Perché gli elettroni di valenza influenzano il raggio atomico di un elemento?

Il raggio atomico di un elemento è la distanza tra il centro del nucleo di un atomo e il suo più esterno, o elettroni di valenza. Il valore del raggio atomico cambia in modi prevedibili mentre ti muovi lungo la tavola periodica. Questi cambiamenti sono causati dall'interazione tra la carica positiva dei protoni nel nucleo e la carica negativa di tutti gli elettroni dell'atomo.

Gli elettroni orbitano attorno al nucleo di un atomo a diversi livelli di energia. All'interno di questi livelli di energia i loro orbitali possono assumere una serie di forme diverse, chiamate subshell. Successivamente, ogni subshell può ospitare un numero specifico di orbitali. Quando aggiungi elettroni a un livello di energia esistente, gli orbitali in una subshell si riempiranno fino a quando la subshell non conterrà il massimo di elettroni possibili. Una volta che tutte le subshell a un livello di energia specifico si sono riempite, ulteriori elettroni devono essere aggiunti a una subshell a un livello di energia superiore. Man mano che i livelli di energia aumentano di valore, aumenta anche la loro distanza dal nucleo dell'atomo.

I raggi atomici degli elementi cambiano in modo prevedibile e periodico. Mentre ti sposti da sinistra a destra attraverso un periodo del gruppo principale della tavola periodica, i raggi atomici diminuiscono. Allo stesso tempo, aumenta il numero di elettroni di valenza. La ragione della diminuzione da sinistra a destra del raggio atomico è che la carica nucleare netta aumenta, ma non il livello di energia dei possibili orbitali elettronici. In altre parole, quando viene aggiunto un nuovo elettrone in un livello di energia già occupato, il raggio non si espande notevolmente. Invece, con una carica positiva più forte proveniente dal nucleo, la nuvola di elettroni viene tirata verso l'interno, risultando in un raggio atomico più piccolo. I metalli di transizione si discostano leggermente da questa tendenza.

L'andamento periodico dei raggi atomici è riconducibile ad un fenomeno noto come schermatura. La schermatura si riferisce al modo in cui gli elettroni interni di un atomo schermano parte della carica positiva del nucleo. Pertanto, gli elettroni di valenza percepiscono solo una carica netta positiva. Questa è chiamata la carica nucleare effettiva. Mentre ti muovi attraverso un periodo, il numero di elettroni di valenza cambia, ma il numero di elettroni interni no. Pertanto, la carica nucleare effettiva aumenta, facendo sì che gli elettroni di valenza si attirino verso l'interno.

Man mano che scendi in un gruppo della tavola periodica, il livello di energia degli elettroni di valenza aumenta. In questo caso, il numero complessivo di elettroni di valenza non cambia. Ad esempio, sia il sodio che il litio hanno un elettrone di valenza, ma il sodio esiste a un livello energetico più elevato. In tal caso, la distanza complessiva tra il centro del nucleo e gli elettroni di valenza è maggiore. Mentre anche il numero di protoni è aumentato a questo punto, l'aumento della carica positiva di questi protoni è compensato da un altro livello energetico di elettroni schermanti interni tra il nucleo e la valenza elettroni. Pertanto, il raggio atomico aumenta lungo un gruppo.