原子半徑

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原子半徑通常指原子的尺寸,並不是一個精確的物理量,並且在不同的環境下數值也不同。[1] 一個特定的原子的半徑值和所選用的原子半徑的定義相關,而在不同的環境下給原子半徑不同定義比統一的定義更合適。

術語原子半徑本身就有疑問:可能指一個自由原子的尺寸,或者可能用作原子(包括分子中的原子和自由原子)尺寸不同測量方式的一個籠統的術語。在下文中,這個術語還包括離子半徑,主要是因為共價鍵離子鍵區別不大。而原子的定義「能區分出化學元素的最小粒子」本身就比較含糊,包括了自由原子以及與其它相同或不同原子一起組成化學物的原子。[2]除了離子半徑,其他可能指代的半徑值包括玻爾半徑范德華半徑共價半徑金屬半徑等。

原子半徑完全由電子決定,原子核的大小為是電子云的十萬分之一。值得注意的是原子核沒有固定的位置,而電子云沒有固定的邊界。

雖然有上述的困難,目前還是有很多的測量原子(包括離子)的方法,這些方法通常基於實驗測量和計算方式的結合。目前普遍認為原子像一個球體,尺寸在30–300皮米之間,在元素周期表中的原子半徑變化有規律可循,從而對元素的化學特性造成影響。

原子半徑的定義[編輯]

范德華半徑[3][編輯]

晶體中,沒有成鍵而是通過范德華力結合的兩原子,其核間距的一半即為范德華半徑(又稱范氏半徑)。

離子半徑[編輯]

離子鍵長等於兩離子半徑的加和。

金屬半徑[編輯]

金屬晶體中,相鄰金屬原子核間距一半即為金屬半徑。

玻爾半徑[編輯]

由玻爾原子模型推測的最低能量電子軌道的半徑。

原子半徑的周期性[編輯]

原子半徑在同一元素周期內從左到右遞減,在同一內從上到下遞增。造成這種現在的部分原因是電子的分佈不是完全自由的。原子內部的電子按照電子層排列,每個電子層只能容納固定數量的電子。[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徑相關的重要因素,隨着原子序數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。在一個元素周期內,原子核的電荷增加,而新增加的電子在同一層裡,導致電子層的半徑減小,從而影響到原子半徑的減小。

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」。

原子半徑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

原子半徑的獲得方法[5][編輯]

測量宏觀物質[編輯]

原子半徑可通過測量固體單質的密度,計算出1 mol物質的體積,再除以阿伏伽德羅常數,便可粗略的獲得原子半徑。

量子力學[編輯]

由原子的核電荷數,電子數,電子云分佈狀況等,給出原子半徑的定義。

測定結構[編輯]

測定原子形成各種分子或固體後的核間距。同種原子,核間距除以2,即可獲得相應的原子半徑;異種原子,由已知一種原子半徑,可計算出另一種原子半徑。 大多數書籍所附的原子半徑,由此法測出。

傳統方法測量的原子半徑[編輯]

下表為傳統方法測量的原子半徑,單位皮米,誤差為5皮米。

(縱向) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
周期 (橫向)
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
𨧀
Sg
𨭎
Bh
𨨏
Hs
𨭆
Mt

Ds

Rg

Cn

Uut
Uut
Fl
Fl
Uup
Uup
Lv
Lv
Uus
Uus
Uuo
Uuo
鑭系元素
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
錒系元素
Ac

195
Th

180
Pa

180
U

175
Np

175
Pu

175
Am

175
Cm

Bk

Cf

Es

Fm

Md

No

Lr

包含傳統方法測量原子半徑的元素周期表,單位皮米,誤差5皮米。
參見元素周期表

參考: J.C. Slater, 《化學物理期刊》(J. Chem. Phys) 1964, 41, 3199.

通過計算得到的原子半徑[編輯]

下表為通過計算得的原子半徑,單位皮米。

(縱向) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
周期 (橫向)
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
𨧀
Sg
𨭎
Bh
𨨏
Hs
𨭆
Mt

Ds

Rg

Cn

Uut
Uut
Fl
Fl
Uup
Uup
Lv
Lv
Uus
Uus
Uuo
Uuo
鑭系元素
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
錒系元素
Ac

Th

Pa

U

Np

Pu

Am

Cm

Bk

Cf

Es

Fm

Md

No

Lr

包含計算得到的原子半徑的元素周期表,單位皮米。
參見元素周期表

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

參考資料[編輯]

  1. ^ F·艾伯特·科頓傑弗里·威爾金森(1988年)《Advanced Inorganic Chemistry》(第五版),紐約:Wiley. ISBN 0-471-84997-9,第1385頁。
  2. ^ 國際純化學與應用化學聯盟(1990年),《Nomenclature of Inorganic Chemistry》,Oxford: Blackwell Scientific. ISBN 0-632-02494-1,第35頁。
  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. ^ 北京師範大學、華中師範大學、南京師範大學無機化學教研室. 無機化學(第四版). 北京: 高等教育出版社.