원자 반지름
Atomic radius
화학 원소의 원자 반지름은 원자의 크기를 측정하는 것으로, 보통 핵의 중심에서 가장 바깥쪽에 고립된 전자까지의 평균 또는 전형적인 거리입니다.경계는 명확하게 정의된 물리적 실체가 아니기 때문에 원자 반지름에는 다양한 비등가 정의가 존재한다.원자 반경의 4가지 정의는 반데르발스 반지름, 이온 반지름, 금속 반지름, 공유 반지름입니다.일반적으로 원자의 반경을 개별적으로 측정하기 위해 원자를 분리하는 것이 어렵기 때문에 원자 반경은 화학적으로 결합된 상태로 측정된다. 그러나 원자를 분리하여 고려할 때 이론적인 계산이 더 간단하다.환경, 프로브 및 상태에 대한 의존성으로 인해 정의가 다양해집니다.
정의에 따라 이 용어는 응축물질, 분자 또는 이온화 및 들뜸 상태에 있는 원자에 적용될 수 있으며, 그 값은 실험 측정을 통해 얻거나 이론 모델을 통해 계산될 수 있다.반지름 값은 원자의 상태와 상황에 따라 달라질 [1]수 있습니다.
전자는 명확한 궤도나 명확하게 정의된 범위를 가지고 있지 않다.오히려 이들의 위치는 급격한 컷오프 없이 핵에서 멀어질수록 점차 줄어드는 확률 분포로 설명해야 한다.이들을 원자 궤도 또는 전자 구름이라고 한다.게다가, 응축 물질과 분자에서, 원자의 전자 구름은 보통 어느 정도 겹치고, 전자의 일부는 두 개 이상의 원자를 포함한 넓은 영역 위를 돌아다닐 수 있다.
대부분의 정의에 따르면 고립된 중성 원자의 반지름은 30~300pm(m의 3조분의 1), 또는 0.3~3Ωs이다.따라서 원자의 반경은 핵의 반경의 10,000배(1-10 fm)[2] 이상이며 가시광선의 파장(400-700 nm)의 1/1000 미만이다.
많은 목적을 위해 원자는 구체로 모델링될 수 있다.이것은 단지 대략적인 근사치이지만, 액체와 고체의 밀도, 분자 체를 통한 유체의 확산, 결정의 원자와 이온의 배열, [citation needed]분자의 크기와 모양과 같은 많은 현상에 대한 양적인 설명과 예측을 제공할 수 있습니다.
역사
1920년, X선 결정학을 사용하여 원자의 크기를 결정하는 것이 가능해진 직후, 같은 원소의 모든 원자가 같은 [3]반지름을 갖는다는 것이 제안되었다.그러나 1923년, 더 많은 결정 데이터를 이용할 수 있게 되자, 다른 결정 [4]구조에서 같은 원자를 비교할 때 구로서의 원자의 근사치가 반드시 유지되지는 않는다는 것이 밝혀졌다.
정의들
원자 반경에 대해 널리 사용되는 정의는 다음과 같습니다.
- 반데르발스 반지름:가장 간단한 정의에서는 공유가 또는 금속 [5]상호작용에 의해 결합되지 않는 원소의 두 원자의 핵 사이의 최소 거리의 절반입니다.반데르발스 반경은 반데르발스 힘이 다른 상호작용에 의해 지배되는 원소(금속 등)에 대해서도 정의할 수 있다.반데르발스 상호작용은 원자 편광의 양자 변동을 통해 발생하기 때문에 편광성(일반적으로 더 쉽게 측정하거나 계산할 수 있음)을 사용하여 반데르발스 반지름을 [6]간접적으로 정의할 수 있다.
- 이온 반지름: 특정 이온화 상태에 있는 원소의 이온 공칭 반지름으로, 해당 이온을 포함하는 결정성 소금 내 원자핵 간격에서 추론됩니다.원칙적으로 두 개의 인접한 반대 방향으로 대전된 이온 사이의 간격(이들 사이의 이온 결합 길이)은 이온 반지름의 [5]합과 같아야 합니다.
- 공유 반지름: 분자 내 원자핵 간의 분리에서 추론된 다른 원자에 공유 결합되었을 때 원소의 원자의 공칭 반지름.원칙적으로, 분자 내에서 서로 결합되어 있는 두 원자 사이의 거리(공가 결합의 길이)는 그들의 공유 반지름의 [5]합과 같아야 한다.
- 금속 반지름: 금속 [citation needed]결합에 의해 다른 원자와 결합되었을 때 원자의 공칭 반지름.
- Bohr 반지름: 원자의 Bohr 모델에 의해 예측된 가장 낮은 에너지 전자 궤도의 반지름(1913).[7][8]수소, 단일 이온화 헬륨, 포지트로늄 등 단일 전자를 가진 원자와 이온에만 적용됩니다.모델 자체는 이제 쓸모없지만 수소 원자의 Bohr 반지름은 여전히 중요한 물리 상수로 간주됩니다.
경험적으로 측정된 원자 반지름
다음 표는 1964년 [9]J. C. Slater가 발표한 원소에 대한 경험적으로 측정된 공유 반지름을 보여준다.값은 피코미터(pm 또는 1×10m−12) 단위로 정확도는 약 5pm입니다.상자의 음영 범위는 반지름이 증가함에 따라 빨간색에서 노란색으로 바뀝니다. 회색은 데이터가 없음을 나타냅니다.
| 그룹. (열) | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | |||
| 기간 (행) | |||||||||||||||||||||
| 1 | H 25 | 그 | |||||||||||||||||||
| 2 | 리 145 | 있다 105 | B 85 | C 70 | N 65 | O 60 | F 50 | 네 | |||||||||||||
| 3 | 나 180 | Mg 150 | 알 125 | 시 110 | P 100 | S 100 | 클론 100 | 아르 | |||||||||||||
| 4 | K 220 | Ca 180 | 스케이 160 | 티 140 | V 135 | Cr 140 | Mn 140 | Fe 140 | 회사 135 | 니 135 | CU 135 | Zn 135 | 가 130 | ge 125 | ~하듯이 115 | 세 115 | 브르 115 | Kr | |||
| 5 | Rb 235 | 시르 200 | Y 180 | Zr 155 | Nb 145 | 모 145 | Tc 135 | 루 130 | Rh 135 | PD 140 | 아그 160 | CD 155 | 인 155 | 스니 145 | Sb 145 | 테 140 | I 140 | Xe | |||
| 6 | Cs 260 | 바 215 | * | 루 175 | HF 155 | 타 145 | W 135 | 레 135 | OS 130 | Ir 135 | Pt 135 | 오 135 | Hg 150 | Tl 190 | PB 180 | Bi 160 | 포 190 | 앳 | Rn | ||
| 7 | 프루 | 라 215 | ** | Lr | Rf | 데이터베이스 | Sg | Bh | Hs | 산 | Ds | Rg | Cn | Nh | 플 | 맥 | Lv | Ts | 오그 | ||
| * | 라 195 | Ce 185 | PR 185 | Nd 185 | Pm 185 | SM 185 | 에우 185 | Gd 180 | Tb 175 | Dy 175 | 호 175 | 음.정말 175 | Tm 175 | YB 175 | |||||||
| ** | AC 195 | Th(Th) 180 | 빠 180 | U 175 | Np 175 | 푸 175 | 암 175 | Cm | Bk | Cf | Es | Fm | Md | 아니요. | |||||||
일반적인 경향에 대한 설명
원자 반경이 증가하는 원자 번호에 따라 변하는 방법은 고정된 용량의 껍질에 전자가 배열되는 것으로 설명할 수 있다.음전하를 띤 전자는 핵에서 양전하를 띤 양성자에 의해 끌어당겨지기 때문에 껍질은 일반적으로 반지름이 증가하는 순서대로 채워집니다.주기율표의 각 행을 따라 원자번호가 증가함에 따라 추가 전자는 동일한 최외각으로 들어가고, 그 반경은 증가하는 핵 전하로 인해 점차 수축합니다.희가스에서는 가장 바깥쪽의 껍질이 완전히 채워져 있기 때문에 다음 알칼리 금속의 추가 전자가 다음 바깥쪽 껍데기에 들어가 원자 반경이 갑자기 증가하는 원인이 된다.
증가하는 핵 전하의 일부는 차폐라고 알려진 현상인 전자 수의 증가에 의해 균형을 잡습니다. 이것은 원자의 크기가 보통 각 기둥 아래로 증가하는 이유를 설명합니다.하지만, 란타니드 수축이라고 알려진 한 가지 주목할 만한 예외가 있습니다: 4f 전자의 약한 차폐 때문에 5d 요소 블록은 예상보다 훨씬 작습니다.
기본적으로 양성자의 수가 증가함에 따라 원자 반경은 기간에 걸쳐 감소한다.그러므로, 반대되는 전하가 끌어당기고, 더 많은 양성자가 더 강한 전하를 만들기 때문에 양성자와 전자 사이에 더 큰 매력이 있습니다.더 큰 인력은 전자를 양성자에 더 가까이 끌어당겨 입자의 크기를 감소시킵니다.따라서 원자 반경이 감소합니다.그룹에서는 원자 반경이 증가합니다.이것은 더 많은 에너지 레벨이 있기 때문에 양성자와 전자 사이의 거리가 더 넓기 때문입니다.게다가 전자 차폐는 흡인력을 감소시키기 때문에 남아있는 전자는 양전하를 띤 핵으로부터 더 멀리 갈 수 있다.따라서 크기, 즉 원자 반경이 증가합니다.
다음 표는 원소의 원자 반경에 영향을 미치는 주요 현상을 요약한 것입니다.
| 인자 | 원칙 | ...와 함께 증가하다. | 하는 경향이 있다 | 반지름에 미치는 영향 |
|---|---|---|---|---|
| 전자 껍질 | 양자 역학 | 주 방위 양자수 | 한 줄씩 늘리다 | 원자 반경을 증가시키다 |
| 핵 전하 | 원자핵의 양성자에 의해 전자에 작용하는 유인력 | 원자 번호 | 각 기간(왼쪽에서 오른쪽으로)에 따라 증가하다 | 원자 반경을 줄이다 |
| 차폐 | 내부 전자에 의해 최외각 전자에 작용하는 반발력 | 내부 껍질에 있는 전자수 | 제2인자의 효과를 감소시키다 | 원자 반경을 증가시키다 |
란타니드 수축
란타넘(Z = 57)에서 이터비움(Z = 70)까지 점진적으로 채워지는 4f-subshell의 전자는 하위 물질로부터 증가하는 핵 전하를 보호하는 데 특별히 효과적이지 않다.란타니드 바로 뒤에 있는 원소들은 예상보다 작고 [10]바로 위에 있는 원소들의 원자 반경과 거의 동일한 원자 반경을 가지고 있다.따라서 루테튬은 사실 이트륨보다 약간 작으며 하프늄은 지르코늄과 실질적으로 같은 원자 반지름(및 화학)을 가지며 탄탈은 니오브와 비슷한 원자 반지름을 가진다.란타니드 수축의 효과는 백금(Z = 78)까지 눈에 띄며, 그 후 불활성 쌍 효과로 알려진 상대론적 효과에 의해 가려진다.
란타니드 수축으로 인해 다음과 같은 5가지 관찰 결과를 도출할 수 있습니다.
- Ln 이온의 크기는3+ 원자 번호에 따라 정기적으로 감소한다.Fajans의 법칙에 따르면 Ln 이온의 크기가3+ 작아지면 공유자가 증가하고 Ln(OH)3의 Ln 이온과− OH 이온의3+ 기본 특성이 감소하여 Yb(OH)3와 Lu(3OH)가 고온 농축 NaOH에서 녹기 어려울 정도로 감소한다.따라서 Ln의 크기3+ 순서는 다음과 같습니다.
La3+3+ > Ce3+ > ..., ..., ... > Lu. - 그들의 이온 반경은 정기적으로 감소한다.
- 원자번호가 증가함에 따라 환원제 역할을 하는 경향이 정기적으로 감소한다.
- 두 번째 및 세 번째 행의 d-block 전이 요소는 특성에 매우 가깝습니다.
- 따라서 이들 원소는 천연광물에 함께 존재하며 분리하기가 어렵다.
d블록 수축
d블록 수축은 란타니드 수축보다 덜 뚜렷하지만 유사한 원인에 의해 발생합니다.이 경우, 갈륨(Z = 31)에서 브롬(Z =[10] 35)에 이르는 전이 금속의 첫 번째 열 직후의 원자 반지름 및 원소의 화학 물질에 영향을 미치는 것은 3d-산화합물의 낮은 차폐 용량이다.
계산된 원자 반지름
다음 표는 1967년 [11]엔리코 클레멘티와 다른 사람들이 발표한 이론 모델에서 계산한 원자 반경을 보여준다.값은 피코미터(pm) 단위입니다.
| 그룹. (열) | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | ||
| 기간 (행) | ||||||||||||||||||||
| 1 | H 53 | 그 31 | ||||||||||||||||||
| 2 | 리 167 | 있다 112 | B 87 | C 67 | N 56 | O 48 | F 42 | 네 38 | ||||||||||||
| 3 | 나 190 | Mg 145 | 알 118 | 시 111 | P 98 | S 88 | 클론 79 | 아르 71 | ||||||||||||
| 4 | K 243 | Ca 194 | 스케이 184 | 티 176 | V 171 | Cr 166 | Mn 161 | Fe 156 | 회사 152 | 니 149 | CU 145 | Zn 142 | 가 136 | ge 125 | ~하듯이 114 | 세 103 | 브르 94 | Kr 88 | ||
| 5 | Rb 265 | 시르 219 | Y 212 | Zr 206 | Nb 198 | 모 190 | Tc 183 | 루 178 | Rh 173 | PD 169 | 아그 165 | CD 161 | 인 156 | 스니 145 | Sb 133 | 테 123 | I 115 | Xe 108 | ||
| 6 | Cs 298 | 바 253 | * | 루 217 | HF 208 | 타 200 | W 193 | 레 188 | OS 185 | Ir 180 | Pt 177 | 오 174 | Hg 171 | Tl 156 | PB 154 | Bi 143 | 포 135 | 앳 127 | Rn 120 | |
| 7 | 프루 | 라 | ** | Lr | Rf | 데이터베이스 | Sg | Bh | Hs | 산 | Ds | Rg | Cn | Nh | 플 | 맥 | Lv | Ts | 오그 | |
| * | 라 226 | Ce 210 | PR 247 | Nd 206 | Pm 205 | SM 238 | 에우 231 | Gd 233 | Tb 225 | Dy 228 | 호 226 | 음.정말 226 | Tm 222 | YB 222 | ||||||
| ** | AC | Th(Th) | 빠 | U | Np | 푸 | 암 | Cm | Bk | Cf | Es | Fm | Md | 아니요. | ||||||
「 」를 참조해 주세요.
메모들
- 경험적 데이터와 계산된 데이터의 차이: 경험적 데이터는 "관찰 또는 경험에 기초하거나" 또는 "시스템 및 이론 데이터에 대한 적절한 고려 없이 경험 또는 관찰에 의존하는 경우가 많다"[12]를 의미합니다.즉, 물리적 관찰을 통해 데이터를 측정하고 유사한 결과를 생성하는 다른 실험에 의해 조사됩니다.반면에 계산된 데이터는 이론적인 모델에서 파생됩니다.이러한 예측은 반지름을 실험적으로 측정할 수 없는 원소(예: 발견되지 않았거나 반감기가 너무 짧은 원소)에 특히 유용하다.
레퍼런스
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