Ионы радиус. Ионы хэмжээ. Ион ба болор радиус Элементүүдийн ионы радиус хүснэгт

Ионы радиусын асуудал нь онолын химийн гол асуудлын нэг бөгөөд нэр томъёо нь өөрөө юм. "ионы радиус"Ба" болор радиус"Харгалзах хэмжээсийг тодорхойлсон нь ион-ковалентын бүтцийн загварын үр дагавар юм. Радиусын асуудал нь үндсэндээ хүрээнд хөгждөг бүтцийн хими(болор хими).

Энэ үзэл баримтлал нь М.Лауэ (1912) рентген туяаны дифракцийг нээсний дараа туршилтаар батлагдсан. Дифракцийн эффектийн тайлбар нь Р.Коссель, М.Борн нарын бүтээлүүдэд ионы загварыг боловсруулж эхэлсэн үетэй бараг давхцаж байв. Дараа нь электрон, нейтрон болон бусад дифракц энгийн бөөмс, энэ нь цувралыг хөгжүүлэх үндэс суурь болсон орчин үеийн аргуудбүтцийн шинжилгээ (рентген, нейтрон, электрон дифракц гэх мэт). Радиусын тухай ойлголт нь торны энергийн тухай ойлголт, хамгийн ойр савлах онолыг боловсруулахад шийдвэрлэх үүрэг гүйцэтгэсэн бөгөөд Магнус-Голдшмидтийн дүрэм, Голдшмидт-Ферсманы изоморфизм гэх мэт дүрмүүдийг бий болгоход хувь нэмэр оруулсан.

1920-иод оны эхээр. Хоёр аксиомыг хүлээн зөвшөөрсөн: ионуудын нэг бүтцээс нөгөөд шилжих чадвар ба тэдгээрийн хэмжээсийн тогтмол байдал. Металл дахь цөмийн хоорондын хамгийн богино зайны талыг радиусаар авах нь нэлээд логик юм шиг санагдсан (Брагг, 1920). Хэсэг хугацааны дараа (Huggins, Slater) хоорондын хамаарлыг олж мэдсэн атомын радиусхаргалзах атомуудын валентийн электронуудын электрон нягтын максимум хүртэлх зай.

Асуудал ионы радиус (тийм ээ) нь арай илүү төвөгтэй юм. Рентген туяаны дифракцийн шинжилгээний дагуу ион ба ковалент талстуудад дараахь зүйл ажиглагдаж байна: (1) давхцах нягтын бага зэрэг шилжих нь илүү электрон сөрөг атом руу шилжих, түүнчлэн (2) бондын шугам дээрх хамгийн бага электрон нягт ( ойр зайд байгаа ионуудын электрон бүрхүүлүүд бие биенээ түлхэх ёстой). Энэ хамгийн бага нь радиусыг тооцоолох боломжтой бие даасан ионуудын контактын талбай гэж үзэж болно. Гэсэн хэдий ч цөмийн хоорондын зайны бүтцийн өгөгдлөөс бие даасан ионуудын хувь нэмрийг тодорхойлох арга, үүний дагуу ионы радиусыг тооцоолох арга замыг олох боломжгүй юм. Үүнийг хийхийн тулд та дор хаяж нэг ионы радиус эсвэл ионы радиусын харьцааг зааж өгөх ёстой. Тиймээс аль хэдийн 1920-иод онд. Ийм тодорхойлолтын хэд хэдэн шалгуурыг (Ланд, Полинг, Голдшмидт гэх мэт) санал болгож, бий болгосон. өөр өөр системүүдион ба атомын радиус (Аренс, Голдшмидт, Бокий, Захариазен, Паулинг) (дотоодын эх сурвалжид асуудлыг В.И. Лебедев, В.С. Урусов, Б.К. Вайнштейн нар дэлгэрэнгүй тайлбарласан байдаг).

Одоогийн байдлаар Шеннон ба Прюитийн ионы радиусуудын системийг хамгийн найдвартай гэж үздэг бөгөөд ионы радиус F“(r f0W F" = 1.19 A) ба O 2_ (r f0W O 2- = 1.26 A) нь анхны гэж тооцогддог. нэг (B.K. Weinstein-ийн монографиуд (эдгээрийг физик гэж нэрлэдэг). Бүх элементийн радиусын утгын багцыг олж авсан. үечилсэн хүснэгт, янз бүрийн исэлдэлтийн төлөв ба CN, түүнчлэн шилжилтийн металлын ионууд болон янз бүрийн эргэлтийн төлөвүүдийн хувьд (CN 6-ийн шилжилтийн элементүүдийн ионы радиусын утгыг Хүснэгт 3.1-д өгсөн болно). Энэхүү систем нь 0.01 А зэрэглэлийн хамгийн их ионы нэгдлүүд (фтор ба хүчилтөрөгчийн давс) дахь цөмийн хоорондын зайг тооцоолох нарийвчлалыг хангаж, бүтцийн өгөгдөлгүй ионуудын радиусыг үндэслэлтэй тооцоолох боломжийг олгодог. Тиймээс 1988 онд Шеннон-Прюитийн мэдээлэлд үндэслэн тухайн үед үл мэдэгдэх ионуудын радиусыг тооцоолсон. г- өндөр исэлдэлтийн төлөвт шилжилтийн металлууд нь дараагийн туршилтын өгөгдөлтэй нийцэж байна.

Хүснэгт 3.1

Шилжилтийн элементүүдийн зарим ионы радиус r (Шэннон ба Пруиттийн дагуу) (CN 6)

0.7 5 LS

Хүснэгтийн төгсгөл. 3.1

							0.75 лл

CC 4 ; б CC 2; LS-бага эргэлтийн төлөв; H.S.- өндөр эргэлтийн төлөв.

Ионы радиусын чухал шинж чанар нь CN хоёр нэгжээр өөрчлөгдөхөд ойролцоогоор 20% -иар ялгаатай байдаг. Тэдний исэлдэлтийн төлөв хоёр нэгжээр өөрчлөгдөхөд ойролцоогоор ижил өөрчлөлт гардаг. Эргүүлэх кроссовер

Үе үе үл хөдлөх хөрөнгийн өөрчлөлтийн жишээ

Түүнээс хойш квант механикбөөмийн координатыг нарийн тодорхойлохыг хориглодог "атомын радиус" ба "ионы радиус" гэсэн ойлголтууд харьцангуй; Атомын радиусыг металлын атомын радиус, металл бус атомын ковалент радиус, сайн хийн атомын радиус гэж хуваана. Тэдгээрийг харгалзах талст дахь атомын давхаргын хоорондох зайны хагасаар тодорхойлно энгийн бодисууд(Зураг 2.1) рентген эсвэл нейтроны дифракцийн аргаар.

Цагаан будаа. 2.1. "Атомын радиус" гэсэн ойлголтын тодорхойлолтод

Ерөнхийдөө атомын радиус нь атомын шинж чанараас гадна мөн чанараас хамаардаг химийн холбоотэдний хооронд, нэгтгэх байдал, температур болон бусад олон хүчин зүйлүүд. Энэ нөхцөл байдал нь "атомын радиус" гэсэн ойлголтын харьцангуй байдлыг дахин харуулж байна. Атомууд нь шахагдашгүй, хөдөлгөөнгүй хөлдсөн бөмбөг биш бөгөөд тэд үргэлж эргэлтэнд оролцдог хэлбэлзлийн хөдөлгөөн. Хүснэгтэнд 2.1 ба 2.2-д зарим металлын атомын радиус ба металл бус атомын ковалент радиусуудын утгыг харуулав.

Хүснэгт 2.1

Зарим металлын атомын радиус

Металл	r a , pm	Металл	r a , pm
Ли		Rb
Бай		Ср
На		Ю
Mg		Zr
Ал		Nb
К		Мо
Ca		Tc
Sc		Ру
Ти		Rh
В		Pd
Кр		Аг
Му		CD
Fe		онд
Co		Cs
Ни		Ба
Cu		Ла
Zn		Hf

Хүснэгт 2.2

Төмөр бус атомуудын ковалент радиус

Эрхэм хийн атомын радиус нь тухайн үеийн металл бус атомуудын радиусаас хамаагүй том байна (Хүснэгт 2.2), учир нь эрхэм хийн талстуудад атом хоорондын харилцан үйлчлэл маш сул байдаг.

Gas He Ne Ar Kr Xe

r a , rm 122 160 191 201 220

Мэдээжийн хэрэг, ионы радиусын масштабыг атомын радиусын масштабтай ижил зарчимд үндэслэж болохгүй. Түүнээс гадна, хатуу хэлэхэд, бие даасан ионы нэг ч шинж чанарыг бодитойгоор тодорхойлох боломжгүй юм. Тиймээс ионы радиусын хэд хэдэн масштаб байдаг бөгөөд тэдгээр нь бүгд харьцангуй, өөрөөр хэлбэл тодорхой таамаглал дээр үндэслэсэн байдаг. Ионы радиусын орчин үеийн хуваарь нь ионуудын хоорондох хил нь ионуудын төвүүдийг холбосон шугам дээрх хамгийн бага электрон нягтын цэг гэсэн таамаглал дээр суурилдаг. Хүснэгтэнд Хүснэгт 2.3-т зарим ионуудын радиусыг үзүүлэв.

Хүснэгт 2.3

Зарим ионуудын радиус

Ион	би үдээс хойш	Ион	би, орой
Ли+		Mn 2+
2+ байх		Mn 4+
B 3+		Mn 7+
C 4+		Fe 2+
N 5+		Fe 3+
O2–		Co2+
F -		Co 3+
Na+		Ni 2+
Mg 2+		Cu+
Аль 3+		Cu 2+
4+		Br -
P5+		Сар 6+
S 2–		Tc 7+
Cl -		Ag+
Cl 5+		би -
Cl 7+		Ce 3+
Cr 6+		Nd 3+
		Лу 3+

Тогтмол хууль нь атомын болон ионы радиусын өөрчлөлтийн дараах зүй тогтолд хүргэдэг.

1) Зүүнээс баруун тийш, ерөнхийдөө атомын радиус буурч, жигд бус боловч эцэст нь хийн атомын хувьд огцом нэмэгддэг.

2) Дэд бүлгүүдэд дээрээс доошоо атомын радиус нэмэгддэг: үндсэн дэд бүлгүүдэд илүү чухал, хоёрдогч бүлэгт бага ач холбогдолтой. Эдгээр хэв маягийг хэтийн төлөвөөс тайлбарлахад хялбар байдаг цахим бүтэцатом. Тодорхой хугацаанд өмнөх элементээс дараагийн элемент рүү шилжих явцад электронууд нэг давхаргад, тэр ч байтугай нэг бүрхүүлд шилждэг. Цөмийн өсөн нэмэгдэж буй цэнэг нь электронуудыг цөмд илүү хүчтэй татахад хүргэдэг бөгөөд энэ нь электронуудын харилцан түлхэлтээр нөхөгддөггүй. Дэд бүлгүүдэд электрон давхаргын тоо нэмэгдэж, цөмд таталцлыг хамгаалдаг гадаад электронуудгүн давхарга нь атомын радиусыг нэмэгдүүлэхэд хүргэдэг.

3) Катионы радиус нь атомын радиусаас бага бөгөөд катионы цэнэг нэмэгдэх тусам буурдаг, жишээлбэл:

4) Анионы радиус нь атомын радиусаас их, жишээлбэл:

5) Үеийн үед ижил цэнэгийн d-элементүүдийн ионуудын радиус аажмаар буурч, үүнийг d-шахалт гэж нэрлэдэг, жишээлбэл:

6) Үүнтэй төстэй үзэгдэл f-элементүүдийн ионуудын хувьд ажиглагддаг - үе үед ижил цэнэгийн f-элементүүдийн ионуудын радиус аажмаар буурч, энэ нь f-шахалт гэж нэрлэгддэг, жишээлбэл:

7) Ижил төрлийн ионуудын радиус (ижил төрлийн электрон "титэмтэй") аажмаар дэд бүлгүүдэд нэмэгддэг, жишээлбэл:

8) Хэрэв өөр өөр ионууд байгаа бол ижил тооэлектронууд (тэдгээрийг изоэлектроник гэж нэрлэдэг), тэгвэл ийм ионуудын хэмжээ нь ионы цөмийн цэнэгээр тодорхойлогддог. Хамгийн жижиг ион нь хамгийн их цөмийн цэнэгтэй байх болно. Жишээлбэл, Cl –, S 2–, K +, Ca 2+ ионууд ижил тооны электронтой (18) изоэлектроник ионууд; Тэдгээрийн хамгийн жижиг нь кальцийн ион байх болно, учир нь энэ нь хамгийн том цөмийн цэнэгтэй (+20), хамгийн том нь хамгийн бага цөмийн цэнэгтэй (+16) S 2- ион юм. Тиймээс дараах загвар гарч ирнэ: ионы цэнэг нэмэгдэх тусам изоэлектрон ионуудын радиус буурдаг.

Хүчил ба суурийн харьцангуй хүч (Косселийн диаграм)

Бүх хүчилтөрөгчийн хүчил ба суурь нь молекулууддаа E n+ – O 2– – H + фрагментийг агуулдаг. Хүчиллэг эсвэл үндсэн төрлөөс хамааран нэгдлүүдийн диссоциаци нь элементийн атомын исэлдэлтийн зэрэгтэй (илүү хатуу, валенттай) холбоотой гэдгийг сайн мэддэг. Энэ фрагмент дахь холбоо нь цэвэр ион гэж үзье. Атомын валент нэмэгдэх тусам түүний холболтын туйлшрал мэдэгдэхүйц сулардаг (3-р бүлгийг үз).

Хүчилтөрөгчийн хүчил эсвэл суурийн молекулаас таслагдсан энэхүү хатуу фрагментэд протон эсвэл гидроксил анион ялгарснаар бондын задрал ба диссоциаци нь E n+ ба O 2 хоорондын харилцан үйлчлэлийн хэмжээгээр тодорхойлогдоно. - ионууд. Энэ харилцан үйлчлэл хүчтэй байх тусам ионы цэнэг (исэлдэлтийн төлөв) нэмэгдэж, түүний радиус буурах тусам O-H холбоо тасрах, хүчиллэг төрлийн диссоциаци үүсэх магадлал өндөр болно. Тиймээс, Хүчилтөрөгчийн хүчлүүдийн хүч нь элементийн атомын исэлдэлтийн төлөв нэмэгдэж, ионы радиус буурах тусам нэмэгддэг. .

Энд болон доороос илүү хүчтэй нь уусмал дахь ижил молийн концентрацитай үед диссоциацийн түвшин өндөр байдаг электролит гэдгийг анхаарна уу. Косселийн схемд исэлдэлтийн төлөв (ионы цэнэг) ба ионы радиус гэсэн хоёр хүчин зүйлийг шинжилдэг гэдгийг бид онцолж байна.

Жишээлбэл, хоёр хүчлийн аль нь илүү хүчтэй болохыг олж мэдэх шаардлагатай - селен H 2 SeO 4 эсвэл селен H 2 SeO 3 . H 2 SeO 4-д селенийн атомын исэлдэлтийн төлөв (+6) нь селенийн хүчил (+4) -ээс өндөр байдаг. Үүний зэрэгцээ Se 6+ ионы радиус нь Se 4+ ионы радиусаас бага байна. Үүний үр дүнд хоёр хүчин зүйл үүнийг харуулж байна селений хүчилселенээс илүү хүчтэй.

Өөр нэг жишээ бол манганы хүчил (HMnO 4) ба рений хүчил (HReO 4) юм. Эдгээр нэгдлүүдийн Mn ба Re атомуудын исэлдэлтийн түвшин ижил (+7) тул Mn 7+ ба Re 7+ ионуудын радиусыг харьцуулах хэрэгтэй. Дэд бүлгийн ижил төрлийн ионуудын радиус ихсэх тул Mn 7+ ионы радиус бага, энэ нь манганы хүчил илүү хүчтэй гэсэн үг юм.

Үндэслэлүүдийн нөхцөл байдал эсрэгээрээ байх болно. Элементийн атомын исэлдэлтийн төлөв буурч, ионы радиус ихсэх тусам суурийн хүч нэмэгддэг. . Тиймээс, хэрэв ижил элемент нь өөр өөр суурь үүсгэдэг бол, жишээлбэл, EON ба E(OH) 3 бол тэдгээрийн хоёр дахь нь эхнийхээс сул байх болно, учир нь эхний тохиолдолд исэлдэлтийн төлөв бага, E-ийн радиус байна. + ион нь E 3+ ионы радиусаас их байна. Дэд бүлгүүдэд ижил төстэй суурийн бат бэх нэмэгдэх болно. Жишээлбэл, хамгийн их бат бөх суурьшүлтлэг металлын гидроксидын FrOH, хамгийн сул нь LiOH байх болно. Бид харгалзах электролитийн диссоциацийн зэргийг харьцуулах тухай ярьж байгаа бөгөөд электролитийн үнэмлэхүй хүч чадлын асуудалд хамааралгүй гэдгийг дахин онцлон тэмдэглэе.

Хүчилтөрөгчгүй хүчлүүдийн харьцангуй хүчийг авч үзэхдээ бид ижил аргыг ашигладаг. Бид эдгээр нэгдлүүдийн молекулуудад байгаа E n– – H + фрагментийг ионы холбоогоор солино.

Мэдээжийн хэрэг, эдгээр ионуудын харилцан үйлчлэлийн хүчийг ионы цэнэг (элементийн атомын исэлдэлтийн төлөв) болон түүний радиусаар тодорхойлно. Кулоны хуулийг санаад бид үүнийг олж авдаг Хүчилтөрөгчгүй хүчлүүдийн хүч нь элементийн атомын исэлдэлтийн төлөв буурч, ионы радиус нэмэгдэх тусам нэмэгддэг. .

Уусмал дахь хүчилтөрөгчгүй хүчлүүдийн хүч нь дэд бүлэгт, жишээлбэл, гидрогалын хүчилд нэмэгдэх болно, учир нь элементийн атомын исэлдэлтийн түвшин ижил байх тусам түүний ионы радиус нэмэгддэг.

Ионы радиус- ионы катион ба ионы анионуудын хэмжээг тодорхойлох Å-ийн утга; ионы нэгдлүүдийн атом хоорондын зайг тооцоолоход ашигладаг бөмбөрцөг хэлбэрийн ионуудын онцлог хэмжээ. Ионы радиусын тухай ойлголт нь ионуудын хэмжээ нь тэдгээрийн орших молекулуудын найрлагаас хамаардаггүй гэсэн таамаглал дээр суурилдаг. Үүнд тоо хэмжээ нөлөөлдөг электрон бүрхүүлүүдмөн болор тор дахь атом ба ионуудын савлах нягт.

Ионы хэмжээ нь олон хүчин зүйлээс хамаардаг. Ионы тогтмол цэнэгтэй бол атомын дугаар (мөн үүний улмаас цөмийн цэнэг) нэмэгдэх тусам ионы радиус буурдаг. Энэ нь ялангуяа лантанидын цувралд мэдэгдэхүйц бөгөөд ионы радиус нь (La3+) 117 pm-ээс 100 pm (Lu3+) хүртэл 6 координацын тоогоор нэг хэвийн өөрчлөгддөг. Энэ нөлөөг лантанидын агшилт гэж нэрлэдэг.

Элементүүдийн бүлгүүдэд атомын тоо нэмэгдэхийн хэрээр ионы радиус ихэвчлэн нэмэгддэг. Гэсэн хэдий ч дөрөв ба тав дахь үеийн d-элементүүдийн хувьд лантанидын шахалтын улмаас ионы радиус хүртэл буурч болно (жишээлбэл, Zr4+-ийн хувьд 73 цагаас Hf4+-ийн хувьд 72 цаг хүртэл, зохицуулалтын тоо 4 хүртэл).

Энэ хугацаанд ионы радиусын мэдэгдэхүйц бууралт ажиглагдаж байгаа бөгөөд энэ нь цөмд электронуудын таталцал нэмэгдэж, цөмийн цэнэг ба ионы өөрөө цэнэг нэгэн зэрэг нэмэгдэхтэй холбоотой: Na+-ийн хувьд 116 pm, 86 Mg2+ -д pm, Al3+ -д 68 цаг (зохицуулалтын дугаар 6). Үүнтэй ижил шалтгаанаар ионы цэнэгийн өсөлт нь нэг элементийн ионы радиус буурахад хүргэдэг: Fe2+ 77 pm, Fe3+ 63 pm, Fe6+ 39 pm (зохицуулалтын дугаар 4).

Эсрэг ионуудын хоорондох түлхэлтийн хүчний улмаас ионы хэмжээнд нөлөөлдөг тул ионы радиусуудын харьцуулалтыг зөвхөн координатын тоо ижил байх үед хийж болно. Энэ нь Ag+ ионы жишээн дээр тодорхой харагдаж байна; түүний ионы радиус нь зохицуулалтын дугаар 2, 4, 6-д тус тус 81, 114, 129 pm байна.
Ионы нэгдлийн бүтэц нь ялгаатай ионуудын хоорондох хамгийн их таталцал ба ижил төстэй ионуудын хамгийн бага түлхэлтээр тодорхойлогддог бөгөөд энэ нь катион ба анионуудын ионы радиусуудын харьцаагаар тодорхойлогддог. Үүнийг энгийн геометрийн байгууламжуудаар харуулж болно.

Ионы радиус нь цөмийн цэнэг, хэмжээ, электрон бүрхүүл дэх электронуудын тоо, Кулоны харилцан үйлчлэлийн улмаас нягтрал зэрэг олон хүчин зүйлээс хамаардаг. 1923 оноос хойш энэ ойлголтыг үр дүнтэй ионы радиус гэж ойлгож ирсэн. Голдшмидт, Аренс, Боки болон бусад хүмүүс ионы радиусын системийг бүтээсэн боловч тэдгээр нь бүгд чанарын хувьд ижил байдаг, тухайлбал, тэдгээрийн доторх катионууд нь дүрмээр бол анионуудаас хамаагүй бага байдаг (Rb +, Cs +, Ba 2-ээс бусад нь). + ба Ra 2+ O 2- ба F-тэй холбоотой). Ихэнх системүүдийн анхны радиусыг K + = 1.33 Å гэж авсан; бусад бүх радиусыг химийн төрлөөр нь ион гэж үздэг гетероатомын нэгдлүүдийн атом хоорондын зайнаас тооцсон. харилцаа холбоо. 1965 онд АНУ-д (Вабер, Гровер), 1966 онд ЗХУ-д (Брацев) ионы хэмжээний квант механик тооцооны үр дүнг нийтэлсэн нь катионууд нь харгалзах атомуудаас бага хэмжээтэй, харин анионууд бараг байдаггүй болохыг харуулсан. хэмжээ нь харгалзах атомуудаас ялгаатай. Энэ үр дүн нь электрон бүрхүүлийн бүтцийн хуулиудтай нийцэж байгаа бөгөөд үр дүнтэй ионы радиусыг тооцоолохдоо гаргасан анхны таамаглалуудын алдааг харуулж байна. Орбитын ионы радиус нь атом хоорондын зайг тооцоолоход тохиромжгүй;