مقایسه شیب نمودار تغییرات شعاع اتمی فلزات دوره سوم با نافلزات همان دوره

چرا شیب نمودار تغییرات شعاع اتمی فلزات دوره سوم شدیدتر از نافلزات همان دوره است. این مبحث در مورد تغییرات شعاع اتمی در کتاب شیمی یازدهم دبیرستان می باشد که در ادامه از جم شیمی به بررسی و جواب به این سوال می پردازیم که توسط دکتر کوتی استاد شیمی معدنی دانشگاه اهواز مورد بررسی و پاسخ قرار گرفته است. نکات شعاع اتمی شیمی یازدهم و آموزش و تعریف شعاع اتمی در ادامه مطالعه و دانلود کنید.

شعاع اتمی در شیمی اهمیت زیادی دارد زیرا خواص عناصر و فعالیت آن ها به آن ارتباط دارند. با این وجود، این کمیت در مراجع و کتاب های مختلف به طور متفاوت تعریف شده است و خیلی شفاف نیست. یکی از تعاریف این است که شعاع اتمی عبارت از فاصله بین هسته یک اتم و نقطه ای در اطراف هسته که حد اکثر دانسیته الکترونی وجود داشته باشد. این را شعاع اتمی محاسبه‌ای می گویند (Calculated)، چون با روش های محاسباتی کوانتوم مکانیک بدست می آید.

نوع دیگر شعاع اتمی، شعاع کووالانسی است. این شعاع برابر با نصف فاصله بین هسته های دو اتم یکسان، یا نصف طول پیوند بین دو اتم، مثلا طول پیوند مولکول کلر 1.98 آنگستروم یا 198 پیکومتر است و بنابراین شعاع کووالانسی کلر برابر با 99 پیکومتر می شود.

بعضی از اتم ها می توانند با یکدیگر پیوندهای یگانه دو گانه یا سه گانه تشکیل دهند و بدیهی است که هر چه تعداد پیوندها بیشتر باشد طول پیوند کوتاهتر و شعاع کووالانسی آن اتم کوچکتر می شود. مثلا طول پیوند N-N سه‌گانه، دوگانه و یگانه به ترتیب 109، 134 و 147 پیکومتر است و شعاع کووالانسی نیتروژن در هر کدام از اینها نصف پیوندش خواهد بود که خیلی با هم اختلاف دارند.

یکی از روش های تعیین طول پیوند مولکول های گازی دو اتمی جورهسته، مثل Cl2، روش اسپکتروسکوپی مایکروویو هست. برای عناصری که ترکیبات جامد کووالانسی تشکیل می دهند، مانند کربن، بور، فسفر و … طول پیوند با روش پراش اشعه ایکس تعیین می شود و به دنبال آن شعاع اتمی بدست می آید. مثلا طول پیوند C-C در الماس 154 پیکومتر است و بنابراین شعاع اتمی کربن 77 پیکومتر بدست می آید. حال اگر بجای الماس، طول پیوند کربن -کربن در گرافیت در نظر گرفته شود، طول این پیوند 142 پیکومتر است و در نتیجه شعاع اتمی کربن 71 پیکومتر می شود.

بنابراین برای این که مقایسه درستی داشته باشیم، وقتی از شعاع کووالانسی صحبت می شود پیوند یگانه بین دو اتم مد نظر است، مگر این که چیز دیگری ذکر شده باشد. یک مثال دیگر، طول پیوند S-S در گوگرد جامد و مولکول S₂ به ترتیب 189 و 206 پیکومتر است پس شعاع اتمی گوگرد که در اغلب مراجع 102 پیکومتر گزارش می شود مربوط به گوگرد است نه مولکول دو اتمی S₂.

شعاع اتمی سوم، شعاع فلزی یا شعاع بلوری است، که برای فلزات در نظر گرفته می شود و برابر با نصف فاصله بین هسته های دو اتم مجاور فلز است که با هم در شبکه بلوری فلز پیوند فلزی دارند. این شعاع ها خیلی دقیق قابل اندازه گیری هستند و روش مورد استفاده پراش اشعه ایکس است. گرچه، شعاع اتمی فلزات نیز با نوع شبکه بلوری و عدد کووردیناسیون فلز در شبکه تغییر می کند.

آخرین شعاع، شعاع واندروالس است که فکر نمی کنم نیازی به توضیح دارد. فاصله بین مراکز دو اتم که با یکدیگر تماس دارند و الکترون به اشترک نگذاشته اند. مقادیر این چهار شعاع برای اتم منیزیم Mg به صورت زیر است ، مقادیر برحسب پیکومتر pm (هر pm برابر با ^12-10 متر است).
اتمی 145، کووالانسی130، فلزی 86 واندروالس 173 پیکومتر می باشد.

 پس متوجه می شویم که چرا مقادیر مختلفی برای شعاع های اتمی در مراجع داده شده است.مثلا، شعاع اتمی محاسبه ای آنهایی که در قدیم محاسبه شده اند با جدید ممکن است متفاوت باشند چون محاسبات جدید دقیق تر هستند. شعاع کووالانسی باز بستگی به این که به چه صورت و برای چه حالتی اندازه گیری شده اند مقادیر فرق می کنند. بنابراین باید از مراجعی استفاده کنیم که تاحدی جدید باشند. منظور این است که در مرجع ذکر شده باشد که شعاع های اتمی از کدام منبع گرفته شده و منبع آن خیلی قدیمی نباشد.

این چندگانگی مقادیر شعاع های اتمی اصل موضوع را خدشه دار نمی کند و آن چه مهم است تغییرات منظم شعاع های اتمی در جدول تناوبی است که خیلی به ما کمک می کند. همچنین، این که در این بحث گفته شده که تغییرات شعاع اتمی در ابتدای تناوب از یک به یک اتم دیگر زیاد است و در اواخر تناوب تغییرات ملابم می شود کاملا درست است.

فراموش نکنیم که ما از فلزات به سمت غیر فلزات حرکت می کنیم. در ابتدا با زیاد شدن تعداد الکترون ها و بار موثر هسته ای پیوند محکم‌تر می شود و شعاع اتمی کاهش می بابد، توجه کنید که با زیاد شدن تعداد الکترون ها پیوند محکم‌تر می شود! اما، در آخر تناوب، درست است که بار موثر هسته به تدریج زیاد می شود اما زیاد شدن تعداد الکترون ها، مثل آن چه که برای عناصر ابتدای تناوب داریم ، سبب افزایش استحکام پیوند نمی شوند چون برای همه آنها ما پبوند یگانه در نظر می گیریم.

این تراکم الکترونها نقش دافعه بین اتمها هم دارند ( یادمان باشد که هر چه پیوند بین دو اتم محکم‌تر باشد شعاع های اتمی آنها کوچکتر خواهد شد). بنابراین، درست است که بار موثر هسته بالا می رود اما پیوندهای کووالانسی که مبنای محاسبه طول پیوند و شعاع اتمی است استحکام خیلی زیادی پیدا نمی کنند. به همین دلیل است که شعاع های اتمی برای عناصر Si, P, S. و Cl خیلی بهم نزدیک هستند.

این امر بخوبی در نمودار 1 صفحه 13 کتاب شیمی (2) پایه یازدهم منعکس شده است. در حالی که بین شعاع های اتمی سدیم، منیزیم و آلومینیوم حدود 20 پیکومتر اختلاف هست برای عناصر سمت راست اختلاف شعاع اتمی بین دو عنصر همسایه ده پیکومتر یا کمتر است. در خاتمه تغییرات شعاع های اتمی برای فلزات واسطه روند دیگری دارد که بحث آن را به وقت دیگری موکول می کنم.