180px|thumb|right|Model helijevega atoma, na katerem je s sivimi odtenki prikazana gostota verjetnosti lege elektrona.
Atomski polmer kemijskega elementa je merilo velikosti njegovega atoma in običajno pomeni tipično razdaljo od jedra do meje elektronskega oblaka, ki ga obdaja. Glede na to, da meja oblaka ni točno definirana fizikalna količina, obstaja več neenakovrednih definicij atomskega polmera.
Izraz se lahko odvisno od definicije uporablja samo za osamljene atome, lahko pa tudi za kondenzirano snov, kovalentno vez v molekuli ter v ionizirana in vzbujena stanja. Vrednost atomskega polmera se lahko dobi eksperimentalno ali se jo izračuna iz teoretičnih modelov. V nekaterih definicijah je vrednost polmera lahko odvisna od atomskega stanja in konteksta.Cotton, F. A., Wilkinson, G. (1988). Advanced Inorganic Chemistry (5th Edn). New York: iley. ISBN 0-471-84997-9. str. 1385.
Pojem atomskega polmera je težko definirati, ker elektroni nimajo definiranih orbital ali ostro omejene svobode gibanja. Njihova lega mora biti zato opisana s porazdelitvijo verjetnosti, ki se postopoma manjša, ko se elektron brez ostre prekinitve oddaljujejo od jedra. Eletronski oblaki se v kondenzirani snovi in molekulah običajno tudi delno prekrivajo, nekaj elektronov pa se lahko prosto giblje po večjem prostoru, ki obdaja dva ali več atomov.
Atomski polmeri izoliranih nevtralnih atomov so v večini definicij kljub konceptualnim težavam na območju od 30 do 300 pm. Polmer atoma je torej več kot 10000 krat večji od polmera njegovega jedra, ki meri 1-10 fm (10−15 m) in manj kot 1/1000 valovne dolžine vidne svetlobe (400-700 nm). 180px|right|thumb|Približna oblika molekuje etanola CH3CH2OH. Atomi elementov so modelirani kot kroglice z van der Waalsovim polmerom.
Za mnoge namene se atomi lahko modelirajo kot kroglice. Takšni modeli so sicer grobi približki, vendar omogočajo kvantitativne razlage in napovedovanje mnogih pojavov, na primer gostoto tekočin in trdnin, difuzijo tekočin skozi molekularna sita, razporeditev atomov in ionov v kristalih ter velikost in obliko molekul.
Atomski polmeri se v periodnem sistemu elementov spreminjajo na predvidljiv iz razložljiv način. Polmeri po periodi (vrstici) od alkalijskih kovin proti žlahtnim plinom na splošno padajo, v posamezni skupini (koloni) navzdol pa rastejo. Polmer atoma od žlahtnega plina na koncu periode do alkalijske kovine na začetku naslednje periode se skokovito poveča. Trende atomskih polmerov, pa tudi drugih kemijskih in fizikalnih lastnosti elementov, se lahko razloži s teorijo elektronskih orbital. Trendi so tudi pomemben dokaz za razvoj in potrditev kvantne teorije.
Definicije V širši praksi se uporabljajo naslednje definicije atomskega polmera:
Van der Waalsov polmer je v načelu polovica minimalne razdalje med jedroma dveh atomov istega elementa, ki nista vezana v isti molekuli. Ionski polmer je nazivni polmer iona elementa v specifičnem ioniziranem stanju. Izpeljan je iz razdalje med atomskimi jedri v ionskem kristalu, v katerega je element vgrajen. Razdalja med dvema sosednjima ionoma z nasprotnima nabojema oziroma dolžina ionske vezi med njima je v načelu enaka vsoti njunih ionskih polmerov. Kovalentni polmer je nazivni polmer atoma elementa, ki je vezan na druge elemente s kovalentno vezjo. Izpeljan je iz razdalj med atomskimi jedri v molekuli. Razdalja med dvema atomoma, ki sta vezana v molekulo, se pravi dolžina kovalentne vezi, je v načelu enaka vsoti njunih kovalentnih polmerov. Kovinski polmer je nazivni polmer atoma elementa, ki je vezan na drug element s kovinsko vezjo. Bohrov polmer je polmer elektronske orbite z najnižjim energijskim stanjem, ki jo predvideva Bohrov model atoma (1913).Niels Bohr (1913), On the Constitution of Atoms and Molecules, Part I. Philosophical Magazine, volume 26, str. 1–24. Online version.Niels Bohr (1913), On the Constitution of Atoms and Molecules, Part II. Philosophical Magazine, volume 26, str. 476–502. Online version. Uporaben je samo za atome in ione z enim samim elektronom, na primer za vodik, ioniziran helij in pozitron. Bohrov model atoma je sicer že zastarel, Bohrov polmer vodikovega atoma pa se še vedno obravnava kot pomembna fizikalna konstanta.
Empirično izmerjeni atomski polmeri V naslednji preglednici so prikazani empirično izmerjeni kovalentni polmeri elementov, ki jih je leta 1964 objavil J.C. Slater.J. C. Slater (1964), Journal of Chemical Physics, volume 41, str. 3199. Vrednosti so v pikometrih (pm) s točnostjo približno 5 pm. Skupina → 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Perioda ↓ 1 H25 He 2 Li145 Be105 B85 C70 N65 O60 F50 Ne 3 Na180 Mg150 Al125 Si110 P100 S100 Cl100 Ar 4 K220 Ca180 Sc160 Ti140 V135 Cr140 Mn140 Fe140 Co135 Ni135 Cu135 Zn135 Ga130 Ge125 As115 Se115 Br115 Kr 5 Rb235 Sr200 Y180 Zr155 Nb145 Mo145 Tc135 Ru130 Rh135 Pd140 Ag160 Cd155 In155 Sn145 Sb145 Te140 I140 Xe 6 Cs260 Ba215 * Hf155 Ta145 W135 Re135 Os130 Ir135 Pt135 Au135 Hg150 Tl190 Pb180 Bi160 Po190 At Rn 7 Fr Ra215 ** Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Uut Uuq Mc Uuh Uus Uuo Lantanoidi * La195 Ce185 Pr185 Nd185 Pm185 Sm185 Eu185 Gd180 Tb175 Dy175 Ho175 Er175 Tm175 Yb175 Lu175 Aktinoidi ** Ac195 Th180 Pa180 U175 Np175 Pu175 Am175 Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
Razlaga splošnih trendov Način, kako atomskih polmeri naraščajo z naraščajočim vrstnim številom, se lahko razloži z razporeditvijo elektronov na elektronskih orbitalah z nespremenljivo kapaciteto. Orbitale se običajno polnijo po vrsti od najbližje do najbolj oddaljene. Z naraščanjem vrstnega števila po posamezni vrstici (periodi) periodnega sistema se negativni vpliv elektronov zaradi njihove vedno večje oddaljenosti od jedra manjša, zato vedno večji pozitivni naboj jedra povzroči zmanjševanje atomskih polmerov. V žlahtnih plinih je najbolj zunanja orbitala polna, zato se bo šel dodatni elektron naslednje alkalijske kovine na novo najbolj zunanjo orbitalo, kar bo povzročilo skokovito povečanje atomskega polmera.
Naraščajoči pozitivni naboj jedra se delno kompenzira z naraščajočim številom elektronov. Pojav se imenuje ščitenje in pojasnjuje naraščanje atomskih polmerov po skupini navzdol. Ščitenje je v dveh primerih (lantanoidna kontrakcija in kontrakcija bloka d) manj učinkovito, zato so atomi manjši kot bi sicer pričakovali.
Najpomembnejši pojavi, ki vplivajo na atomski polmer elementa, so prikazani v naslednji preglednici.
Činitelj Princip Narašča s/z... Trend Vpliv na polmer elektronske orbitale kvantna mehanika osnovnimi in azimutskimi kvantnimi števili atomski polmer raste narašča po koloni navzdol naboj jedra protoni jedra privlačijo elektrone vrstno število atomski polmer pada naboj po posamezni periodi pada ščitenje na elektrone na zunanjih orbitalah deluje odbojna sila notranjih elektronov število elektronskih ovojnic atomski polmer raste zmanjša se vpliv pozitivnega naboja jedra
Lantanoidna kontrakcija
Elektroni na podorbitali 4f, ki se progresivno polni od cerija (Z = 58) do lutecija (Z = 71), niso posebno učinkoviti pri ščitenju naraščajočega naboja jedra pred bolj zunanjimi podorbitalami. Elementi, ki neposredno sledijo lantanu, imajo zato manjše atomske polmere kot bi pričakovali. Njihovi atomski polmeri so skoraj enaki atomskim polmerom (in kemiji) elementov, ki so v periodnem sistemu neposredno nad njimi: hafnij ima skoraj enak polmer (in kemijo) kot cirkonij, tantal kot niobij in tako naprej. Vpliv lantanoidne kontrakcije je opazen vse do platine (Z = 78), za njo pa ga zamaskira relativistični učinek, poznan kot učinek inertnih parov.
Lantanoidna kontrakcija je vzrok za naslednje pojave: Velikost ionov Ln3+ z naraščajočim vrstnim številom pravilno pada. V skladu s Fajansovimi pravili z manjšanjem velikosti Ln3+ naraščajo kovalentne lastnosti in padajo bazične lastnosti med Ln3+ in OH- ioni v Ln(OH)3. Velikosti Ln3+ padajo v naslednjem zaporedju: La3+ > Ce3+ > ... , ... > Lu3+. Ionski polmeri se z naraščajočim vrstnim številom pravilno manjšajo. Reduktivne lastnosti pravilno padajo. Prehodne kovine iz druge in tretje vrstice bloka d imajo zelo podobne lastnosti. Elementi se v naravnih mineralih pojavljajo skupaj in jih je težko ločiti.
Kontrakcija bloka d Kontrakcija bloka d je manj prepoznavna kot lantanoidna kontrakcija, vendar izhaja iz istega vzroka. V tem primeru gre za slabo sposobnost ščitenja 3d elektronov, ki vplivajo na atomske polmere in kemijo elementov, ki sledijo prvi vrstici prehodnih kovin, se pravi na elemente od galija (Z = 31) do broma (Z = 35).
Izračunani atomski polmeri V naslednji preglednici so zbrani atomski polmeri, izračunani iz teoretičnih modelov, ki so jih objavili Enrico Clementi in drugi leta 1967.E. Clementi, D. L. Raimondi, and W. P. Reinhardt (1967), Journal of Chemical Physics, volume 47, str. 1300. Dimenzije so v pikometrih. Skupina → 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Perioda ↓ 1 H53 He31 2 Li167 Be112 B87 C67 N56 O48 F42 Ne38 3 Na190 Mg145 Al118 Si111 P98 S88 Cl79 Ar71 4 K243 Ca194 Sc184 Ti176 V171 Cr166 Mn161 Fe156 Co152 Ni149 Cu145 Zn142 Ga136 Ge125 As114 Se103 Br94 Kr88 5 Rb265 Sr219 Y212 Zr206 Nb198 Mo190 Tc183 Ru178 Rh173 Pd169 Ag165 Cd161 In156 Sn145 Sb133 Te123 I115 Xe108 6 Cs298 Ba253 * Hf208 Ta200 W193 Re188 Os185 Ir180 Pt177 Au174 Hg171 Tl156 Pb154 Bi143 Po135 At Rn120 7 Fr Ra ** Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Uut Uuq Mc Uuh Uus Uuo Lantanoidi * La Ce Pr247 Nd206 Pm205 Sm238 Eu231 Gd233 Tb225 Dy228 Ho Er226 Tm222 Yb222 Lu217 Aktinoidi ** Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
Opombe in sklici
Kategorija:Atomi Kategorija:Lastnosti kemičnih elementov