Raggi atomici e carica nucleare efficace

Gli elementi in gruppi della tavola periodica mostrano un comportamento chimico simile. Questa somiglianza si verifica perché i membri di un gruppo hanno lo stesso numero e distribuzione di elettroni nei loro gusci di valenza.

Attraversando un periodo da sinistra a destra, un protone viene aggiunto al nucleo e un elettrone al guscio di valenza con ogni elemento successivo. Scendendo gli elementi di un gruppo, il numero di elettroni nel guscio di valenza rimane costante, ma il numero quantico principale aumenta di uno ogni volta. La comprensione della struttura elettronica degli elementi ci permette di esaminare alcune delle proprietà che governano il loro comportamento chimico. Queste proprietà variano periodicamente man mano che cambia la struttura elettronica degli elementi.

Variazione nel raggio atomico

L’immagine meccanica quantistica rende difficile stabilire una dimensione definita di un atomo. Tuttavia, ci sono diversi modi pratici per definire il raggio degli atomi e, quindi, determinare le loro dimensioni relative che danno valori approssimativamente simili.

Il raggio atomico nei metalli è la metà della distanza tra i centri di due atomi vicini. È la metà della distanza tra i centri degli atomi legati per gli elementi che esistono come molecole biatomiche.

Spostandosi in un punto da sinistra a destra, in genere, ogni elemento ha un raggio atomico più piccolo dell’elemento che lo precede. Questo potrebbe sembrare controintuitivo perché implica che gli atomi con più elettroni hanno un raggio atomico più piccolo. Ciò può essere spiegato sulla base del concetto di una carica nucleare efficace. In ogni atomo multi-elettrone, gli elettroni del guscio interno proteggono parzialmente gli elettroni del guscio esterno dall’attrazione del nucleo.  Pertanto, la carica nucleare effettiva, la carica avvertita da un elettrone, è inferiore alla carica nucleare effettiva (Z) e può essere stimata per quanto segue:

Z_eff = Z – σ

dove, Z_eff è la carica nucleare effettiva, Z è la carica nucleare effettiva, e σ è la costante di schermatura, dove la costante di schermatura è maggiore di zero ma più piccola di Z.

Ogni volta che ci spostiamo da un elemento all’altro in un periodo, Z aumenta di uno, ma la schermatura aumenta solo leggermente. Pertanto, Z_eff aumenta man mano che ci spostiamo da sinistra a destra attraverso un periodo. L’attrazione più forte (carica nucleare effettiva più elevata) sperimentata dagli elettroni sul lato destro della tavola periodica li avvicina al nucleo, rendendo i raggi atomici più piccoli.

Gli elettroni del nucleo proteggono efficacemente gli elettroni nel livello principale più esterno dalla carica nucleare, ma gli elettroni più esterni non si proteggono efficacemente l’un l’altro dalla carica nucleare. Maggiore è la carica nucleare effettiva, più forte è la tenuta del nucleo sugli elettroni esterni e minore è il raggio atomico.

Tuttavia, i raggi di alcuni elementi di transizione rimangono approssimativamente costanti su ogni riga. Questo perché il numero di elettroni nel livello di energia principale più esterno è quasi costante, e sperimentano una carica nucleare effettiva approssimativamente costante.

All’interno di ogni periodo, la tendenza nel raggio atomico diminuisce con l’aumentare della Z;  All’interno di ogni gruppo, la tendenza è che il raggio atomico aumenta con l’aumentare della Z.

La scansione di un gruppo, il numero quantico principale, n, aumenta di uno per ogni elemento. Così, gli elettroni vengono aggiunti a una regione dello spazio che è sempre più distante dal nucleo. Di conseguenza, la dimensione dell’atomo (e il suo raggio atomico) deve aumentare man mano che aumentiamo la distanza degli elettroni più esterni dal nucleo. Questa tendenza è illustrata per i raggi atomici degli alogeni nella tabella seguente.

Questo testo è adattato da Openstax Chemistry 2e, Sezione 6.5: Variazioni periodiche nelle proprietà degli elementi.