Puoi vedere che all’aumentare del numero di protoni nel nucleo dello ione, gli elettroni vengono attirati più vicino al nucleo. I raggi degli ioni isoelettronici cadono quindi attraverso questa serie.
Domande per verificare la tua comprensione
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domande sul raggio atomico e ionico
risposte
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Le dimensioni relative degli ioni e degli atomi
Probabilmente non te ne sarai accorto, ma in nessuna parte di ciò che hai letto finora c’è stato bisogno di parlare delle dimensioni relative degli ioni e degli atomi da cui provengono. Né (per quanto posso dire dai syllabus) nessuno degli attuali esami basati sul Regno Unito per i 16 – 18 anni chiede specificamente questo nei loro syllabus.
Tuttavia, è molto comune trovare affermazioni sulle dimensioni relative di ioni e atomi. Sono abbastanza convinto che queste affermazioni siano sbagliate, e vorrei attaccare il problema di petto piuttosto che ignorarlo.
Importante!
Per 10 anni, fino a quando ho riscritto questa sezione sul raggio ionico nell’agosto 2010, ho incluso ciò che si trova nel riquadro sottostante. Troverete queste stesse informazioni e spiegazioni in tutti i tipi di libri e su qualsiasi numero di siti web rivolti a questo livello. Almeno un programma di livello A non britannico ha una dichiarazione che chiede specificamente questo.
Gli ioni non sono della stessa dimensione degli atomi da cui provengono. Confronta le dimensioni degli ioni di sodio e cloruro con quelle degli atomi di sodio e cloro.
Gli ioni positivi sono più piccoli degli atomi da cui provengono. Il sodio è 2,8,1; Na+ è 2,8. Hai perso un intero strato di elettroni, e i restanti 10 elettroni sono stati tirati dentro dalla piena forza di 11 protoni.
Ioni negativi
Gli ioni negativi sono più grandi degli atomi da cui provengono. Il cloro è 2,8,7; Cl- è 2,8,8. Anche se gli elettroni sono ancora tutti nel livello 3, la repulsione extra prodotta dall’elettrone in arrivo fa espandere l’atomo. Ci sono ancora solo 17 protoni, ma ora devono contenere 18 elettroni.
Tuttavia, sono stato sfidato da un insegnante esperto sulla spiegazione dello ione negativo, e questo mi ha costretto a pensarci attentamente per la prima volta. Ora sono convinto che i fatti e la spiegazione relativa agli ioni negativi sono semplicemente illogici.
Per quanto ne so, nessun programma britannico menziona le dimensioni relative degli atomi e degli ioni (ad agosto 2010), ma dovreste controllare i documenti passati e gli schemi di valutazione per vedere se le domande sono state fatte di nascosto.
Il resto di questa pagina discute i problemi che posso vedere, ed è veramente rivolto agli insegnanti e ad altri, piuttosto che agli studenti.
Se sei uno studente, guarda attentamente il tuo programma, le domande e gli schemi di valutazione degli esami passati, per scoprire se hai bisogno di sapere questo. Se non hai bisogno di saperlo, smetti di leggere ora (a meno che, naturalmente, non ti interessi un po’ di polemica!).
Se hai bisogno di saperlo, allora dovrai imparare quello che c’è nella scatola, anche se, come credo, è sbagliato. Se ti piace che la tua chimica sia semplice, ignora il resto della pagina, perché rischi di confonderti su ciò che devi sapere.
Se hai una conoscenza esperta di questo argomento, e puoi trovare qualche difetto in ciò che sto dicendo, allora contattami tramite l’indirizzo nella pagina su questo sito.
Scegliere il giusto raggio atomico con cui confrontare
Questo è il cuore del problema.
I diagrammi nel riquadro sopra, e quelli simili che troverete altrove, usano il raggio metallico come misura del raggio atomico per i metalli, e il raggio covalente per i non metalli. Voglio concentrarmi sui non-metalli, perché è lì che si trova il problema principale.
Si è, naturalmente, perfettamente liberi di confrontare il raggio di uno ione con qualsiasi misura di raggio atomico si scelga. Il problema sta nel mettere in relazione la scelta del raggio atomico con la “spiegazione” delle differenze.
È perfettamente vero che gli ioni negativi hanno raggi significativamente più grandi del raggio covalente dell’atomo in questione. E l’argomento è che la ragione di ciò è che se si aggiungono uno o più elettroni extra all’atomo, le repulsioni interelettroniche fanno espandere l’atomo. Quindi lo ione negativo è più grande dell’atomo.
Questo mi sembra completamente incoerente. Se aggiungi uno o più elettroni extra all’atomo, non li stai aggiungendo ad un atomo legato covalentemente. Non puoi semplicemente aggiungere elettroni ad un atomo di cloro legato covalentemente, per esempio – gli elettroni esistenti del cloro si sono riorganizzati in nuovi orbitali molecolari che legano gli atomi insieme.
In un atomo legato covalentemente, semplicemente non c’è spazio per aggiungere elettroni extra.
Quindi se vuoi usare la spiegazione della repulsione degli elettroni, l’implicazione è che stai aggiungendo elettroni extra ad un atomo grezzo con una semplice disposizione degli elettroni non combinati.
In altre parole, se si stesse parlando, ad esempio, di cloro, si sta aggiungendo un elettrone extra al cloro con una configurazione di 2,8,7 – non ad atomi di cloro covalentemente legati in cui la disposizione degli elettroni è stata alterata dalla condivisione.
Questo significa che il confronto che si dovrebbe fare non è con il raggio covalente accorciato, ma con il raggio di van der Waals molto più grande – l’unica misura disponibile del raggio di un atomo non legato.
Quindi cosa succede se si fa questo confronto?
Gruppo 7
| raggio di van der Waals (nm) | raggio ionico di X- (nm) | ||
|---|---|---|---|
| F | 0.147 | 0,133 | |
| Cl | 0,175 | 0,181 | |
| Br | 0,185 | 0,196 | |
| I | 0,198 | 0.220 |
Gruppo 6
| raggiovdW (nm) | raggio ionico di X2- (nm) | ||
|---|---|---|---|
| O | 0.152 | 0,140 | |
| S | 0,180 | 0,184 | |
| Se | 0,190 | 0.198 | |
| Te | 0.206 | 0.221 |
Gruppo 5
| raggiovdW (nm) | raggio ionico di X3- (nm) | ||
|---|---|---|---|
| N | 0.155 | 0.171 | |
| P | 0.180 | 0.212 |
Come abbiamo già discusso sopra, le misure dei raggi ionici sono piene di incertezze. Questo vale anche per i raggi di van der Waals. La tabella usa una particolare serie di valori a scopo di confronto. Se usi dati da fonti diverse, troverai differenze nei modelli – incluso quale delle specie (ione o atomo) è più grande.
Questi valori di raggio ionico sono per ioni 6-coordinati (con un leggero punto interrogativo sulle cifre degli ioni nitruro e fosfuro). Ma ricorderete che ho detto che il raggio ionico cambia con la coordinazione. L’azoto è un esempio particolarmente buono di questo.
4 ioni nitruro coordinati hanno un raggio di 0,146 nm. In altre parole, se si guarda una delle coordinazioni, lo ione nitruro è più grande dell’atomo di azoto; nell’altro caso, è più piccolo. Fare un’affermazione generale che gli ioni di nitruro sono più grandi o più piccoli degli atomi di azoto è impossibile.
Quindi cosa si può dire dei fatti?
Per la maggior parte, ma non per tutti, gli ioni negativi, il raggio dello ione è più grande di quello dell’atomo, ma la differenza non è così grande come viene mostrato se si confrontano erroneamente i raggi ionici con quelli covalenti. Ci sono anche importanti eccezioni.
Non vedo come si possano fare delle vere generalizzazioni su questo, date le incertezze dei dati.
E cosa si può dire della spiegazione?
Se ci sono delle repulsioni elettrone-elettrone aggiuntive sull’aggiunta di elettroni extra, devono essere abbastanza piccole. Questo è particolarmente dimostrato se si considerano alcune coppie di ioni isoelettronici.
Si potrebbe pensare che se la repulsione fosse un fattore importante, allora il raggio di, diciamo uno ione solfuro, con due cariche negative sarebbe significativamente più grande di uno ione cloruro con una sola. La differenza dovrebbe in realtà essere ancora più marcata, perché gli elettroni del solfuro sono trattenuti solo da 16 protoni piuttosto che da 17 nel caso del cloro.
In base a questa teoria della repulsione, lo ione solfuro non dovrebbe essere solo un po’ più grande di uno ione cloruro – dovrebbe essere molto più grande. Lo stesso effetto è mostrato con selenuro e bromuro, e con ioni tellururo e ioduro. Nell’ultimo caso, non c’è praticamente nessuna differenza nelle dimensioni degli ioni 2- e 1-.
Quindi, se c’è qualche repulsione che gioca un ruolo in questo, certamente non sembra che giochi un ruolo importante.
Che dire degli ioni positivi?
Che si scelga di usare i raggi di van der Waals o i raggi metallici come misura del raggio atomico, per i metalli il raggio ionico è più piccolo di entrambi, quindi il problema non esiste nella stessa misura. È vero che il raggio ionico di un metallo è inferiore al suo raggio atomico (per quanto siate vaghi nel definirlo).
La spiegazione (almeno finché si considerano solo gli ioni positivi dei gruppi 1, 2 e 3) in termini di perdita di uno strato completo di elettroni è anche accettabile.
Conclusione
Mi sembra che, per gli ioni negativi, sia completamente illogico confrontare i raggi ionici con quelli covalenti se si vuole usare la spiegazione della repulsione elettronica.
Se si confrontano i raggi ionici degli ioni negativi con i raggi di van der Waals degli atomi da cui provengono, le incertezze dei dati rendono molto difficile fare delle generalizzazioni affidabili.
La somiglianza nelle dimensioni delle coppie di ioni isoelettronici dei gruppi 6 e 7 mette in discussione l’importanza della repulsione in qualsiasi spiegazione.
Ho passato più di una settimana a lavorare su questo, e a discuterne con il contributo di alcune persone molto competenti, non credo che ci sia una spiegazione abbastanza semplice da dare alla maggior parte degli studenti a questo livello. Mi sembrerebbe meglio che queste idee sulle dimensioni relative degli atomi e degli ioni siano semplicemente abbandonate.
A questo livello, si possono descrivere e spiegare semplici tendenze periodiche nei raggi atomici nel modo in cui ho fatto più avanti in questa pagina, senza nemmeno pensare alle dimensioni relative degli atomi e degli ioni. Personalmente, sarei più che felice di non pensarci più per il resto della mia vita!
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