Raio atômico

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Diagrama de um átomo de hélio, mostrando a densidade de probabilidade eletrônica em tons de cinza.

O raio atômico de um elemento químico é uma medida do tamanho de seus átomos , geralmente a distância média ou típica do centro do núcleo até o limite das camadas de elétrons circundantes . Como o limite não é uma entidade física bem definida, existem várias definições não equivalentes de raio atômico. Quatro definições amplamente utilizadas de raio atômico são: raio de Van der Waals, raio iônico , raio metálico e raio covalente .. Normalmente, devido à dificuldade de isolar átomos para medir seus raios separadamente, o raio atômico é medido em um estado quimicamente ligado; no entanto, os cálculos teóricos são mais simples quando se consideram os átomos isoladamente. As dependências de ambiente, teste e estado levam a uma multiplicidade de definições.

Dependendo da definição, o termo pode ser aplicado a átomos em matéria condensada , ligações covalentes em moléculas , ou em estados ionizados e excitados ; e seu valor pode ser obtido através de medidas experimentais, ou calculado a partir de modelos teóricos. O valor do raio pode depender do estado e do contexto do átomo. [1]

Os elétrons não têm órbitas definidas nem intervalos bem definidos. Em vez disso, suas posições devem ser descritas como distribuições de probabilidade que diminuem gradualmente à medida que nos afastamos do núcleo, sem um corte acentuado; estes são referidos como orbitais atômicos ou nuvens de elétrons. Além disso, na matéria condensada e nas moléculas, as nuvens de elétrons dos átomos geralmente se sobrepõem até certo ponto, e alguns dos elétrons podem vagar por uma grande região que abrange dois ou mais átomos.

Sob a maioria das definições, os raios de átomos neutros isolados variam entre 30 e 300 pm ( trilionésimos de metro), ou entre 0,3 e 3 ångströms . Portanto, o raio de um átomo é mais de 10.000 vezes o raio de seu núcleo (1-10 fm ), [2] e menos de 1/1000 do comprimento de onda da luz visível (400-700 nm ).

A forma aproximada de uma molécula de etanol , CH 3 CH 2 OH. Cada átomo é modelado por uma esfera com raio de Van der Waals do elemento .

Para muitos propósitos, os átomos podem ser modelados como esferas. Esta é apenas uma aproximação grosseira, mas pode fornecer explicações quantitativas e previsões para muitos fenômenos, como a densidade de líquidos e sólidos, a difusão de fluidos através de peneiras moleculares , o arranjo de átomos e íons em cristais e o tamanho e forma. de moléculas . [ citação necessária ]

História

Em 1920, pouco depois de se tornar possível determinar os tamanhos dos átomos usando cristalografia de raios X , foi sugerido que todos os átomos do mesmo elemento têm os mesmos raios. [3] No entanto, em 1923, quando mais dados sobre cristais se tornaram disponíveis, descobriu-se que a aproximação de um átomo como uma esfera não se sustenta necessariamente ao comparar o mesmo átomo em diferentes estruturas cristalinas. [4]

Definições

Definições amplamente utilizadas de raio atômico incluem:

  • Raio iônico : o raio nominal dos íons de um elemento em um estado de ionização específico, deduzido do espaçamento dos núcleos atômicos em sais cristalinos que incluem esse íon. Em princípio, o espaçamento entre dois íons adjacentes de cargas opostas (o comprimento da ligação iônica entre eles) deve ser igual à soma de seus raios iônicos. [5]
  • Raio covalente : o raio nominal dos átomos de um elemento quando ligados covalentemente a outros átomos, conforme deduzido da separação entre os núcleos atômicos nas moléculas. Em princípio, a distância entre dois átomos que estão ligados um ao outro em uma molécula (o comprimento dessa ligação covalente) deve ser igual à soma de seus raios covalentes. [5]
  • Raio metálico : o raio nominal dos átomos de um elemento quando unidos a outros átomos por ligações metálicas . [ citação necessária ]
  • Raio de Bohr : o raio da órbita do elétron de menor energia previsto pelo modelo de Bohr do átomo (1913). [7] [8] É aplicável apenas a átomos e íons com um único elétron, como hidrogênio , hélio ionizado isoladamente e positrônio . Embora o modelo em si esteja obsoleto, o raio de Bohr para o átomo de hidrogênio ainda é considerado uma importante constante física.

Raio atômico medido empiricamente

A tabela a seguir mostra raios covalentes medidos empiricamente para os elementos, conforme publicado por JC Slater em 1964. [9] Os valores estão em picômetros (pm ou 1×10 −12  m), com uma precisão de cerca de 5 pm. A tonalidade da caixa varia de vermelho a amarelo à medida que o raio aumenta; cinza indica falta de dados.

Grupo
(coluna)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Período
(linha)
1 H
25
Ele
 
2 Li
145
Seja
105
B
85
C
70
N
65
O
60
F
50
Não
 
3 Na
180
Mg
150
Al
125
Si
110
P
100
S
100
Cl
100
Ar
 
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
Como
115
Se
115
Br
115
Kr
 
5 Rb
235
Sr.
200
Y
180
Zr
155

145
Mo
145
Tc
135
Ru
130
Rh
135
Pd
140
Ag
160
CD
155
Em
155
Sn
145
SB
145
Te
140
eu
140
Xe
 
6 Cs
260
Ba
215
*
 
Lu
175
Hf
155
Ta
145
W
135
Re
135
Os
130
Ir
135
Ponto
135
Au
135
Hg
150
Tl
190
Pb
180
Bi
160
Posição
190
No
 
Rn
 
7 Fr
 
Ra
215
**
 
Lr
 
Rf
 
Db
 
Sg
 
Bh
 
Hs
 
Monte
 
Ds
 
Rg
 
Cn
 
Nh
 
Fl
 
Mc
 
Nível
 
Ts
 
Og
 
*
 
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
**
 
Ac
195
Th
180
Pa
180
U
175
Np
175
Pu
175
sou
175
Cm
 
Bk
 
Cf
 
Es
 
Fm
 
Md
 
Não
 

Explicação das tendências gerais

Um gráfico que compara o raio atômico de elementos com números atômicos 1-100. Precisão de ±5 pm.

A maneira como o raio atômico varia com o aumento do número atômico pode ser explicada pelo arranjo dos elétrons em camadas de capacidade fixa. As camadas são geralmente preenchidas em ordem crescente de raio, uma vez que os elétrons carregados negativamente são atraídos pelos prótons carregados positivamente no núcleo. À medida que o número atômico aumenta ao longo de cada linha da tabela periódica, os elétrons adicionais vão para a mesma camada mais externa; cujo raio se contrai gradualmente, devido ao aumento da carga nuclear. Em um gás nobre, a camada mais externa é completamente preenchida; portanto, o elétron adicional do próximo metal alcalino irá para a próxima camada externa, respondendo pelo súbito aumento do raio atômico.

O aumento da carga nuclear é parcialmente contrabalançado pelo aumento do número de elétrons, um fenômeno que é conhecido como blindagem ; o que explica por que o tamanho dos átomos geralmente aumenta em cada coluna. No entanto, há uma exceção notável, conhecida como a contração dos lantanídeos : o bloco 5d de elementos é muito menor do que o esperado, devido à fraca blindagem dos elétrons 4f.

Essencialmente, o raio atômico diminui ao longo dos períodos devido a um número crescente de prótons. Portanto, há uma atração maior entre os prótons e os elétrons porque cargas opostas se atraem, e mais prótons criam uma carga mais forte. A maior atração aproxima os elétrons dos prótons, diminuindo o tamanho da partícula. Portanto, o raio atômico diminui. Abaixo dos grupos, o raio atômico aumenta. Isso ocorre porque há mais níveis de energia e, portanto, uma maior distância entre prótons e elétrons. Além disso, a blindagem de elétrons faz com que a atração diminua, de modo que os elétrons restantes podem se afastar mais do núcleo carregado positivamente. Portanto, o tamanho, ou raio atômico, aumenta.

A tabela a seguir resume os principais fenômenos que influenciam o raio atômico de um elemento:

fator princípio aumentar com... querer efeito no raio
conchas de elétrons mecânica quântica números quânticos principais e azimutais aumentar para baixo em cada coluna aumenta o raio atômico
carga nuclear força atrativa agindo sobre elétrons por prótons no núcleo número atômico aumentar ao longo de cada período (da esquerda para a direita) diminui o raio atômico
blindagem força repulsiva agindo nos elétrons da camada mais externa pelos elétrons internos número de elétrons nas camadas internas reduzir o efeito do 2º fator aumenta o raio atômico

Contração de Lantanídeos

Os elétrons na subcamada 4f , que é progressivamente preenchido do lantânio ( Z  = 57) ao itérbio ( Z  = 70), não são particularmente eficazes em blindar a carga nuclear crescente das subcamadas mais distantes. Os elementos imediatamente após os lantanídeos têm raios atômicos menores do que o esperado e que são quase idênticos aos raios atômicos dos elementos imediatamente acima deles. [10] Portanto, o lutécio é de fato um pouco menor que o ítrio , o háfnio tem praticamente o mesmo raio atômico (e química) que o zircônio etântalo tem um raio atômico semelhante ao nióbio , e assim por diante. O efeito da contração dos lantanídeos é perceptível até a platina ( Z  = 78), após o que é mascarado por um efeito relativístico conhecido como efeito do par inerte .

Devido à contração de lantanídeos, as 5 seguintes observações podem ser feitas:

  1. O tamanho dos íons Ln 3+ diminui regularmente com o número atômico. De acordo com as regras de Fajans , a diminuição do tamanho dos íons Ln 3+ aumenta o caráter covalente e diminui o caráter básico entre os íons Ln 3+ e OH em Ln(OH) 3 , a ponto de Yb(OH) 3 e Lu( OH) 3 pode dissolver-se com dificuldade em NaOH concentrado a quente. Assim, a ordem de tamanho de Ln 3+ é dada:
    La 3+ > Ce 3+ > ..., ... > Lu 3+ .
  2. Há uma diminuição regular em seus raios iônicos.
  3. Há uma diminuição regular em sua tendência de atuar como agente redutor, com um aumento no número atômico.
  4. A segunda e a terceira linha de elementos de transição do bloco d são bastante próximas em propriedades.
  5. Consequentemente, esses elementos ocorrem juntos em minerais naturais e são difíceis de separar.

contração do bloco d

A contração do bloco d é menos pronunciada do que a contração dos lantanídeos, mas surge de uma causa semelhante. Neste caso, é a fraca capacidade de blindagem dos elétrons 3d que afeta os raios atômicos e a química dos elementos imediatamente após a primeira linha dos metais de transição , do gálio ( Z  = 31) ao bromo ( Z  = 35). [10]

Raio atômico calculado

A tabela a seguir mostra os raios atômicos calculados a partir de modelos teóricos, conforme publicado por Enrico Clementi e outros em 1967. [11] Os valores estão em picômetros (pm).

Grupo
(coluna)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Período
(linha)
1 H
53
Ele
31
2 Li
167
Seja
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
Como
114
Se
103
Br
94
Kr
88
5 Rb
265
Sr
219
Y
212
Zr
206

198
Mo
190
Tc
183
Ru
178
Rh
173
Pd
169
Ag
165
CD
161
Em
156
Sn
145
SB
133
Te
123
eu
115
Xe
108
6 Cs
298
Ba
253
*
 
Lu
217
Hf
208
Ta
200
W
193
Re
188
Os
185
Ir
180
Ponto
177
Au
174
Hg
171
Tl
156
Pb
154
Bi
143
Posição
135
Em
127
Rn
120
7 Fr
 

 
**
 
Lr
 
Rf
 
Db
 
Sg
 
Bh
 
Hs
 
Monte
 
Ds
 
Rg
 
Cn
 
Nh
 
Fl
 
Mc
 
Nível
 
Ts
 
Og
 
*
 
La
226
Ce
210
PR
247
Nd
206
PM
205
Sm
238
Eu
231
D'us
233
Tb
225
Dy
228
Ho
226
Er
226
Tm
222
Yb
222
**
 
Ac
 
º
 
Pai
 
você
 
Np
 
Pu
 
Sou
 
Cm
 
Bk
 
Cf
 
Es
 
Fm
 
Md
 
Não
 

Veja também

Notas

  • Diferença entre dados empíricos e calculados: Dados empíricos significam "originados ou baseados na observação ou experiência" ou "dependendo apenas da experiência ou observação, muitas vezes sem a devida consideração pelos dados do sistema e da teoria". [12] Em outras palavras, os dados são medidos por meio de observação física e verificados por outros experimentos gerando resultados semelhantes . Os dados calculados, por outro lado, são derivados de modelos teóricos. Tais previsões são especialmente úteis para elementos cujos raios não podem ser medidos experimentalmente (por exemplo, aqueles que não foram descobertos ou que têm uma meia-vida muito curta).

Referências

  1. ^ Algodão, FA; Wilkinson, G. (1988). Química Inorgânica Avançada (5ª ed.). Wiley . pág. 1385. ISBN  978-0-471-84997-1.
  2. ^ Basdevant, J.-L.; Rico, J.; Spiro, M. (2005). Fundamentos em Física Nuclear . Springer . pág. 13, fig. 1.1. ISBN  978-0-387-01672-6.
  3. ^ Bragg, WL (1920). "O arranjo de átomos em cristais" . Revista Filosófica . 6. 40 (236): 169–189. doi : 10.1080/14786440808636111 .
  4. ^ Wyckoff, RWG (1923). "Na hipótese de raios atômicos constantes" . Anais da Academia Nacional de Ciências dos Estados Unidos da América . 9 (2): 33–38. Bibcode : 1923PNAS....9...33W . doi : 10.1073/pnas.9.2.33 . PMC 1085234 . PMID 16576657 .   
  5. ^ a b c Pauling, L. (1945). A Natureza da Ligação Química (2ª ed.). Imprensa da Universidade de Cornell . LCCN 42034474 .  
  6. ^ Federov, Dmitry V.; Sadhukhan, Mainak; Stöhr, Martin; Tkatchenko, Alexandre (2018). "Relação quântica-mecânica entre a polarizabilidade do dipolo atômico e o raio de van der Waals" . Cartas de Revisão Física . 121 (18): 183401. arXiv : 1803.11507 . Bibcode : 2018PhRvL.121r3401F . doi : 10.1103/PhysRevLett.121.183401 . PMID 30444421 . S2CID 53564141 . Recuperado em 9 de maio de 2021 .   
  7. ^ Bohr, N. (1913). "Sobre a Constituição de Átomos e Moléculas, Parte I. – Ligação de Elétrons por Núcleos Positivos" (PDF) . Revista Filosófica . 6. 26 (151): 1–24. Bibcode : 1913PMag...26....1B . doi : 10.1080/14786441308634955 . Recuperado em 8 de junho de 2011 .
  8. ^ Bohr, N. (1913). "Sobre a Constituição de Átomos e Moléculas, Parte II. – Sistemas contendo apenas um único núcleo" (PDF) . Revista Filosófica . 6. 26 (153): 476-502. Bibcode : 1913PMag...26..476B . doi : 10.1080/14786441308634993 . Recuperado em 8 de junho de 2011 .
  9. ^ Slater, JC (1964). "Raios atômicos em cristais". Revista de Física Química . 41 (10): 3199-3205. Bibcode : 1964JChPh..41.3199S . doi : 10.1063/1.1725697 .
  10. ^ a b Alegre, WL (1991). Química Inorgânica Moderna (2ª ed.). McGraw-Hill . pág. 22. ISBN  978-0-07-112651-9.
  11. ^ Clementi, E.; Raimond, DL; Reinhardt, WP (1967). "Constantes de triagem atômica de funções SCF. II. Átomos com 37 a 86 elétrons". Revista de Física Química . 47 (4): 1300–1307. Bibcode : 1967JChPh..47.1300C . doi : 10.1063/1.1712084 .
  12. ^ "Definição de EMPÍRICO" .