原子半径

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原子半径通常指原子的尺寸,并不是一个精确的物理量,并且在不同的环境下数值也不同。[1] 一个特定的原子的半径值和所选用的原子半径的定义相关,而在不同的环境下给原子半径不同定义比统一的定义更合适。

术语原子半径本身就有疑问:可能指一个自由原子的尺寸,或者可能用作原子(包括分子中的原子和自由原子)尺寸不同测量方式的一个笼统的术语。在下文中,这个术语还包括离子半径,主要是因为共价键离子键区别不大。而原子的定义“能区分出化学元素的最小粒子”本身就比较含糊,包括了自由原子以及与其它相同或不同原子一起组成化学物的原子。[2]除了离子半径,其他可能指代的半径值包括玻尔半径范德华半径共价半径金属半径等。

原子半径完全由电子决定,原子核的大小为是电子云的十万分之一。值得注意的是原子核没有固定的位置,而电子云没有固定的边界。

虽然有上述的困难,目前还是有很多的测量原子(包括离子)的方法,这些方法通常基于实验测量和计算方式的结合。目前普遍认为原子像一个球体,尺寸在30–300皮米之间,在元素周期表中的原子半径变化有规律可循,从而对元素的化学特性造成影响。

原子半径的定义[编辑]

范德华半径[3][编辑]

晶体中,没有成键而是通过范德华力结合的两原子,其核间距的一半即为范德华半径(又称范氏半径)。

离子半径[编辑]

离子键长等于两离子半径的加和。

金属半径[编辑]

金属晶体中,相邻金属原子核间距一半即为金属半径。

玻尔半径[编辑]

由玻尔原子模型推测的最低能量电子轨道的半径。

原子半径的周期性[编辑]

原子半徑在同一元素周期内從左到右遞减,在同一内從上到下遞增。造成這種現在的部分原因是電子的分布不是完全自由的。原子内部的電子按照電子层排列,每個電子層只能容纳固定数量的電子。[4]元素周期表的每個一新的周期和一個新的電子層對應,離原子核也越來越遠。

原子核的電荷是另一個和原子半径相關的重要因素,随着原子序數Z的增加,原子核電荷增加。原子核的電荷是正的,吸引負電子。在一個元素周期内,原子核的电荷增加,而新增加的電子在同一層裡,導致電子層的半径减小,從而影響到原子半径的减小。

遮蔽效應也是重要因素。內層電荷對外層電荷的排斥力,將外層電荷「向外推」。

原子半径的主要三個因素可以總結如下:

因素 原理 隨……而增加 傾向 效果
電子層 量子力學 原子半徑↑ 同一族的原子半徑從上而下增加
核電荷 原子核質子對電荷的吸引力 原子序數 原子半徑↓ 同一周期的原子半徑從左而右減少
遮蔽效應 內層電荷對外層電荷的排斥力 電子層數目 原子半徑↑ 減弱第二個因素

原子半径的获得方法[5][编辑]

测量宏观物质[编辑]

原子半径可通过测量固体单质的密度,计算出1 mol物质的体积,再除以阿伏伽德罗常数,便可粗略的获得原子半径。

量子力学[编辑]

由原子的核电荷数,电子数,电子云分布状况等,给出原子半径的定义。

测定结构[编辑]

测定原子形成各种分子或固体后的核间距。同种原子,核间距除以2,即可获得相应的原子半径;异种原子,由已知一种原子半径,可计算出另一种原子半径。 大多数书籍所附的原子半径,由此法测出。

传统方法测量的原子半径[编辑]

下表为传统方法测量的原子半径,单位皮米,误差为5皮米。

(纵向) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
周期 (横向)
1 H

25
He

31
2 Li

145
Be

105
B

85
C

70
N

65
O

60
F

50
Ne

38
3 Na

180
Mg

150
Al

125
Si

110
P

100
S

100
Cl

100
Ar

71
4 K

220
Ca

180
Sc

160
Ti

140
V

135
Cr

140
Mn

140
Fe

140
Co

135
Ni

135
Cu

135
Zn

135
Ga

130
Ge

125
As

115
Se

103
Br

94
Kr

88
5 Rb

235
Sr

200
Y

180
Zr

155
Nb

145
Mo

145
Tc

135
Ru

130
Rh

135
Pd

140
Ag

160
Cd

155
In

155
Sn

145
Sb

145
Te

140
I

140
Xe

108
6 Cs

260
Ba

215


Hf

155
Ta

145
W

135
Re

135
Os

130
Ir

135
Pt

135
Au

135
Hg

150
Tl

190
Pb

180
Bi

160
Po

190
At

127
Rn

120
7 Fr

240
Ra

215


Rf

Db

Sg

Bh

Hs

Mt

Ds

Rg

Cn

Uut
Uut
Fl
Fl
Uup
Uup
Lv
Lv
Uus
Uus
Uuo
Uuo
镧系元素
La

195
Ce

185
Pr

185
Nd

185
Pm

185
Sm

185
Eu

185
Gd

180
Tb

175
Dy

175
Ho

175
Er

175
Tm

175
Yb

175
Lu

175
锕系元素
Ac

195
Th

180
Pa

180
U

175
Np

175
Pu

175
Am

175
Cm

Bk

Cf

Es

Fm

Md

No

Lr

包含传统方法测量原子半径的元素周期表,单位皮米,误差5皮米。
参见元素周期表

参考: J.C. Slater, 《化学物理期刊》(J. Chem. Phys) 1964, 41, 3199.

通过计算得到的原子半径[编辑]

下表为通过计算得的原子半径,单位皮米。

(纵向) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
周期 (横向)
1 H

53
He

31
2 Li

167
Be

112
B

87
C

67
N

56
O

48
F

42
Ne

38
3 Na

190
Mg

145
Al

118
Si

111
P

98
S

88
Cl

79
Ar

71
4 K

243
Ca

194
Sc

184
Ti

176
V

171
Cr

166
Mn

161
Fe

156
Co

152
Ni

149
Cu

145
Zn

142
Ga

136
Ge

125
As

114
Se

103
Br

94
Kr

88
5 Rb

265
Sr

219
Y

212
Zr

206
Nb

198
Mo

190
Tc

183
Ru

178
Rh

173
Pd

169
Ag

165
Cd

161
In

156
Sn

145
Sb

133
Te

123
I

115
Xe

108
6 Cs

298
Ba

253


Hf

208
Ta

200
W

193
Re

188
Os

185
Ir

180
Pt

177
Au

174
Hg

171
Tl

156
Pb

154
Bi

143
Po

135
At

Rn

120
7 Fr

Ra



Rf

Db

Sg

Bh

Hs

Mt

Ds

Rg

Cn

Uut
Uut
Fl
Fl
Uup
Uup
Lv
Lv
Uus
Uus
Uuo
Uuo
镧系元素
La

Ce

Pr

247
Nd

206
Pm

205
Sm

238
Eu

231
Gd

233
Tb

225
Dy

228
Ho

Er

226
Tm

222
Yb

222
Lu

217
锕系元素
Ac

Th

Pa

U

Np

Pu

Am

Cm

Bk

Cf

Es

Fm

Md

No

Lr

包含计算得到的原子半径的元素周期表,单位皮米。
参见元素周期表

参考: E. Clementi, D.L.Raimondi, 和 W.P. Reinhardt, 《化学物理期刊》(J. Chem. Phys) 1963, 38, 2686.

参考资料[编辑]

  1. ^ F·艾伯特·科顿杰弗里·威尔金森(1988年)《Advanced Inorganic Chemistry》(第五版),纽约:Wiley. ISBN 0-471-84997-9,第1385页。
  2. ^ 国际纯化学与应用化学联盟(1990年),《Nomenclature of Inorganic Chemistry》,Oxford: Blackwell Scientific. ISBN 0-632-02494-1,第35页。
  3. ^ Pauling, L. (1945). The Nature of the Chemical Bond (2nd ed.). Cornell University Press. LCCN 42034474.
  4. ^ Tipler, Paul & Ralph Llewellyn(2003年),《現代物理》(Modern Physics),第四版,New York: W. H. Freeman and Company,ISBN 0-7167-4345-0
  5. ^ 北京师范大学、华中师范大学、南京师范大学无机化学教研室. 无机化学(第四版). 北京: 高等教育出版社.