úvod
Atómy sú také malé, že by si ich do jedného milimetra naukladal milióny. Aj medzi takými drobcami sú však veľké rozdiely: atóm vodíka má polomer 31 pikometrov, atóm cézia 244 pikometrov. Pikometer (pm) je biliontina metra, .
Ako sa taký polomer meria? Atóm nemá ostrú hranicu, jeho elektrónový obal sa smerom von postupne stráca. Preto sa meria vzdialenosť jadier dvoch atómov spojených väzbou a polomer je jej polovica. Takto určený kovalentný polomer používa aj naša periodická tabuľka.
vyskúšaj si
Atómy vo zväčšení
Zľava doprava sa atómy zmenšujú. Elektróny pribúdajú do tej istej vrstvy, ale v jadre pribúdajú aj protóny, ktoré obal priťahujú silnejšie. Vzácne plyny tu nie sú, ich polomer sa meria inak (netvoria bežné väzby).
Atómy sú tu nakreslené v správnom pomere veľkostí. Prejdi po perióde alebo po skupine, porovnaj atóm s jeho iónom a v hre „Ktorý je väčší?“ si over, či trendy už ovládaš.
Poznáme viac druhov polomerov: kovalentný (polovica dĺžky jednoduchej kovalentnej väzby medzi rovnakými atómami), kovový (polovica vzdialenosti susedných atómov v kryštáli kovu), van der Waalsov (pre atómy, ktoré sa len dotýkajú, napríklad atómy vzácnych plynov) a iónový. Pre ten istý prvok sa tieto hodnoty líšia, preto porovnávaj vždy polomery rovnakého druhu. Čísla pri atómoch v tejto lekcii sú kovalentné polomery.
teória
Polomer v skupine: smerom nadol rastie
| Alkalický kov | Polomer | Halogén | Polomer |
|---|---|---|---|
| lítium (Li) | 128 pm | fluór (F) | 57 pm |
| sodík (Na) | 166 pm | chlór (Cl) | 102 pm |
| draslík (K) | 203 pm | bróm (Br) | 120 pm |
| rubídium (Rb) | 220 pm | jód (I) | 139 pm |
| cézium (Cs) | 244 pm | astát (At) | 150 pm |
S každou ďalšou periódou pribudne atómu jedna elektrónová vrstva. Náboj jadra síce tiež rastie, no vnútorné vrstvy ho pred vonkajšími elektrónmi tienia a nová vrstva je od jadra ďalej. Atóm sa teda zväčšuje.
Predstav si cibuľu: každá ďalšia vrstva ju zväčší. Sodík má tri vrstvy (2, 8, 1), draslík štyri (2, 8, 8, 1), preto je atóm draslíka väčší.
teória
Polomer v perióde: zľava doprava klesá
| Perióda | 1. sk. | 2. sk. | 13. sk. | 14. sk. | 15. sk. | 16. sk. | 17. sk. |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 2. perióda | Li 128 | Be 96 | B 84 | C 73 | N 71 | O 66 | F 57 |
| 3. perióda | Na 166 | Mg 141 | Al 121 | Si 111 | P 107 | S 105 | Cl 102 |
Na prvý pohľad je to zvláštne: chlór má o šesť elektrónov viac ako sodík, a predsa je menší. V jednej perióde majú všetky atómy rovnaký počet vrstiev, no náboj jadra rastie o jeden protón za druhým. Silnejšie jadro si elektróny pritiahne bližšie a atóm sa zmrští. Vzácne plyny do porovnania nezaraďujeme, lebo takmer netvoria väzby a ich kovalentný polomer sa určuje ťažko.
Jadro je ako magnet, ktorý priťahuje elektróny. V perióde pribúdajú protóny, magnet silnie, ale vrstiev nepribúda. Elektróny sú preto pritiahnuté bližšie k jadru.
Rozhoduje efektívny náboj jadra , teda náboj, ktorý valenčný elektrón naozaj pociťuje. Vnútorné elektróny tienia jadro dobre, elektróny v tej istej vrstve len slabo. Zjednodušene stačí od protónového čísla odpočítať počet vnútorných elektrónov: pre sodík , pre chlór . V perióde teda výrazne rastie, v skupine sa mení málo, zato pribúdajú vrstvy.
Pri prechodných kovoch sa polomer v perióde mení pomalšie. Nové elektróny prichádzajú do vnútornej podvrstvy a vonkajšie elektróny tienia lepšie ako elektróny v tej istej vrstve. Od skandia (170 pm) po zinok (122 pm) sa atóm zmenší o 48 pm za deväť krokov, kým od sodíka po chlór o 64 pm za šesť krokov.
rozšírenie Slaterove pravidlá
Presnejší odhad efektívneho náboja dávajú Slaterove pravidlá: , kde tieniaca konštanta je súčet príspevkov ostatných elektrónov. Pre elektrón alebo prispieva každý ďalší elektrón tej istej vrstvy hodnotou 0,35, každý elektrón vrstvy hodnotou 0,85 a každý hlbší elektrón hodnotou 1,00.
- Sodík, elektrón 3s: , teda .
- Chlór, elektrón 3p: , teda .
- Draslík, elektrón 4s: , teda .
Sodík a draslík teda pociťujú rovnaký efektívny náboj a draslík je väčší len vďaka ďalšej vrstve. Chlór pociťuje takmer trikrát väčší náboj ako sodík, a preto je jeho atóm menší.
rozšírenie Lantanoidová kontrakcia
Prvok 6. periódy by mal byť väčší ako prvok nad ním, lebo má o vrstvu viac. V 4. skupine sa atóm z 4. do 5. periódy naozaj zväčší o 15 pm (titán 160 pm, zirkónium 175 pm), no z 5. do 6. periódy už vôbec (zirkónium aj hafnium 175 pm). Príčinou sú lantanoidy, ktoré v 6. perióde stoja pred hafniom a v ktorých sa zapĺňajú orbitály 4f. Elektróny 4f tienia jadro veľmi slabo, efektívny náboj preto rastie a atómy sa postupne zmršťujú. Tento jav sa volá lantanoidová kontrakcia. Zirkónium a hafnium sú si preto chemicky také podobné, že ich oddelenie patrí k najťažším úlohám anorganickej chémie. Súvisí s tým aj obrovská hustota kovov 6. periódy, napríklad osmia.
teória
Polomer iónov
Keď atóm odovzdá alebo prijme elektróny, jeho veľkosť sa zmení, a to dosť výrazne.
vyskúšaj si
Zostav si ión
Vyber prvok
sodík
- protóny (+)
- 11
- elektróny (−)
- 11
- valenčné elektróny atómu
- 1
- náboj častice
- 0 (atóm)
Vrstvy: 2, 8, 1 (vonkajšia vrstva má 1 elektrón).
Atóm je neutrálny: 11 protónov a 11 elektrónov. Kovy ľahko odovzdávajú valenčné elektróny. Skús dosiahnuť stabilnú vonkajšiu vrstvu.
Pridávaj alebo uberaj elektróny vybranému atómu a sleduj, aký náboj má vzniknutý ión a elektrónový obal ktorého vzácneho plynu dosiahol.
- Katión je menší ako atóm. Sodík (166 pm) stratí jediný elektrón z tretej vrstvy, celá vrstva zmizne a ión Na⁺ má polomer len asi 102 pm. Na zvyšných desať elektrónov navyše pôsobí celých 11 protónov, takže sú pritiahnuté bližšie.
- Anión je väčší ako atóm. Chlór (102 pm) prijme elektrón a ión Cl⁻ má polomer asi 181 pm. Náboj jadra sa nezmenil, no elektrónov je viac, navzájom sa odpudzujú a obal sa nafúkne.
Polomery iónov sa merajú v kryštáloch, napríklad v chloride sodnom, a s kovalentnými polomermi sa nedajú porovnať úplne presne. Trend však platí vždy. Názvy iónov nájdeš v lekcii Katióny, anióny a atómové skupiny.
Izoelektrónový rad. Ióny O²⁻, F⁻, Na⁺, Mg²⁺ a Al³⁺ majú všetky po 10 elektrónov, rovnako ako neón. Líšia sa len nábojom jadra (od 8 po 13 protónov), a tak ich veľkosť s rastúcim klesá: O²⁻ 140 pm, F⁻ 133 pm, Na⁺ 102 pm, Mg²⁺ 72 pm a Al³⁺ 54 pm (iónové polomery pre koordinačné číslo 6). Podobne platí, že čím vyšší kladný náboj má ión toho istého prvku, tým je menší: Fe²⁺ má asi 78 pm, Fe³⁺ asi 65 pm. Konfigurácie iónov rozoberá lekcia Výnimky a ióny.
vyskúšaj si
Riešené príklady
Príklad 1
Ktorý atóm je väčší, horčík alebo bárium?
Riešenie
Oba prvky sú v 2. skupine, bárium je o tri periódy nižšie a má o tri vrstvy viac. Väčšie je bárium (215 pm oproti 141 pm).
Príklad 2
Zoraď atómy S, Na a Cl od najväčšieho po najmenší.
Riešenie
Všetky sú v 3. perióde a polomer zľava doprava klesá. Poradie je Na (166 pm), S (105 pm), Cl (102 pm).
Príklad 3
Ktorý je väčší, atóm K alebo ión K⁺? A atóm O alebo ión O²⁻?
Riešenie
Ión K⁺ vznikol stratou elektrónu a s ním celej štvrtej vrstvy, preto je väčší atóm K. Ión O²⁻ prijal dva elektróny, ktoré sa navzájom odpudzujú, preto je väčší ión O²⁻.
Príklad 4
Zoraď izoelektrónové častice Ca²⁺, Cl⁻, K⁺ a S²⁻ od najväčšej po najmenšiu.
Riešenie
Všetky majú 18 elektrónov, rovnako ako argón. Rozhoduje počet protónov: S má 16, Cl 17, K 19 a Ca 20. Čím viac protónov, tým menší ión: S²⁻ (184 pm), Cl⁻ (181 pm), K⁺ (138 pm), Ca²⁺ (100 pm).
Príklad 5
Kovalentný polomer chlóru je 102 pm. Aká je približne dĺžka väzby v molekule Cl₂?
Riešenie
Kovalentný polomer je polovica vzdialenosti jadier, takže dĺžka väzby je asi . Nameraná hodnota je 199 pm. Tabuľkové polomery sú priemery z mnohých zlúčenín, preto odhad sedí len približne.
teória
Časté chyby
- „Viac elektrónov znamená väčší atóm.“ Platí to v skupine, nie v perióde. Chlór má viac elektrónov ako sodík, a predsa je menší.
- „Anión je menší, lebo prijal elektrón a obal sa zhustil.“ Je to naopak, elektróny sa navzájom odpudzujú a anión je väčší ako atóm.
- „Atóm má ostrú hranicu ako gulička.“ Polomer je dohodnutá veličina, ktorú zisťujeme zo vzdialenosti jadier.
- „Polomer v perióde klesá až po vzácny plyn.“ Kovalentný polomer vzácnych plynov sa určuje ťažko, preto trend sledujeme len po halogén.
Nemiešaj druhy polomerov. Kovalentný polomer sodíka (166 pm) a iónový polomer Na⁺ (102 pm) pochádzajú z rôznych meraní. Že je katión menší, platí, ale presný rozdiel z nich nevypočítaš.
Veľkosť atómu vysvetľuje aj ďalšie trendy. Malý atóm drží elektróny pevne, a preto má vysokú ionizačnú energiu, ako uvidíš v lekcii Ionizačná energia a elektrónová afinita. Súhrn všetkých trendov nájdeš v lekcii Periodické trendy, predchádzajúca lekcia bola Skupenstvo a hustota prvkov.