原子半径
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，主要是因为共价键和离子键区别不大。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，共价半径和金属半径等。
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]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）。
离子键长等于两离子半径的和。
金属晶体中，相邻金属原子核间距一半即为金属半径。
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]原子半径在同一族内从上到下递増，在同一元素周期内从左到右递减。造成这种现象的部分原因是电子的分布不是完全自由的。原子内部的电子按照电子层排列，每个电子层只能容纳固定数量的电子。[4]元素周期表的每个一新的周期和一个新的电子层对应，离原子核也越来越远。
原子核的电荷是另一个和原子半径相关的重要因素，随着原子序数Z的增加，原子核电荷增加。原子核的电荷是正的，吸引负电子。在一个元素周期内，原子核的电荷增加，而新增加的电子在同一层里，导致电子层的半径减小（对于主族元素来说，同周期电子层数相同的原子，随着原子序递增，后续电子填充在最外层，内层电子没有变化，内层电子对最外层电子的排斥力变化不大，反而因核电荷数的增加，原子核对最外层电子的吸引力也增加，导致最外层电子运动区域往核靠近，原子半径减小。），从而影响到原子半径的减小。
遮蔽效应也是重要因素。内层电荷对外层电荷的排斥力，将外层电荷“向外推”。
原子半径的主要三个因素可以总结如下：
| 因素 | 原理 | 随……而增加 | 倾向 | 效果 |
|---|---|---|---|---|
| 电子层 | 量子力学 | － | 原子半径↑ | 同一族的原子半径从上而下增加 |
| 核电荷 | 原子核质子对电荷的吸引力 | 原子序数 | 原子半径↓ | 同一周期的原子半径从左而右减少 |
| 遮蔽效应 | 内层电荷对外层电荷的排斥力 | 电子层数目 | 原子半径↑ | 减弱第二个因素 |
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。
| 族（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 氢 25 |
He 氦 31 | |||||||||||||||||
| 2 | Li 锂 145 |
Be 铍 105 |
B 硼 85 |
C 碳 70 |
N 氮 65 |
O 氧 60 |
F 氟 50 |
Ne 氖 38 | |||||||||||
| 3 | Na 钠 180 |
Mg 镁 150 |
Al 铝 125 |
Si 硅 110 |
P 磷 100 |
S 硫 100 |
Cl 氯 100 |
Ar 氩 71 | |||||||||||
| 4 | K 钾 220 |
Ca 钙 180 |
Sc 钪 160 |
Ti 钛 140 |
V 钒 135 |
Cr 铬 140 |
Mn 锰 140 |
Fe 铁 140 |
Co 钴 135 |
Ni 镍 135 |
Cu 铜 135 |
Zn 锌 135 |
Ga 镓 130 |
Ge 锗 125 |
As 砷 115 |
Se 硒 103 |
Br 溴 94 |
Kr 氪 88 | |
| 5 | Rb 铷 235 |
Sr 锶 200 |
Y 钇 180 |
Zr 锆 155 |
Nb 铌 145 |
Mo 钼 145 |
Tc 锝 135 |
Ru 钌 130 |
Rh 铑 135 |
Pd 钯 140 |
Ag 银 160 |
Cd 镉 155 |
In 铟 155 |
Sn 锡 145 |
Sb 锑 145 |
Te 碲 140 |
I 碘 140 |
Xe 氙 108 | |
| 6 | Cs 铯 260 |
Ba 钡 215 |
▲ 镧 系 |
Hf 铪 155 |
Ta 钽 145 |
W 钨 135 |
Re 铼 135 |
Os 锇 130 |
Ir 铱 135 |
Pt 铂 135 |
Au 金 135 |
Hg 汞 150 |
Tl 铊 190 |
Pb 铅 180 |
Bi 铋 160 |
Po 钋 190 |
At 砹 127 |
Rn 氡 120 | |
| 7 | Fr 钫 240 |
Ra 镭 215 |
△ 锕 系 |
Rf |
Db |
Sg |
Bh |
Hs |
Mt |
Ds 𫟼 |
Rg 𬬭 |
Cn 鿔 |
Uut 鿭 |
Fl 𫓧 |
Uup 镆 |
Lv 𫟷 |
Uus Ts |
Uuo Og | |
| 镧系元素 | ▲ |
La 镧 195 |
Ce 铈 185 |
Pr 镨 185 |
Nd 钕 185 |
Pm 钷 185 |
Sm 钐 185 |
Eu 铕 185 |
Gd 钆 180 |
Tb 铽 175 |
Dy 镝 175 |
Ho 钬 175 |
Er 铒 175 |
Tm 铥 175 |
Yb 镱 175 |
Lu 镥 175 | |||
| 锕系元素 | △ |
Ac 锕 195 |
Th 钍 180 |
Pa 镤 180 |
U 铀 175 |
Np 镎 175 |
Pu 钚 175 |
Am 镅 175 |
Cm 锔 |
Bk 锫 |
Cf 锎 |
Es 锿 |
Fm 镄 |
Md 钔 |
No 锘 |
Lr 铹 | |||
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。[6]
| 族（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 氢 53 |
He 氦 31 | |||||||||||||||||
| 2 | Li 锂 167 |
Be 铍 112 |
B 硼 87 |
C 碳 67 |
N 氮 56 |
O 氧 48 |
F 氟 42 |
Ne 氖 38 | |||||||||||
| 3 | Na 钠 190 |
Mg 镁 145 |
Al 铝 118 |
Si 硅 111 |
P 磷 98 |
S 硫 88 |
Cl 氯 79 |
Ar 氩 71 | |||||||||||
| 4 | K 钾 243 |
Ca 钙 194 |
Sc 钪 184 |
Ti 钛 176 |
V 钒 171 |
Cr 铬 166 |
Mn 锰 161 |
Fe 铁 156 |
Co 钴 152 |
Ni 镍 149 |
Cu 铜 145 |
Zn 锌 142 |
Ga 镓 136 |
Ge 锗 125 |
As 砷 114 |
Se 硒 103 |
Br 溴 94 |
Kr 氪 88 | |
| 5 | Rb 铷 265 |
Sr 锶 219 |
Y 钇 212 |
Zr 锆 206 |
Nb 铌 198 |
Mo 钼 190 |
Tc 锝 183 |
Ru 钌 178 |
Rh 铑 173 |
Pd 钯 169 |
Ag 银 165 |
Cd 镉 161 |
In 铟 156 |
Sn 锡 145 |
Sb 锑 133 |
Te 碲 123 |
I 碘 115 |
Xe 氙 108 | |
| 6 | Cs 铯 298 |
Ba 钡 253 |
▲ 镧 系 |
Hf 铪 208 |
Ta 钽 200 |
W 钨 193 |
Re 铼 188 |
Os 锇 185 |
Ir 铱 180 |
Pt 铂 177 |
Au 金 174 |
Hg 汞 171 |
Tl 铊 156 |
Pb 铅 154 |
Bi 铋 143 |
Po 钋 135 |
At 砹 127 |
Rn 氡 120 | |
| 7 | Fr 钫 |
Ra 镭 |
△ 锕 系 |
Rf |
Db |
Sg |
Bh |
Hs |
Mt |
Ds 𫟼 |
Rg 𬬭 |
Cn 鿔 |
Uut 鿭 |
Fl 𫓧 |
Uup 镆 |
Lv 𫟷 |
Uus Ts |
Uuo Og | |
| 镧系元素 | ▲ |
La 镧 226 |
Ce 铈 210 |
Pr 镨 247 |
Nd 钕 206 |
Pm 钷 205 |
Sm 钐 238 |
Eu 铕 231 |
Gd 钆 233 |
Tb 铽 225 |
Dy 镝 228 |
Ho 钬 226 |
Er 铒 226 |
Tm 铥 222 |
Yb 镱 222 |
Lu 镥 217 | |||
| 锕系元素 | △ |
Ac 锕 |
Th 钍 |
Pa 镤 |
U 铀 |
Np 镎 |
Pu 钚 |
Am 镅 |
Cm 锔 |
Bk 锫 |
Cf 锎 |
Es 锿 |
Fm 镄 |
Md 钔 |
No 锘 |
Lr 铹 | |||
相关条目
[编辑]参考资料
[编辑]- ^ 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。
- ^ 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。
- ^ Pauling, L. (1945). The Nature of the Chemical Bond (2nd ed.). Cornell University Press. LCCN 42034474.
- ^ Tipler, Paul & Ralph Llewellyn（2003年），《现代物理》（Modern Physics），第四版，New York: W. H. Freeman and Company，ISBN 0-7167-4345-0。
- ^ 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.
- ^ Clementi, E.; Raimond, D. L.; Reinhardt, W. P. Atomic Screening Constants from SCF Functions. II. Atoms with 37 to 86 Electrons. Journal of Chemical Physics. 1967, 47 (4): 1300–1307. Bibcode:1967JChPh..47.1300C. doi:10.1063/1.1712084.