周期性：原子半径

PubChemによると、セシウムの原子の半径はフッ素の原子の約二倍半で、343 pmと135 pmです。

原子にはかたい境目がありません。電子は霧のように少しずつ薄くなっていくからです。それでも化学者には大きさが必要なので、原子どうしがどこまで近づくかから大きさを決めます。モデルはPubChemのファンデルワールス半径を使っています。結合せずにふれ合っている二つの原子の間の距離の半分です。「高さ：原子半径」をオンにすると、表が地形に変わります。いちばん高い尾根は左端の下のほう、いちばん低い土地は右上にあります。

族を下ると大きくなる

族を下ると、元素は上の元素より電子殻が一つ多くなります。新しい殻は原子核から遠くにあるので、原子は大きくなります。1族では、PubChemの値はリチウムの182 pmから、ナトリウムの227 pm、カリウムの275 pm、セシウムの343 pmへと大きくなります。一ピコメートルは一兆分の一メートルなので、最大の安定な原子であるセシウムでさえ、半径は約三分の一ナノメートルしかありません。

周期を進むと小さくなる

これはほとんどの人が驚く点です。周期を左から右へ進むと、原子は前の原子より陽子も電子も多くなるのに、小さくなっていきます。新しい電子はすべて同じ最外殻に入る一方で、原子核の正電荷は増えていくからです。同じ殻の電子どうしは、互いを原子核からさえぎる力が弱いので、最外殻の電子はどんどん強く引かれ、内側へ引き寄せられます。第2周期では、半径はリチウムの182 pmからフッ素の135 pmまで小さくなります。

最外殻の電子が実際に感じる引力を、有効核電荷といいます。原子核の電荷から、内側の電子に打ち消される分をひいたものです。周期を進むと着実に大きくなります。族を下ってもあまり変わりません。増えた陽子に、さえぎる電子の層が一つ加わって釣り合い、距離の効果のほうが勝つからです。

モデルを正直に読む

実際のデータは教科書のきまりよりでこぼこしています。貴ガスのファンデルワールス半径は隣の元素より大きくなっています。決して結合しない、ふれ合う原子として測られる一方で、同じ表のほかの半径には結合した結晶から得られたものもあるからです。遷移金属はdブロックを進んでも少ししか変わりません。周期性が最もはっきりしているのはsブロックとpブロックです。最も重い人工元素のマスは灰色で平らなままです。だれもその大きさを測ったことがないからです。

大きさは化学にとって大切です。大きな原子は最外殻の電子を引きつける力が弱いので、セシウムのような大きな金属原子は電子を簡単に手放します。フッ素のような小さな原子は自分の電子を強く引きつけ、ほかの原子の電子も引っぱります。原子半径は周期性の最初の一つで、次の電気陰性度の単元はここから導かれます。

原子はイオンになると大きさが変わります。ただ一つの最外殻電子を失ったナトリウム原子は第三殻全体も失うので、Na⁺ イオンは原子よりずっと小さく、イオン半径は約102 pmです。電子を一つ受けとった塩素原子は、同じ殻の電子どうしの反発が増え、Cl⁻ イオンは約181 pmにふくらみます。この二つの数が食塩の結晶の間隔を決めていて、化学結合のコースの分子モデルで見ることができます。