Bán kính ion
Bán kính ion là kích thước hiệu dụng gán cho ion trong một môi trường cấu trúc cụ thể, thường suy ra từ khoảng cách giữa các hạt nhân trong tinh thể. Nó không phải bán kính quả cầu cứng bất biến độc lập với điện tích, số phối trí và kiểu liên kết.
Ý nghĩa của bán kính ion
Bán kính ion là một mô hình cấu trúc
Đám mây electron của các ion lân cận chồng lấn liên tục. Nhiễu xạ cho khoảng cách hạt nhân; hệ bán kính phân chia khoảng cách ấy thành các phần hiệu dụng. Vì là mô hình, các hệ dữ liệu khác nhau có thể cho giá trị hơi khác.
Mất electron thường làm cation nhỏ đi
Lực đẩy electron–electron giảm trong khi điện tích hạt nhân không đổi. Nếu quá trình ion hóa loại cả lớp ngoài như Na→Na⁺, kích thước giảm rất mạnh. Trong môi trường phối trí tương tự, Fe³⁺ thường nhỏ hơn Fe²⁺.
Nhận electron thường làm anion lớn lên
Electron bổ sung tăng lực đẩy trong vùng hóa trị mà không tăng số proton, nên đám mây giãn ra đến cân bằng mới. Với cùng nguyên tố và điều kiện so sánh được, điện tích âm hơn thường cho bán kính lớn hơn.
Điều gì điều khiển kích thước ion
Dãy đẳng electron cho phép so sánh sạch nhất
O²⁻, F⁻, Na⁺, Mg²⁺ và Al³⁺ đều có 10 electron. Khi số electron được giữ cố định, bán kính giảm rõ theo số proton: O²⁻ > F⁻ > Na⁺ > Mg²⁺ > Al³⁺.
Số phối trí làm thay đổi bán kính trong bảng
Cùng một ion ở phối trí 4, 6 hay 8 nằm trong hình học khác nhau và cho khoảng cách hạt nhân khác nhau. Vì vậy không nên trộn giá trị Fe²⁺ sáu phối trí với Fe²⁺ bốn phối trí như một quả cầu bất biến.
Trạng thái oxi hóa thay đổi kích thước trong cùng nguyên tố
Trạng thái dương cao hơn có ít electron hơn và lực hút hiệu dụng trên electron còn lại mạnh hơn, nên thường co lại. Với kim loại chuyển tiếp cần so trong cùng số phối trí và trạng thái spin gần nhau.
Hệ quả hóa học của kích thước ion
Mật độ điện tích nối bán kính với sự phân cực
Cation nhỏ và mang điện tích cao tạo điện trường cục bộ mạnh, làm méo đám mây electron của anion lân cận. Vì thế phải xét cả độ lớn điện tích lẫn bán kính.
Khả năng phân cực mạnh
Al³⁺ nhỏ hơn và mang điện tích lớn hơn Na⁺ nên phân cực anion mạnh hơn. Theo ý tưởng Fajans, điều đó có thể làm tăng tính cộng hóa trị trong một số liên kết thường gọi là ion.
Độ phân cực cao
Anion lớn có đám mây electron khuếch tán dễ bị biến dạng hơn. I⁻ thường dễ phân cực hơn F⁻, vì vậy kích thước ảnh hưởng cả hình học lẫn bản chất liên kết.
Xu hướng tuần hoàn phải tách cation và anion
Tạo cation có thể loại hẳn một lớp, còn tạo anion tăng lực đẩy cùng lớp. So sánh đáng tin cậy nhất là trong cùng điện tích, cùng phối trí hoặc dãy đẳng electron thay vì một mũi tên chung cho mọi ion.
Hydrat hóa và năng lượng mạng làm kích thước ion trở nên quan sát được
Ion nhỏ, điện tích cao thường tương tác mạnh với nước và cho ổn định tĩnh điện lớn trong mạng tinh thể. Vì vậy bán kính ảnh hưởng entanpi hydrat hóa, độ tan, độ linh động và độ bền tinh thể.
Bán kính ion không dự đoán một mình cấu trúc tinh thể
Quy tắc tỉ số bán kính chỉ là gần đúng đầu tiên. Tính định hướng của liên kết, phân cực, cấu trúc electron, nhiệt độ và áp suất cũng quyết định cấu trúc thật.
Bài tập
1. Xếp dãy đẳng electron
Xếp O²⁻, F⁻, Na⁺, Mg²⁺ từ lớn đến nhỏ.
Lời giải
Tất cả có 10 electron, nên khi điện tích hạt nhân tăng bán kính giảm: O²⁻ > F⁻ > Na⁺ > Mg²⁺.
2. Các ion sắt
Trong cùng phối trí và trạng thái spin, Fe²⁺ hay Fe³⁺ nhỏ hơn?
Lời giải
Fe³⁺ nhỏ hơn vì có ít hơn một electron nhưng cùng điện tích hạt nhân, nên các electron còn lại chịu lực hút ròng mạnh hơn.
3. Dùng bảng bán kính
Vì sao nên ghi số phối trí cùng với bán kính ion?
Lời giải
Bán kính bảng là giá trị hiệu dụng suy ra từ hình học tinh thể; thay đổi số phối trí làm thay đổi khoảng cách hạt nhân và giá trị phân chia.