Czytaj dalej

Pytanie Ogórka: Zasta­na­wia­łem się ostatnio nad roz­mia­rami atomu. Zdaję sobie sprawę, że są one bardzo małe, że w ziarenku soli można ich znaleźć miliardy. Zacząłem się jednak zasta­na­wiać, czy wszyst­kie atomy cechują iden­tyczne lub chociaż zbliżone rozmiary? Czy jeżeli przy­kła­dowy uran jest wie­lo­krot­nie masyw­niej­szy i bardziej złożony od wodoru, ma również znacznie większy promień?

Zacznijmy od uści­śle­nia przed­miotu pytania. Atom jest złożoną struk­turą z gęstym jądrem pośrodku, oto­czo­nym przez znacznie mniejsze, ruchliwe elek­trony. Aby poznać jego promień musimy zatem wyzna­czyć odle­głość pomiędzy atomowym jądrem a krań­co­wymi elektronami.

W innych tekstach uczu­la­łeś, że atom i budujące go cząstki w niczym nie przy­po­mi­nają dużych obiektów, ze względu na mecha­nikę kwantową i takie tam. Tutaj nato­miast trak­tu­jemy atom jak jakąś kulę z jasno okre­ślo­nym promieniem?

Słuszna uwaga. Chmura elek­tro­nowa nie posiada ostrej granicy, zaś praw­do­po­do­bień­stwo spo­tka­nia elek­tronu spada stop­niowo wraz z odle­gło­ścią od jądra. Na szczę­ście fizycy potrafią być kre­atywni. W tej sytuacji wymy­ślili, że naj­le­piej wziąć pod lupę sub­stan­cję z upo­rząd­ko­wa­nymi, sty­ka­ją­cymi się atomami tego samego pier­wiastka, następ­nie zmierzyć odle­głość pomiędzy dwoma jądrami (tech­nicz­nie naj­ła­twiej­szymi do zlo­ka­li­zo­wa­nia) i po prostu podzie­lić ją na pół[1]. Nie jest to może szcze­gól­nie wyra­fi­no­wana metoda, ale pozwala sku­tecz­nie osza­co­wać promień więk­szo­ści pierwiastków.

Promień van der Waalsa i promień kowalencyjny.
Promień można osza­co­wać przez zmie­rze­nie dystansu pomiędzy jądrami dwóch sąsia­du­ją­cych atomów i podzie­le­nie go na pół. Trzeba jednak mieć na uwadze, że atomy połą­czone wią­za­niem che­micz­nym i współ­dzie­lące elek­trony będą nieco “spłasz­czone”.

To już chyba chemia, a od chemii zaczynam kisnąć. Przejdźmy lepiej do samych wielkości.

W praktyce długość pro­mie­nia ato­mo­wego mieści się zwykle w gra­ni­cach od kil­ku­dzie­się­ciu do kilkuset piko­me­trów (10-12 m), czyli bilio­no­wych części metra. Z naszej per­spek­tywy to nie­wia­ry­god­nie mała liczba, ale warto zauważyć, że już dla cząstek ele­men­tar­nych taka prze­strzeń jest ogromna. Promień samego jądra mierzy zwykle mniej niż 10 fem­to­me­trów (10-15 m). Innymi słowy, protony i neutrony kumu­lu­jące w sobie 99,9% masy całego atomu, nie stanowią nawet tysięcz­nej części jego obję­to­ści. Zostawmy to jednak na mar­gi­ne­sie i wróćmy do posta­wio­nego pytania. 

Tak, poszcze­gólne atomy różnią się wiel­ko­ściami. Mało tego, nawet dwa atomy tego samego pier­wiastka – bliź­nia­cze pod względem struk­tury – w pewnych oko­licz­no­ściach mogą posiadać zupełnie inny promień.

To znaczy, że w dwóch atomach wodoru elektron może obiegać jądro w różnej odległości?

Dokład­nie. Wystar­czy dostar­czyć mu odpo­wied­niego “kopa”. Kiedy atom wodoru prze­cho­dzi w stan wzbu­dzony, elektron dokonuje skoku (liczę, że jesteś po lekturze ogór­ko­wego tekstu wyja­śnia­ją­cego czym są kwanty i skoki kwantowe) na wyższy poziom ener­ge­tyczny. To oznacza, że tym­cza­sowo promień atomu znacznie wzrośnie. Rozrzut pomiędzy stanem pod­sta­wo­wym, a kolej­nymi stanami wzbu­dzo­nymi może być kolo­salny (co widać choćby po roz­miesz­cze­niu prążków widma emi­syj­nego). Przy­kła­dowo, jeżeli elektron wskoczy na drugi dostępny szczebel ener­ge­tyczny, atom wodoru urośnie czte­ro­krot­nie; a na trzecim poziomie spuchnie nawet dziewięciokrotnie.

Może i tak, ale atom w końcu zwróci energię, elektron spadnie i wszystko wróci do normy. Bardziej mnie inte­re­suje, co z atomami w stanie pod­sta­wo­wym i różnymi pier­wiast­kami? Czy atom sto razy masyw­niej­szy od drugiego, będzie również sto razy większy?

Różne pier­wiastki mają różne wiel­ko­ści, ale nie wystę­puje tu wcale prosta zależ­ność między masą a roz­mia­rem. Promień litu – naj­lżej­szego pier­wiastka zaraz po wodorze i helu – mierzy 170 piko­me­trów. Sporo. Czyni to atom litu znacznie obszer­niej­szym m.in. od atomu węgla (70 pm), tlenu (50 pm), fluoru (40 pm), a nawet żelaza (160 pm). Ogólnie, naj­dłuż­szym pro­mie­niem wyno­szą­cym niemal 300 pm, może pochwa­lić się zupełnie prze­ciętny pod względem masy cez.

Chcesz mi powie­dzieć, że nie ma tu żadnego porządku, żadnej zależności?

Jest, jeśli się dobrze przyj­rzeć. O roz­mia­rach atomów decydują głównie dwa czynniki. Pierwszy to liczba powłok elek­tro­no­wych ota­cza­ją­cych jądro atomowe.

Kisnę…

Może inaczej. Kwantowe reguły[2] bywają bardzo restryk­cyjne i decydują o roz­miesz­cze­niu elek­tro­nów wokół jądra ato­mo­wego. Każdy elektron chciałby zająć fotel w naj­niż­szym rzędzie tuż pod sceną, ale liczba miejsc jest ściśle ogra­ni­czona, więc przy dużej liczbie gości zapeł­niane są kolejne, wyższe rzędy. To właśnie nasze powłoki. Nie ma chyba nic dziwnego w tym, że atom dys­po­nu­jący tylko jedną powłoką, będzie znacznie szczu­plej­szy od tego z pięcioma lub sze­ścioma. Prze­kła­da­jąc to na układ okresowy (taką kolorową planszę, która na pewno zdobiła jedną ze ścian Twojej pracowni che­micz­nej), rozmiary pier­wiast­ków rosną zwykle w każdej kolumnie (grupie), z góry na dół. Sód posiada większy promień od litu, potas od sodu, rubid od potasu, a cez od rubidu.

Wielkości atomów na układzie okresowym
Długość pro­mie­nia dla poszcze­gól­nych pier­wiast­ków, wyrażona w piko­me­trach. Co do zasady, rozmiary atomów rosną z góry na dół oraz od prawej do lewej.

Atomy o większej liczbie powłok są szersze od tych, które mają tych powłok mniej. Dobra, chwytam to.

Drugi czynnik, związany jest z liczbą atomową[3] (ozna­czaną literą Z). I tu trafiamy na coś nie­in­tu­icyj­nego. Jeżeli dwa pier­wiastki mają tyle samo powłok elek­tro­no­wych, zwykle większy promień będzie miał ten zawie­ra­jący mniej (!) protonów i elek­tro­nów. Węgiel (Z=6) jest większy od azotu, azot (Z=7) jest większy od tlenu, a tlen (Z=8) jest większy od fluoru (Z=9). Zerkając znów na układ okresowy, dostrze­żemy, że w poszcze­gól­nych rzędach (okresach) pier­wiastki maleją od lewej do prawej – w miarę wzra­sta­nia ich liczby atomowej.

Porównanie wielkości atomów cezu i polonu.
Cez posiada mniej protonów i elek­tro­nów od polonu, jednak jego rozmiary są wyraźnie większe (grafika wyłącz­nie poglądowa).

Czyli różne pier­wiastki mogą posiadać np. dwie powłoki elek­tro­nowe, a mimo to mieć odmienne rozmiary? To chyba oznacza, że w jednym przy­padku powłoki będą szersze, a w innym węższe. Tylko dlaczego?

Dokład­nie tak. Wynika to z oddzia­ły­wań pomiędzy cząst­kami. Jak pewnie wiesz, jądro atomu pozo­staje obda­rzone dodatnim ładun­kiem elek­trycz­nym, dzięki czemu utrzy­muje w ryzach ujemnie nała­do­wane elek­trony. Cięższe jądro, wypo­sa­żone w większą liczbę protonów mocniej przy­ciąga ota­cza­jące je elek­trony, kurcząc ich “orbity”. Siły elek­tro­sta­tyczne pomiędzy sze­ścioma pro­to­nami i sze­ścioma elek­tro­nami w atomie węgla, są po prostu słabsze od wza­jem­nego oddzia­ły­wa­nia dzie­wię­ciu protonów i dzie­wię­ciu elek­tro­nów w atomie fluoru. Efekt jest taki, że zewnętrzna (w tym przy­padku druga) powłoka elek­tro­nowa fluoru znajduje się o 20 piko­me­trów bliżej jądra niż w przy­padku węgla.

Oczy­wi­ście atom to dyna­miczny i złożony mecha­nizm, a na dokładny wynik mają wpływ również wzajemne oddzia­ły­wa­nia między samymi elek­tro­nami oraz pomniej­sze efekty kwantowe. Jednak co do zasady, promień atomu waha się się od 50 do 300 pm i nie ma to zbyt wiele wspól­nego z jego masą.

[+]
Autor
Adam Adamczyk

Adam Adamczyk

Naukowy totalitarysta. Jeśli nie chcesz aby wpadli do Ciebie naukowi bojówkarze, zostaw komentarz.