Атомы, как вы, возможно, слышали, представляют собой мельчайший возможный кусочек какого-либо конкретного вида материи. Если вам посчастливилось иметь кирпич весом в один фунт элементного золота (Au), вы могли бы разделить его на более мелкие и более мелкие части, пока не остались только атомы золота; возможны дальнейшие деления, но ни один из полученных в результате компонентов не является специфическим для золота.
Периодическая таблица элементов включает 118 отдельных типов атомов (то есть элементов), каждый из которых имеет уникальное количество протонов и электронов и аналогичное количество нейтронов. Но насколько крошечна эта бесконечно малая сущность? Есть ли способ связать размер атома в радиусе чего-нибудь из вашего собственного опыта?
Какие части атома?
Все атомы содержат хотя бы один протон, с числом протонов, определяющим идентичность элемента. Элемент имеет атомный номер, уникальный идентификатор, связанный с номером протона и одно- или двухбуквенным символом (например, Ca для кальция, номер элемента 20 в периодической таблице).
В нейтральном, незаряженном состоянии каждый атом имеет одинаковое количество электроны как и протоны. Элементы, начинающиеся с гелия, также содержат ряд нейтроны аналогично протонному числу и обычно немного превышает его. Варианты элементов с разным числом нейтронов называются изотопами.
Протоны имеют отрицательный заряд и группируются с нейтронами, образуя атомное ядро. Между тем, отрицательно заряженные электроны проносятся на значительные расстояния от ядра по отношению к общему размеру атома, как вы увидите в деталях.
Какие силы определяют размер атома?
Атомы характеризуются огромным количеством незанятого пространства, что, по-видимому, является странным наблюдением в отношении чего-то и без того столь незначительного. Атомный радиус обычно определяется как расстояние от центра ядра до самого дальнего. электронная орбиталь. В этом смысле атом можно представить графически как круг, с ядром в центре и внешней электронной оболочкой, образующей дугу круга.
При перемещении слева направо по строке число протонов и электронов увеличивается на единицу с каждым изменением элемента. Однако из-за того, что электроны добавляются рассеяно благодаря правилам заполнения электронно-орбиталей, в то время как растущий положительный заряд ядро остается сосредоточенным в одном маленьком пространстве, электроны притягиваются ближе к ядру, пока благородные газы в периоде 18 каждого строка.
Затем, при переходе к следующей строке, наиболее удаленные электроны атомов оказываются на совершенно новом энергетическом уровне, существенно увеличивая атомный радиус. Затем радиусы уменьшаются вдоль новой строки периодической таблицы, как и раньше.
Каков размер атомного ядра?
Не существует формальной формулы атомного радиуса, применимой ко всем атомам, но для ковалентно связанных атомов радиус можно оценить, разделив расстояние между атомными ядрами на два.
Радиусы атомов обычно определяют экспериментальным путем и вычитанием. Если известен радиус одного атома (скажем, кальция, около 178 пикометров или пм, равный 1,78 · 10–10 м), а расстояние между ядрами молекулы селенида кальция (CaSe) составляет 278 пм, вы можете вычесть 178 из 278, чтобы получить разумную оценку радиуса атома селена (100 пм).
С точки зрения аналогий с реальным миром, один классический размер сравнения атома относится к стадиону. В радиус ядра сам по себе только о 1 × 10–15 м независимо от элемента, а в типичном атоме крайний электрон будет находиться близко к футбольному полю, или примерно в 100 метрах.
Таблица размеров атома
См. В разделе Ресурсы график, показывающий приблизительные значения первых 86 элементов периодической таблицы. Они варьируются от примерно 40 пм для водорода до примерно 240 пм для цезия.