Atomisäde: määritelmä, mittaustavat ja jaksollisen järjestelmän trendit

Atomisäde: selkeä määritelmä, mittaustavat ja jaksollisen järjestelmän trendit — opi, miksi säde kasvaa ryhmissä ja pienenee jaksoissa.

Alkuaineen atomisäde voidaan ymmärtää yleisesti etäisyytenä ytimen ja elektronipilven reunan välillä. Koska elektronit muodostavat diffuusin pilven eikä niiden sijaintia voi määrittää yksiselitteisesti, atomisäde ei ole tarkka, yksiselitteinen suure, vaan riippuu määrittelytavasta ja mittaustavasta.

Määritelmät ja eri sädemuodot

Atomisädettä käytetään eri yhteyksissä eri tavoilla. Tavallisimmat määritelmät ja nimitykset ovat:

• Kovalenttinen säde – puolet samanlaisten atomien välisestä sidospituudesta molekyylissä tai kristallissa.
• Metallinen säde – puolet metalliatomien välimatkasta metallisessa kiteessä.
• Ioni­säde – ionin tehokas koko; kationit ovat yleensä pienempiä kuin vastaavat neutraalit atomit, anionit suurempia.
• van der Waals -säde – atomien lähin sallittu etäisyys toisistaan, kun niiden välillä ei ole sidosta (esim. kaasujen väliset etäisyydet).
• Bohrin säde – teoreettinen arvo vetyatomille (n. 0,529 Å = 52,9 pm), jota käytetään malliesimerkkinä.

Yleistettynä puhutaan usein atomin sädestä, mutta on tärkeää tietää, mitä sädemuotoa tarkoitetaan, kun vertaillaan arvoja.

Mittaustavat

Atomisäteen määritys perustuu joko suoriin mittauksiin tai teoreettisiin laskelmiin:

• X‑säteilykristallografia – määrittää atomien paikat kiteissä; sidospituuksista saadaan kovalenttisia tai metallisia säteitä.
• Spektroskopia – atomien energiatasorakenteesta ja siirtymistä voidaan päätellä elektronitiheyden jakaumia ja siten välillisesti tietoa säteistä.
• Leikitelliset etäisyysmittaukset – esimerkiksi van der Waals -säteen arviointi mittaamalla molekyylien välisiä kosketusetäisyyksiä aineen olomuodoissa.
• Teoreettiset laskelmat – kvanttimekaaniset menetelmät (Hartree–Fock, DFT ym.) antavat elektronitiheyksestä profiileja, joista voidaan määrittää esimerkiksi konturipintojen perusteella “efektiivinen” säde.

Kaikki menetelmät antavat hieman erilaisia arvoja, joten on tärkeää mainita käytetty määritelmä ja mittaustapa.

Jaksollisen järjestelmän trendit

Atomisäteen yleiset trendit jaksollisessa järjestelmässä ovat:

• Ryhmän (pystysuoraan) alaspäin mentäessä atomisäde yleensä kasvaa. Syynä on se, että elektronit lisätään uusiin, kauempana ytimesta oleviin kvanttitiloihin, jolloin elektronipilven ulkoreuna etääntyy ytimestä.
• Jakson (vaakasuoraan) oikealle mentäessä atomisäde yleensä pienenee. Tämä johtuu protonien lukumäärän kasvusta ytimessä, mikä lisää ydinvarauksen vetovoimaa. Vaikka elektronien määrä kasvaa, niiden välissä olevat sisemmät elektronikuoret eivät lisää suojausta riittävästi, jolloin ulkoelektronit vetäytyvät lähemmäs ydintä (efektiivinen ydinohje, Zeff kasvaa).

Näitä perusperiaatteita on kuitenkin syytä täydentää muutamilla poikkeuksilla ja tarkennuksilla:

• Siirtymämetallien alue – d‑elektronit eivät suojaa yhtä tehokkaasti kuin s‑elektronit, joten säde laskee jaksossa usein epätasaisemmin ja pienemmällä magnitudi‑muutoksella.
• Lanthanoidinen supistuma – lanthanoidien f‑elektronien huono suojaus aiheuttaa pienen odotettua pienemmän säteen alkuaineille niiden jälkeen (esim. 5d‑alkuaineet ovat pienempiä kuin pelkkä elektronikuorien lisääminen antaisi olettaa).
• Ionisoitumistila – alkuaineen hapettumisaste vaikuttaa: kationit ovat pienempiä (elektronien menetys vähentää elektronien repuuttavaa vaikutusta), anionit suurempia (elektronien lisääntyminen kasvattaa repulsiota).

Miksi atomisäde on tärkeä?

Atomisäde vaikuttaa moniin kemiallisiin ominaisuuksiin ja ilmiöihin, kuten:

• ionisaatioenergiaan ja elektronien sitoutumiseen,
• elektronegatiivisuuteen ja sidostyyppiin,
• reaktiivisuuteen (esim. metallien reaktiivisuus kasvaa usein, kun säde kasvaa),
• kiteiden ja molekyylien rakenteisiin ja sidospituuksiin.

Yhteenveto ja käytännön huomioita

Atomisäde on hyödyllinen käsite mutta käsite, joka pitää aina määritellä kontekstin mukaan. Eri lähteet ja tietokannat voivat antaa erilaisia arvoja riippuen siitä, onko kyse kovalenttisesta, metallisesta, ionisesta tai van der Waals -säteestä. Käytännössä kannattaa:

• mainita, mikä sädemääritelmä on käytössä,
• vertailla arvoja saman määritelmän puitteissa,
• ottaa huomioon jaksollisen järjestelmän trendit ja mahdolliset poikkeukset kuten lanthanoidinen supistuma ja siirtymämetallien käyttäytyminen.

Näin atomisäde toimii selkeänä työkaluna, joka auttaa ymmärtämään alkuaineiden kemiallista käyttäytymistä ja niiden välisiä suhteita.

Kysymyksiä ja vastauksia

Q: Mikä on atomisäde?

K: Miksi atomisädettä on vaikea määritellä?

K: Miten atomisäde vaihtelee, kun siirrytään jaksollisen järjestelmän ryhmässä alaspäin?

K: Miksi atomisäteellä on taipumus pienentyä siirryttäessä jaksossa oikealle?

K: Mikä on suojausvaikutus?

K: Mihin suuntaan atomisäde pyrkii kasvamaan jaksollisessa järjestelmässä?

K: Mihin suuntaan atomisäteellä on taipumus pienentyä jaksollisessa järjestelmässä?

Hae kirjaimella