Hogyan változik az atomsugár a periódusos rendszerben?

Gondoljuk át egy kicsit ebben a videóban az atomok méretének más néven az atomsugár fogalmát! Elsőre ez elég egyszerűnek tűnhet. Ha egy kör alakú dolog sugarának próbálom meghatározni a méretét, akkor arra gondolok, hogy mekkora a távolság a középpontja és a széle között. Ennek a szakasznak a hossza a tárgy sugara. Egy atomot elképzelve sokakban az a kép él, hogy a közepén egy pozitív atommagban vannak a protonok, az elektronokat pedig meghatározott körpályákon képzelik el az atommag körül. Úgy képzelhetnék, hogy néhány elektron ezen a körpályán kering körbe-körbe, a többi elektron pedig egy távolabbi pályán kering. Azt gondolhatnánk, hogy könnyű meghatározni az atomok sugarát. Csak megmérjük, hogy mekkora a távolság az atommag és a legkülső elektron között, és ezt nevezhetjük atomsugárnak. Ebben csak az a bökkenő, hogy ez az elképzelés nem írja le helyesen az elektronok mozgását és elrendeződését az atommag körül. Az elektronok nem olyan pályákon mozognak mint a bolygók a Nap körül. Erről már ejtettünk szót a korábbi videókban. Az elektronok atompályákon vannak, amelyek voltaképpen csak az eloszlásuk valószínűségét jelképezik arra vonatkozóan, hogy az elektronok hol lehetnek, de nincsenek pontosan meghatározva. Elképzelhető egy atompálya – most csak két dimenzióban ábrázolom, bár a valóságban 3 dimenziós lenne –, nagy valószínűséggel abban a részben lennének az elektronok, amelyet vastagon zöldre satírozok. De az elektronok egy bizonyos eséllyel ebben a részben is lehetnek, és valamekkora eséllyel ebben a részben is. Valamivel kisebb eséllyel pedig akár itt is, ebben a részben. Egyik pillanatban azt mondhatnánk, hogy a legkülső elektron itt, ebben a pontban van. Vagyis ekkora az atom sugara. Azonban a következő pillanatban már nagyobb valószínűséggel egy másik pontban lesz. Ugyanakkor arra is van némi esély, hogy itt, egy harmadik pontban lesz. Akkor viszont a sugarat itt kellene felvennünk. Az elektronok atomi pályáinak, ezeknek a valószínűségi eloszlásoknak nincsenek éles határai. Hogyan mondhatjuk meg akkor, hogy valójában mekkora egy atom sugara? Erre többféle módszer is létezik. Az egyik szerint képzeljünk el két egyforma atomot amelyek ugyanannak az elemnek az atomjai, és nem kapcsolódnak egymáshoz, nincsen közöttük kémiai kötés, nem egyazon molekula atomjai, és valamiképpen meghatározzuk, hogy mekkora az a legkisebb távolság, amennyire megközelíthetik egymást anélkül, hogy kémiai kötést alakítanának ki. Így láthatnánk, hogy mekkora az a legkisebb távolság amennyire megközelíthetik egymást. Mondjuk ez itt az egyik atom, ez meg a másik. Határozzuk meg azt a legkisebb távolságot, amekkora távolságban még nem lép fel közöttük semmilyen számottevő kölcsönhatás. Ezt a minimális távolságot kettejük között kell megfeleznünk. Ez tehát az egyik fajta számítási mód. Az így kapott távolság neve van der Waals sugár. A másik módszer olyan atomok esetén alkalmazható, amelyek egyazon elem atomjai, és kémiai kötésben vannak egymással. Ezek az atomok kovalens kötéssel kapcsolódnak egymáshoz. A kovalens kötésről már szót ejtettünk korábban. A legegyszerűbb esetben kovalens kötés két atom között alakul ki. Ez az egyik atomnak a magja, ez pedig a másiké. Ezek az atomok megosztják egymással az elektronjaikat, így az elektronfelhőik átfedik egymást. A kovalens kötésben részt vevő elektronok az idő egy részében ehhez az atomhoz vannak közelebb, máskor pedig a másik atomhoz. Egy ilyen kovalens kötés esetében meghatározhatjuk a két atommag távolságát, és ennek a felét nevezzük atomsugárnak. Ezek tehát különböző megközelítési módok. Most, hogy ezen túljutottunk, térjünk rá arra, hogy milyen szabályszerűségek szerint változik az atomok mérete, illetve sugara a periódusos rendszerben. Először azt gondoljuk át, hogy milyen tendencia tapasztalható az atomsugarak változásában egy adott periódusba tartozó atomok esetében. Válasszuk például a negyedik periódust, a káliumtól a kriptonig. Mit gondolsz, milyen tendencia érvényesül itt? Ha a szélsőségekre koncentrálnál: vajon a káliumnak a kriptonhoz képest mekkora az atomsugara? Javaslom, hogy itt állítsd meg a videót, hogy ezt önállóan végiggondold. Nos, a negyedik periódusban a külső elektronok a negyedik héjon vannak. Itt épül be a 4s1 és a 4s2 elektron, majd visszatérünk a 3d alhéj feltöltéséhez, ezután pedig a negyedik héj töltődik tovább. Itt kezdődik a 4p alhéj kiépülése. A káliumtól a kriptonig tehát a külső, negyedik elektronhéj töltődik fel. Tehát mi is történik itt? A káliumatomban 19 proton van. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19. 19 proton és 19 elektron. Ezeket is iderajzolom. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, ám csupán egyetlen elektron van a külső, a negyedik elektronhéjon. Vegyük úgy, hogy ez az az elektron csak a szemléletesség kedvéért. Nem kell feltétlenül éppen itt lennie, csak a szemléltetés miatt rajzolom ide. Itt van tehát egyetlenegy elektron és 19 proton. Itt lép fel az úgynevezett Coulomb-erő, amely vonzásában tartja az elektront. A kripton esetében azonban sokkal nagyobb pozitív töltést találunk az atommagban. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8... Nem számolom végig, összesen 36. 36 egységnyi pozitív töltés. Ezt ideírom: +36 Az előbbi esetben +19 volt. Emellett van 36 elektron. Nem biztos, hogy pontosan annyit rajzoltam, de a külső héjon, a negyediken 2 s elektron és 6 p elektron van. Azaz 8 elektron van a külső héjon. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8. Ez úgy is értelmezhető, hogy ha a középpontban több a pozitív töltés, a külső héjon pedig több a negatív töltés, a külső héjat erősebb vonzóerő húzza befelé. Ebben az esetben a Coulomb-vonzás erősebb. Emiatt a külső héj beljebb húzódik. A kriptonatom emiatt kisebb, az atomsugara rövidebb, mint a káliumé. Az általános tendencia az, hogy jobb kéz felé haladva általában azt mondhatjuk, hogy az atomok egyre kisebbek jobb felé haladva egy periódusban. Ebből következik, hogy a legeslegkisebb atomok nem a hidrogénatomok, hanem a héliumatomok. A héliumatomok kisebbek a hidrogénatomoknál. Ez attól is függ, hogy milyen módszerrel mérjük. Ennek oka, ha a legegyszerűbb esetet, a hidrogénatomot nézzük, 1 proton van az atommagban, és 1 elektron az 1s alhéjon. A héliumatom magjában 2 proton van. A neutronokat most nem jelölöm, nem foglalkozunk a különböző izotópokkal, amelyekben eltérő számú neutron található. A külső héján 2 elektron van. Így ebben az esetben erősebb Coulomb-vonzás lép fel. Itt van 2 pozitív töltés, meg összesítve 2 negatív töltés. Ez utóbbiakat befelé húzza a vonzóerő. Ez a szabályszerűség balról jobbra haladva. A periódusos rendszerben jobb kéz felé csökken az atomok mérete. Vajon mit tapasztalunk, ha lefelé haladunk a periódusos rendszerben? Azaz egy adott csoportban felülről lefelé haladva? Nos, ahogy lefelé haladunk, a csoport minden egyes eleme egy következő periódusban helyezkedik el. Mindig egy újabb héj kezd kiépülni. Újabb és újabb héjak jelennek meg. Itt még csak egy héj van, itt már van egy második is, és minden héj egyre távolabbra kerül az előzőektől. Vagyis amint lefelé haladunk a periódusos rendszerben, az atomok mérete egyre növekszik. Az atomok sugara egyre nő, a mérési módszertől is függő mértékben. Mi tehát az általános tendencia? Ha a méret lefelé haladva növekszik, akkor felfelé haladva csökken. Egyre kisebb és kisebb lesz felfelé. Akkor tehát melyik atom lesz a legkisebb? Nos, mint már mondtuk, a héliumatom a legkisebb. És melyek lesznek a legnagyobb atomok? Nos, ezek, itt a bal alsó sarokban. Ezek a nagyok, ezek pedig a kicsik. A nagyok itt, a kicsik ott. Az általános tendencia pedig az, hogy a bal alsó saroktól a jobb felső sarok felé haladva az atomok mérete egyre csökken.