原子半徑
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，主要是因為共價鍵和離子鍵區別不大。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，共價半徑和金屬半徑等。
原子半徑完全由電子決定，原子核的大小為是電子雲的十萬分之一。值得注意的是原子核沒有固定的位置，而電子雲沒有固定的邊界。
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]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）。
離子鍵長等於兩離子半徑的和。
金屬晶體中，相鄰金屬原子核間距一半即為金屬半徑。
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]原子半徑在同一族內從上到下遞増，在同一元素周期內從左到右遞減。造成這種現象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裏，導致電子層的半徑減小（對於主族元素來說，同周期電子層數相同的原子，隨着原子序遞增，後續電子填充在最外層，內層電子沒有變化，內層電子對最外層電子的排斥力變化不大，反而因核電荷數的增加，原子核對最外層電子的吸引力也增加，導致最外層電子運動區域往核靠近，原子半徑減小。），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 |
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，電子雲分佈狀況等，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。
| 族（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 氫 25 |
He 氦 31 | |||||||||||||||||
| 2 | Li 鋰 145 |
Be 鈹 105 |
B 硼 85 |
C 碳 70 |
N 氮 65 |
O 氧 60 |
F 氟 50 |
Ne 氖 38 | |||||||||||
| 3 | Na 鈉 180 |
Mg 鎂 150 |
Al 鋁 125 |
Si 矽 110 |
P 磷 100 |
S 硫 100 |
Cl 氯 100 |
Ar 氬 71 | |||||||||||
| 4 | K 鉀 220 |
Ca 鈣 180 |
Sc 鈧 160 |
Ti 鈦 140 |
V 釩 135 |
Cr 鉻 140 |
Mn 錳 140 |
Fe 鐵 140 |
Co 鈷 135 |
Ni 鎳 135 |
Cu 銅 135 |
Zn 鋅 135 |
Ga 鎵 130 |
Ge 鍺 125 |
As 砷 115 |
Se 硒 103 |
Br 溴 94 |
Kr 氪 88 | |
| 5 | Rb 銣 235 |
Sr 鍶 200 |
Y 釔 180 |
Zr 鋯 155 |
Nb 鈮 145 |
Mo 鉬 145 |
Tc 鍀 135 |
Ru 釕 130 |
Rh 銠 135 |
Pd 鈀 140 |
Ag 銀 160 |
Cd 鎘 155 |
In 銦 155 |
Sn 錫 145 |
Sb 銻 145 |
Te 碲 140 |
I 碘 140 |
Xe 氙 108 | |
| 6 | Cs 銫 260 |
Ba 鋇 215 |
▲ 鑭 系 |
Hf 鉿 155 |
Ta 鉭 145 |
W 鎢 135 |
Re 錸 135 |
Os 鋨 130 |
Ir 銥 135 |
Pt 鉑 135 |
Au 金 135 |
Hg 汞 150 |
Tl 鉈 190 |
Pb 鉛 180 |
Bi 鉍 160 |
Po 釙 190 |
At 砈 127 |
Rn 氡 120 | |
| 7 | Fr 鈁 240 |
Ra 鐳 215 |
△ 錒 系 |
Rf 鑪 |
Db 𨧀 |
Sg 𨭎 |
Bh 𨨏 |
Hs 𨭆 |
Mt 䥑 |
Ds 鐽 |
Rg 錀 |
Cn 鎶 |
Uut 鉨 |
Fl 鈇 |
Uup 鏌 |
Lv 鉝 |
Uus Ts |
Uuo Og | |
| 鑭系元素 | ▲ |
La 鑭 195 |
Ce 鈰 185 |
Pr 鐠 185 |
Nd 釹 185 |
Pm 鉕 185 |
Sm 釤 185 |
Eu 銪 185 |
Gd 釓 180 |
Tb 鋱 175 |
Dy 鏑 175 |
Ho 鈥 175 |
Er 鉺 175 |
Tm 銩 175 |
Yb 鐿 175 |
Lu 鑥 175 | |||
| 錒系元素 | △ |
Ac 錒 195 |
Th 釷 180 |
Pa 鏷 180 |
U 鈾 175 |
Np 錼 175 |
Pu 鈽 175 |
Am 鋂 175 |
Cm 鋦 |
Bk 鉳 |
Cf 鐦 |
Es 鎄 |
Fm 鐨 |
Md 鍆 |
No 鍩 |
Lr 鐒 | |||
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。[6]
| 族（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 氫 53 |
He 氦 31 | |||||||||||||||||
| 2 | Li 鋰 167 |
Be 鈹 112 |
B 硼 87 |
C 碳 67 |
N 氮 56 |
O 氧 48 |
F 氟 42 |
Ne 氖 38 | |||||||||||
| 3 | Na 鈉 190 |
Mg 鎂 145 |
Al 鋁 118 |
Si 矽 111 |
P 磷 98 |
S 硫 88 |
Cl 氯 79 |
Ar 氬 71 | |||||||||||
| 4 | K 鉀 243 |
Ca 鈣 194 |
Sc 鈧 184 |
Ti 鈦 176 |
V 釩 171 |
Cr 鉻 166 |
Mn 錳 161 |
Fe 鐵 156 |
Co 鈷 152 |
Ni 鎳 149 |
Cu 銅 145 |
Zn 鋅 142 |
Ga 鎵 136 |
Ge 鍺 125 |
As 砷 114 |
Se 硒 103 |
Br 溴 94 |
Kr 氪 88 | |
| 5 | Rb 銣 265 |
Sr 鍶 219 |
Y 釔 212 |
Zr 鋯 206 |
Nb 鈮 198 |
Mo 鉬 190 |
Tc 鍀 183 |
Ru 釕 178 |
Rh 銠 173 |
Pd 鈀 169 |
Ag 銀 165 |
Cd 鎘 161 |
In 銦 156 |
Sn 錫 145 |
Sb 銻 133 |
Te 碲 123 |
I 碘 115 |
Xe 氙 108 | |
| 6 | Cs 銫 298 |
Ba 鋇 253 |
▲ 鑭 系 |
Hf 鉿 208 |
Ta 鉭 200 |
W 鎢 193 |
Re 錸 188 |
Os 鋨 185 |
Ir 銥 180 |
Pt 鉑 177 |
Au 金 174 |
Hg 汞 171 |
Tl 鉈 156 |
Pb 鉛 154 |
Bi 鉍 143 |
Po 釙 135 |
At 砈 127 |
Rn 氡 120 | |
| 7 | Fr 鈁 |
Ra 鐳 |
△ 錒 系 |
Rf 鑪 |
Db 𨧀 |
Sg 𨭎 |
Bh 𨨏 |
Hs 𨭆 |
Mt 䥑 |
Ds 鐽 |
Rg 錀 |
Cn 鎶 |
Uut 鉨 |
Fl 鈇 |
Uup 鏌 |
Lv 鉝 |
Uus Ts |
Uuo Og | |
| 鑭系元素 | ▲ |
La 鑭 226 |
Ce 鈰 210 |
Pr 鐠 247 |
Nd 釹 206 |
Pm 鉕 205 |
Sm 釤 238 |
Eu 銪 231 |
Gd 釓 233 |
Tb 鋱 225 |
Dy 鏑 228 |
Ho 鈥 226 |
Er 鉺 226 |
Tm 銩 222 |
Yb 鐿 222 |
Lu 鑥 217 | |||
| 錒系元素 | △ |
Ac 錒 |
Th 釷 |
Pa 鏷 |
U 鈾 |
Np 錼 |
Pu 鈽 |
Am 鋂 |
Cm 鋦 |
Bk 鉳 |
Cf 鐦 |
Es 鎄 |
Fm 鐨 |
Md 鍆 |
No 鍩 |
Lr 鐒 | |||
相關條目
[編輯]參考資料
[編輯]- ^ 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。
- ^ 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。
- ^ Pauling, L. (1945). The Nature of the Chemical Bond (2nd ed.). Cornell University Press. LCCN 42034474.
- ^ 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。
- ^ 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.
- ^ 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.