Закономерность: атомный радиус

Радиус атома цезия примерно в два с половиной раза больше радиуса атома фтора: 343 пм против 135 пм по данным PubChem.

У атома нет твёрдой границы: его электроны редеют постепенно, как туман. Но химикам всё равно нужен размер, поэтому его определяют по тому, насколько близко атомы подходят друг к другу. Модель использует ван-дер-ваальсов радиус из PubChem, то есть половину расстояния между двумя атомами, которые соприкасаются, но не связаны. Включи «Высота: Атомный радиус», и таблица превратится в рельеф. Самый высокий хребет находится внизу у левого края, а самая низкая местность справа вверху.

Вниз по группе: больше

При движении вниз по группе у каждого элемента на одну электронную оболочку больше, чем у элемента над ним. Новая оболочка лежит дальше от ядра, поэтому атом становится крупнее. В группе 1 значения PubChem растут от 182 пм у лития до 227 пм у натрия, 275 пм у калия и 343 пм у цезия. Пикометр составляет одну триллионную метра, так что даже у цезия, самого крупного стабильного атома, радиус всего около трети нанометра.

Вдоль периода: меньше

Это удивляет почти всех. Слева направо по периоду у каждого атома больше протонов и электронов, чем у предыдущего, и всё же атомы становятся меньше. Причина в том, что новые электроны попадают на ту же внешнюю оболочку, а заряд ядра растёт. Электроны одной оболочки плохо экранируют друг друга от ядра, поэтому внешние электроны чувствуют всё более сильное притяжение и подтягиваются ближе. В периоде 2 радиус уменьшается от 182 пм у лития до 135 пм у фтора.

Притяжение, которое на самом деле чувствует внешний электрон, называют эффективным зарядом ядра. Это заряд ядра за вычетом той части, которую гасят внутренние электроны. Вдоль периода он равномерно растёт. Вниз по группе он меняется гораздо меньше, потому что новым протонам соответствует новый слой экранирующих электронов, и побеждает эффект расстояния.

Читаем модель честно

Реальные данные неровнее школьного правила. У благородных газов ван-дер-ваальсовы радиусы больше, чем у соседей: их измеряют для соприкасающихся атомов, которые никогда не связываются, а некоторые другие радиусы в той же таблице получены из кристаллов со связями. Переходные металлы мало меняются вдоль d-блока. Сильнее всего закономерность видна в s- и p-блоках. Плитки самых тяжёлых синтезированных элементов остаются серыми и плоскими, потому что их размер никто не измерял.

Размер важен для химии. Крупный атом слабо удерживает внешние электроны, поэтому большие атомы металлов, например цезия, легко их отдают. Маленький атом, например фтора, держит свои электроны крепко и тянет к себе электроны других атомов. Радиус открывает список закономерностей, и следующий урок, об электроотрицательности, вытекает из него.

Становясь ионами, атомы меняют размер. Атом натрия, отдав единственный внешний электрон, теряет и всю третью оболочку, поэтому ион Na⁺ намного меньше атома: его ионный радиус около 102 пм. Атом хлора, приняв электрон, усиливает отталкивание между электронами одной оболочки, и ион Cl⁻ раздувается примерно до 181 пм. Эти два числа задают расстояния в кристалле соли, который можно увидеть в модели молекул в курсе о химических связях.