Ionradius

Ionradius er en effektiv størrelse, som tildeles en ion i et bestemt strukturelt miljø. Den er nyttig til at sammenligne krystalstrukturer, koordination og periodiske trends, men den er ikke radius af en hård kugle, som er uafhængig af ladning, koordinationstal eller bindingsmiljø.

kationmindreatomanionstørrefjern elektroner → mindre frastødning, ofte tab af ydre skaltilføj elektroner → mere frastødning i valensområdet
Kationer trækker sig normalt sammen, og anioner udvider sig i forhold til det neutrale atom. Elektrontal og skalbesætning ændres, mens kerneladningen er uændret.

Betydningen af ionradius

Ionradius er en strukturel model

I en krystal mødes naboioner ikke ved perfekt skarpe overflader. Diffraktion bestemmer afstande mellem kerner, og et radiusskema fordeler disse afstande mellem effektive ionbidrag. Forskellige skemaer kan derfor give lidt forskellige værdier.

Fjernelse af elektroner gør normalt en kation mindre

Når et atom danner en kation, falder elektron–elektron-frastødningen, mens kerneladningen er uændret. Hvis ionisation fjerner hele den yderste skal, som ved Na→Na⁺, bliver kontraktionen særlig stor. Ved sammenlignelig koordination er Fe³⁺ normalt mindre end Fe²⁺.

Tilførsel af elektroner gør normalt en anion større

Når der tilføjes elektroner til en anion, stiger frastødningen i valensområdet, mens kerneladningen er den samme. Skyen udvider sig til en ny balance. For samme grundstof betyder en mere negativ ladning derfor som regel en større radius i sammenlignelige miljøer.

Hvad styrer ioners størrelse

10 elektroner hverO²⁻8 p⁺F⁻9 p⁺Na⁺11 p⁺Mg²⁺12 p⁺Al³⁺13 p⁺aftagende størrelse →
I en isoelektronisk serie er kerneladningen den rene sammenligning: med samme elektrontal giver flere protoner stærkere tiltrækning og mindre radius.

En isoelektronisk serie isolerer kerneladningen

O²⁻, F⁻, Na⁺, Mg²⁺ og Al³⁺ har alle ti elektroner, men antallet af protoner stiger fra 8 til 13. Med samme elektrontal trækker den voksende kerneladning skyen mere og mere sammen: O²⁻ > F⁻ > Na⁺ > Mg²⁺ > Al³⁺.

Koordinationstal ændrer den tabulerede radius

En ion med flere koordinerede naboer tildeles ofte en større effektiv radius i en strukturel model. Derfor angiver pålidelige tabeller koordinationstallet; tetraedrisk og oktaedrisk Fe²⁺ kan ikke behandles som én uforanderlig kugle.

Oxidationstrin ændrer størrelsen

Når samme grundstof får højere positiv ladning, bliver den effektive tiltrækning på de resterende elektroner stærkere. Derfor er Fe³⁺ mindre end Fe²⁺ ved sammenlignelig koordination.

Kemiske følger af ionstørrelse

Ladningstæthed, polarisering og struktur

En lille, stærkt ladet kation har høj ladningstæthed og kan polarisere elektronskyen i en nabonian kraftigt. En stor, diffus anion er lettere at polarisere. Det hjælper med at forklare kovalent karakter i visse forbindelser, der ellers beskrives som ioniske.

Stor polariserende evne

En lille, stærkt ladet kation koncentrerer sit elektriske felt og deformerer nabopartiklers elektrontæthed kraftigere.

Stor polariserbarhed

En stor anion har en diffus elektronsky, som lettere deformeres i et eksternt felt.

Periodiske trends: sammenlign tilsvarende ioner

Inden for en familie af ioner med samme ladning vokser radius normalt ned gennem en gruppe på grund af nye besatte skaller. Hen over en periode bør kationer og anioner sammenlignes hver for sig, fordi et skift i ladning kan give et brat spring i størrelse.

Hydratisering og gitterenergi

Små, stærkt ladede ioner hydratiseres ofte kraftigt, fordi deres lokale elektriske felt er stort. I iongitre øger store ladninger og korte afstande typisk gitterenergien. Geometri, polarisering og opløsningsmiddel spiller dog også ind.

Radius forudsiger ikke krystalstruktur alene

Enkle regler baseret på radiusforhold er kun tilnærmelser. Virkelig koordination afhænger også af støkiometri, polarisering, bindingsretning, tryk og elektronstruktur. Ionradius er en nyttig variabel, ikke en fuldstændig strukturprognose.

Øvelser

Isoelektronisk serie

Rangordn O²⁻, F⁻, Na⁺ og Mg²⁺ fra størst til mindst.

Løsning

O²⁻ > F⁻ > Na⁺ > Mg²⁺. Alle har ti elektroner; protonantallet stiger i denne rækkefølge og trækker skyen stærkere sammen.

Fe²⁺ og Fe³⁺

Hvilken ion er mindst ved sammenlignelig koordination?

Løsning

Fe³⁺. Kerneladningen er den samme, men der er én elektron mindre og en større positiv ladning, så de resterende elektroner tiltrækkes stærkere.

Koordination

Hvorfor skal koordinationstallet angives sammen med en ionradius?

Løsning

Fordi værdien udledes af en strukturel geometri. Ændres antallet og placeringen af naboer, ændres kerneafstandene og dermed den tildelte effektive radius.