Bán kính nguyên tử

Ý nghĩa và xu hướng tuần hoàn chính

Nguyên tử không có bề mặt sắc nét

Electron được mô tả bằng phân bố xác suất và đám mây không đột ngột bằng không ở một khoảng cách cố định. Vì vậy “kích thước nguyên tử” được suy ra từ khoảng cách giữa các hạt nhân hoặc tiếp xúc không liên kết theo một quy ước cụ thể.

Qua một chu kì: đám mây hóa trị thường co lại

Số proton tăng trong khi electron mới thường vào cùng lớp chính. Electron cùng lớp chắn nhau không hoàn toàn, nên điện tích hạt nhân hiệu dụng tăng và kéo orbital hóa trị vào gần hạt nhân hơn. Bán kính vì thế nhìn chung giảm từ trái sang phải.

Xuống một nhóm: lớp mới thường thắng phần tăng điện tích hạt nhân

Electron hóa trị đi vào lớp có n lớn hơn, xa hạt nhân hơn và được nhiều lớp trong che chắn. Dù số proton tăng, khoảng cách và sự chắn thường làm bán kính lớn hơn khi đi xuống nhóm.

Nơi xu hướng đơn giản thay đổi

Khối d thay đổi chậm hơn

Trong kim loại chuyển tiếp, electron thêm vào orbital (n−1)d trong khi lớp ns ngoài vẫn hiện diện. Electron d chắn một phần điện tích hạt nhân tăng, nên bán kính thường chỉ giảm vừa phải qua một dãy chuyển tiếp và có thể phẳng dần ở cuối dãy.

Sự co lantanit ảnh hưởng cả ngoài khối f

Electron 4f chắn kém, nên lực hút hạt nhân hiệu dụng tăng dần dọc lantanit và đám mây ngoài co lại. Kết quả là Hf có kích thước gần Zr bất thường, trái với quy tắc quá đơn giản “thêm một lớp là lớn hơn nhiều”.

Bán kính nguyên tử được định nghĩa và đo như thế nào

Độ dài liên kết không chỉ là tổng của hai quả cầu nguyên tử cố định

Bán kính cộng hóa trị giúp gần đúng nhiều độ dài liên kết nhưng không bất biến. Bậc liên kết, lai hóa, trạng thái oxi hóa và đối tác liên kết đều thay đổi mật độ electron và khoảng cách giữa hai hạt nhân.

Bậc liên kết

Với cùng cặp nguyên tố, liên kết bội thường ngắn hơn liên kết đơn vì mật độ electron tập trung mạnh hơn giữa hai hạt nhân. Do đó một bán kính C duy nhất không thể tái tạo chính xác C–C, C=C và C≡C.

Môi trường hóa học

Phối trí, điện tích và độ âm điện của nguyên tử lân cận làm đám mây co hoặc giãn. Khi dùng bảng số liệu, cần bảo đảm cùng định nghĩa bán kính và môi trường đủ tương đồng.

Một nguyên tố có thể có nhiều bán kính hữu ích

Bán kính cộng hóa trị thuận tiện cho phân tử, bán kính kim loại cho tinh thể kim loại, bán kính van der Waals cho tiếp xúc không liên kết. Không có một giá trị duy nhất là “bán kính thật” trong mọi ngữ cảnh.

Cách suy ra bán kính từ cấu trúc

Nhiễu xạ tia X, electron hoặc neutron trước hết cho khoảng cách giữa các hạt nhân. Một hệ bán kính sau đó phân chia khoảng cách đó cho các nguyên tử lân cận; khác quy ước phân chia có thể cho các bảng hơi khác nhau mà không mâu thuẫn với thí nghiệm.

Bán kính nối nhiều xu hướng nhưng không phải nguyên nhân duy nhất

Nguyên tử nhỏ thường giữ electron hóa trị chặt hơn và có năng lượng ion hóa thứ nhất cao hơn, nhưng cả bán kính lẫn năng lượng ion hóa đều bắt nguồn từ điện tích hạt nhân hiệu dụng, sự chắn, năng lượng orbital và lực đẩy electron. Không nên biến tương quan này thành một quan hệ nhân quả duy nhất.

Kim loại chuyển tiếp, lantanit và các trạng thái oxi hóa khác nhau nhắc rằng mũi tên xu hướng chỉ là điểm xuất phát; cấu hình electron mới quyết định cơ chế.

Bài tập

1. So sánh chu kì 3

Với cùng định nghĩa bán kính, Na hay Cl thường lớn hơn?

2. So sánh trong nhóm

Vì sao K thường lớn hơn Na dù K có nhiều proton hơn?

3. So sánh các bảng bán kính

Có thể so trực tiếp bán kính cộng hóa trị với bán kính van der Waals để quyết định bảng nào “đúng hơn” không?