه ای که الکترون های دو اتم به هم اعمال می کنند تعادل برقرار شود و اتم ها به حالت ناپیوندی باشند. وقتی اتم ها یکسان باشند به نصف این فاصله شعاع ناپیوندی گویند.
اولین کسی که بیان کرد اتم ها به صورت نقطه هایی ساده نیستند و برای آن ها در معادله حالت واندروالس اندازه قرار داد، یوهان دیدریک واندروالس بود. شعاع واندروالس بر حسب واحد آنگستروم یا پیکومتر و با نشان rw بیان می شود. مثلا شعاع واندروالسی لیتیم ۱۸۲ پیکومتر است.
۴- حجم واندروالس :
به خصوصیتی از اتم که به عنوان حجم اشغال شده توسط یک اتم یا یک مولکول مجزا شناخته می شود و به طور مستقیم با شعاع واندروالسی مرتبط است، حجم واندروالسی می گویند و با Vw نشان می دهند. با داشتن شعاع واندروالسی، حجم واندروالسی قابل محاسبه است. برای یک اتم حجم واندروالسی طبق رابطه زیر با داشتن rw تعیین می شود :
Vw = ۴ ∕ ۳ ᴫrw۳
در مورد مولکول ها باید فواصل و زوایای مولکولی در نظر گرفته شود. حجم واندروالسی در یک مولکول از همیشه از مجموع حجم های واندروالسی اتم های تشکیل دهنده آن به تنهایی کمتر است. این به خاطر تشکیل پیوند شیمیایی بین اتم ها و هم پوشانی آن ها با یکدیگر است.
نکته :
در آزمایشگاه حجم واندروالسی گازها را می توان بر روی نمونه های ماکروسکوپی با به کارگیری ثابت واندروالسی و قطبش پذیری به دست آورد. حجم مولی واندروالسی از تقسیم حجم واندروالسی بر عدد آووگادرو به دست می آید و با حجم مولی متفاوت است. در دما و فشار استاندارد حجم مولی واندروالسی یک گاز ۱۰۰۰ برابر از حجم مولی یک گاز کوچکتر است. چون حجم مولی واندروالس فقط حجم اتم ها و مولکول هاست و در دمای آزمایشگاه این ذرات فقط یک هزارم حجم ظرف را اشغال می کنند.
۵- روش های تعیین شعاع واندروالسی :
از روش های مختلفی چون اندازه گرفتن فاصله بین مراکز هسته دو اتم یکسان در یک بلور، اندازه گرفتن قطبش پذیری و انکسار که جزء خواص نوری هستند، به دست آوردن نقطه بحرانی و خاصیت مکانیکی گازها می توان شعاع واندروالسی را محاسبه کرد. اعدادی که برای شعاع در روش های مختلف به دست می آید به طور تقریبی نزدیک هم است. ولی چون این اعداد دقیقا مثل هم نیستند در جداول اندازه هایی که برای شعاع نوشته می شود میانگینی از این مقادیر به دست آمده است.
توجه :
مقادیر شعاع واندروالسی در شرایط مختلف محیط شیمیایی، متفاوت است. به همین جهت این اعداد یک خاصیت ثابت برای اتم ها در هر شرایطی نیستند.
۶- روند تغییر شعاع واندروالسی در جدول تناوبی :
در یک گروه از بالا به پایین این روند صعودی خواهد بود. مثلا در عناصر گروه دوم از جدول تناوبی شعاع واندروالسی بریلیم، منیزیم، کلسیم، استرانسیم، باریم و رادیم به ترتیب ۱۵۳، ۱۷۳، ۲۳۱، ۲۴۹، ۲۶۸ و ۲۸۳ پیکومتر است که افزایش در این گروه را نشان می دهد. علت این امر به دلیل افزایش تعداد لایه های الکترونی است. در یک دوره از جدول تناوب از چپ به راست شعاع واندروالسی کاهش می یابد. مثلا شعاع سدیم، منیزیم، آلومینیم، سیلیسیم، فسفر، گوگرد، کلر و آرگون به ترتیب ۱۱∕۱، ۰۶∕۱، ۰۲∕۱، ۹۹∕۰، ۵۴∕۱، ۳۰∕۱، ۱۸∕۱ و ۹۷∕۰ است که روند کاهشی کاملا مشهود است. این امر به دلیل افزایش عدد اتمی و به دنبال آن افزایش بار موثر هسته است.
توجه :
البته در این تغییر روندهای گفته شده در یک گروه و دوره، استثنائاتی وجود دارد که می تواند به دلایل مختلفی باشد که در مقالات مربوط به گروه های مختلف جدول تناوبی عناصر کامل توضیح داده شده است.
